面向碳中和目标的小型车载动力电池可持续发展研究*

薛冰娅，常泽宇，吴昊慧，胡宇辰，黄 凯，郁亚娟

面向碳中和目标的小型车载动力电池可持续发展研究*

薛冰娅1，常泽宇1，吴昊慧1，胡宇辰2，黄 凯3，郁亚娟1†

（1. 北京理工大学 材料学院，北京 100081；2. 北京理工大学 管理与经济学院，能源与环境政策研究中心，北京 100081； 3. 北京林业大学 环境科学与工程学院，北京 100083）

当前我国各行业均关注“碳中和”目标，电动汽车作为新能源材料和器件在交通行业实现节能环保目标的代表性载体之一，对我国实现碳中和目标有着重要意义。动力电池是电动汽车的重要组成部分，迫切需要解释其“碳中和”特性。将锂离子电池组在生产阶段的各类环境影响作为研究对象，采用生命周期评价方法，分析生产锂离子电池的过程中，成分组成对环境的综合影响。结果表明，硫化铁固态电池组（FeS2SS）在足迹家族、资源耗竭和毒性损害的11类三级指标中环境潜值都较小，说明FeS2SS电池组在生产阶段产生的综合环境影响较小，而磷酸铁锂−石墨电池（LFPy-C）、三元锂−硅纳米管电池（NMC-SiNT）、三元锂−硅纳米线电池（NMC-SiNW）在各项环境影响值中贡献程度均较高。为实现碳中和目标，减少碳排放，NMC-SiNW、LFPy-C、NMC-C三种电池组的生产应进行优化。

电动汽车；锂离子电池组；碳中和；生命周期评价

0 引 言

2020年，中国政府提出了国家自定贡献预案（Intended Nationally Determined Contributions, INDC）目标，即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。在我国，“碳中和”是指净零排放，即排放到大气中的二氧化碳量与从大气中移除的二氧化碳量相互平衡[2]。实现碳中和是全人类的共同目标，主要途径为碳替代、碳减排、碳封存、碳循环[3]，其中碳替代将是碳中和的中坚力量。新能源已经成为第三次能源转换的主角，未来将成为碳中和的主导。

近年来，随着我国经济社会的飞速发展，汽车总量急剧增加，由此造成的能源消耗和环境污染问题十分严峻[4-6]。为了降低汽车工业的能源消耗，解决日趋严重的汽车排放污染问题，新能源汽车尤其是纯电动汽车的研究和发展已成为绿色可持续发展的必然趋势[7-8]，同时，也是实现碳中和目标的良好途径。

得益于国家政策对新能源汽车的大力支持，电动汽车产业发展飞速[9]。2018年，电动汽车在中国的销量比2017年增长了78%，达到52万辆[4]。随着电动汽车产业的发展，先进的电源存储设备也越来越受欢迎。能量和功率密度高、自放电率低、环境友好型的锂离子电池（lithium-ion battery, LIB）在汽车领域得到了广泛应用，成为当前最具应用前景的电力系统电池储能技术之一[10-11]。然而，锂离子电池作为电动汽车特有的储能元件，其生产会带来相当大的能源和环境负担[12-13]。近年来，人们对电动汽车的环境效益更加关注[14]。国内外研究热点主要集中在从“摇篮”到“坟墓”的电池全生命周期的环境效益[15]。对一些电池组的生产阶段环境足迹值也有研究[16]。

面向碳中和目标的锂离子电池环境评价，本文制定了一个以多层次指标为基础的生命周期评价（life cycle assessment, LCA）体系，包括足迹家族、资源消耗和毒性损害指标，对生产阶段多个类型的锂离子电池组进行环境评价，并衡量其可持续发展的能力。

1 研究方法和实验数据

1.1 评价对象与范围

生命周期评价方法是国际上公认的产品生命周期对环境影响的定量和定性分析工具[17]，对环境影响进行了相关的损害分类和量化[18]。本研究对象为作为动力能源的磷酸铁锂（LiFePO4, LFP）电池组、三元锂［Li(NiMnCo)O2, NMC］电池组、锰酸锂（LiMn2O4, LMO）电池组和锂金属材料（lithium metal battery, LMB）电池组。

