研究周报丨动力电池生命周期能耗及环境影响分析

研究周报丨动力电池生命周期能耗及环境影响分析

禁售燃油汽车的一个主要目的是节能减排。 如何更好地实现这一目标？ 上周的周报对比了纯电动汽车和传统燃油汽车在使用过程中的能耗和排放。 结果显示，纯电动汽车在使用阶段确实在能耗和二氧化碳排放方面具有优势（参见《研究周报|燃油车禁售后环境真的会改变吗？》）。 但与燃油汽车相比，从电动汽车的整个生命周期来看，除了充电环节外，动力电池的生产和回收也存在能源消耗和环境影响问题。 本周报告尝试使用 LCA ()，即生命周期评估，对这个问题进行分析。

LCA 是评估与产品、过程或活动在其整个生命周期阶段相关的环境负荷的过程。 根据定义：LCA是总结和评估产品、过程（或服务）系统在其整个生命周期中所有输入和输出对环境的直接和潜在影响的方法。 对于动力电池来说，从循环经济的角度来看，其生命周期的循环过程如下：

本文收集的相关数据主要来源于查询的企业生产数据、相关文献期刊公开发表的数据以及GaBi环境数据库中的数据。 它们只是行业数值，不能保证与企业实际情况完全一致。

美国阿贡实验室发表了一份题为《——》的文件，分析比较了产品生命周期中所有流程的影响，从原材料的获取到生产、使用、报废处理、回收阿贡实验室对动力电池生命周期的划分如下：

1、动力电池制造过程能源消耗及排放

关于动力电池原材料的获取和制造过程中的能源消耗，阿贡实验室提供了一些学者的研究成果如下：

我们以研究-为例。 根据上表计算，其原料获取和制造过程的总能耗约为205MJ/kg。 假设这些能源全部是我国现有能源结构下的电能输出，根据中国电力企业联合会规划发展部发布的《2016年全国电力工业统计快报》，火电占71.6%。 那么每公斤动力电池所需的热电能耗为205÷3.6×0.716=41kwh。 根据《2016年全国电力工业统计快报》，我国级以上发电企业供电标准煤耗为312克/千瓦时。 折算为供电标准煤：41×0.312=12.792kg。

以一辆40度电池容量的普通车辆为目标，根据电池组的能量密度计算重量约为220kg。 那么制造每辆车的动力电池所需的能耗约为220×205÷3.6=，相当于2.8吨标准供电煤。 2016年中国汽车产量约为2800万辆。 假设全部为电动汽车，则所需电力供应标准煤耗为7840万吨。 按68%（重量）标准煤含碳量计算，火电厂每千瓦时发电产生的二氧化碳理论计算为：312×0.68/12x44=788克，则二氧化碳排放量生产的每辆汽车动力电池都是用于。

根据文献《发动机原制造与再制造全生命周期评估方法》（大连理工大学）和《电动汽车与内燃机汽车动力系统全生命周期评估比较研究》（合肥工业大学），车用发动机制造能耗见下表。 对比可知，动力电池材料获取和制造过程的能耗约为发动机的30倍。

2、动力电池回收过程中的能源消耗及排放

在动力电池的回收阶段，目前主要关注有价金属钴、镍、锂的回收，因为这些金属属于稀有金属，相比其他金属具有更高的回收价值。 关于石墨、隔膜、电解液等回收处理的研究很少。关于动力电池的回收能耗数据，主要通过文献检索收集。

根据文献《循环经济视角下的汽车动力系统生命周期评估研究》（厦门大学），宁德时代提供的磷酸铁锂和三元电池单一材料清单如下：

锂电池回收一般有火法、湿法和生物法三类。 下图为国内主流锂电池回收加工企业广东邦普采用的工艺方法，其中LFP和NCM的工艺有所不同。

在论文《循环经济视角下的汽车动力系统生命周期评估研究》（厦门大学）中，广东邦普公司对LFP和NCM两种单一原材料的电池组进行了回收分析。 LFP由10个电池模块组成，每个模块由10个电芯组成，电芯重量为1.973kg； NCM由11个电池模块组成，每个模块由14个电芯组成，电芯重量为0.835kg。 其回收能耗如下：

燃油汽车的动力系统经过一系列的预处理、拆解、分类和压实过程后被回收。 金属材料回收阶段的能耗，根据相关研究文献（等，2006；等，2012；张伯明，2006；阮仁曼等，2010）查询如下：

通过对比可以看出，动力电池回收过程中的能耗是发动机的3倍，是天然气的10倍以上。

从环境影响来看，燃油车动力系统的回收、拆解、材料再生等工艺相对简单，工艺成熟。 锂电池尤其是磷酸铁锂的加工尚不完善，回收主要集中在有价金属。 对于石墨、隔膜、电解液等的回收处理研究还很少，电解液也是一个非常重要的污染源。 例如，LiPF6在潮湿空气中会分解产生有害物质，而有机溶剂如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）或碳酸二甲酯（DMC）等会对环境水、大气和环境造成严重污染。土壤并危害生态系统。 此外，废旧动力锂离子电池除了拆解过程中产生的废气、废液、废渣造成的污染外，还因材质和残余电量的原因存在自燃甚至爆炸等安全威胁。

三、相关措施和建议

动力电池制造阶段的能耗远高于发动机。 主要原因是上游原材料种类较多。 原材料的开采和生产过程中消耗大量能源，并产生大量废物，如磷酸铁锂、镍钴锰酸锂的制备。 而且，该工艺对于锂、钴、镍等矿产资源具有较高的损耗值。

综上所述，为了降低电动汽车全生命周期的能源消耗值和矿产资源枯竭潜力，应注意采取以下措施：

1）报废回收阶段是原材料回收再生的过程，直接减少了动力电池整个生命周期中矿产资源的消耗，因此加强回收工作具有重要意义；

2）改进动力电池回收工艺，提高金属再生效率；

3）完善动力电池回收流程，提高回收企业投入产出比。 例如，目前，LFP虽然比NCM投入更多的原材料和能源，但回收的再生金属却远少于NCM。

4）提高动力电池能量密度，减轻重量，从源头上减少原材料的开采和获取；

5）利用广泛的资源发现更便宜的电池材料，降低原材料获取难度。