（1）LFP电池组包括：磷酸铁锂−石墨电池（LFPx-C）[19]，石墨负极，正极材料比例64.1%；LFPy-C[20]，石墨负极，正极材料比例28.4%（正极材料比例不同，下标加上x和y以示区分）。

（2）NMC电池组包括：三元锂−石墨电池（NMC-C）[20]，石墨为负极；NMC111-C[21]，镍钴锰摩尔比1∶1∶1，石墨负极；NMC442-C[19]，镍钴锰摩尔比4∶2∶4，石墨负极；三元锂−硅纳米管电池（NMC-SiNT）[22]，硅纳米管负极；三元锂−硅纳米线电池（NMC-SiNW）[23]，硅纳米线负极。

（3）LMO电池组包括：锰酸锂−石墨电池（LMO-C）[24]，石墨负极；LMO/NMC-C[25]，锰酸锂和三元材料复合锂离子电池，石墨负极。

（4）LMB电池组包括：锂硫电池（Li-S）[26]，单质S为负极；硫化铁固态电池（FeS2SS）[27]，金属Li为负极。

LCA的结果与功能单元（function unit, FU）的选择之间有很强的依赖性，功能单元的确定可以保证评价对象和评价过程有相同的基准。考虑到不同类型的电池会消耗不同质量的原材料，为了获得各种电池材料的可比值，需要将电池部件和质量的原始值转化为标准质量，即评估合成1 kg物体材料的足迹值。本研究选择1 kg为功能单元。

本文采用SimaPro软件进行生命周期评价。SimaPro软件是一款商用的产品系统建模和评估软件[28]，包含一个带有大量清单数据和影响评价方法的数据库，其中的Ecoinvent数据库是一个高质量、科学、透明、世界领先的生命周期清单数据库，支持结果导向型模型，不仅描述了产品生命周期的环境影响，而且还表达了产品是如何改变其他生命周期的环境影响的。将电池原材料清单输入到SimaPro软件中，合成锂离子电池组的材料百分比清单。这些清单以Ecoinvent 3数据库为背景系统，采用基于过程的生命周期评价和基于参数特征的方法，从层次的角度对综合环境影响潜力进行评估。

1.2 综合环境评价指数

本文定义的一级指标为综合环境评价指数，包括足迹家族、资源耗竭和毒性损害3组二级综合指标。将3组二级综合指标分为11组三级指标，如表1所示；指标权重如图1所示。

表1 环境评价指标

图1 环境评价指标的权重

2 结果与讨论

选取迷你型车（重1 100 kg、电池容量为17.7 kW∙h、能源需求为96.8 W∙h/km）进行研究，与其他车型相比，其车身小而轻，能源需求少，操作方便，价格优惠，利于推广。以迷你型车的11组锂离子电池组为研究对象，分析各项环境指标。

2.1 电池组生产阶段的足迹家族影响

通过数据无量纲化处理、计算各项指标权重，对足迹家族指标进行评估，如图2所示。

对于足迹家族，三种足迹值在电池组中所表现出的环境影响值差异主要源于电池组原材料的组成不同。图2a为生产阶段碳足迹影响值。碳足迹可被称为温室气体排放或全球变暖潜势，体现了电池在生产阶段所产生的碳排放。在目标电池组中，NMC-SiNW的碳足迹值最高，而NMC-SiNT电池组的碳足迹值仅为7.37 × 103kg CO2-eq。可以发现，生产以硅纳米线作为负极的电池组所产生的碳足迹要高于生产以硅纳米管为负极的动力电池组。NMC-C和LFPy-C电池组的碳足迹值在含硅纳米材料的两组电池之间，反映出电池组较高的温室气体排放量主要是由于二者的正极材料占比很高，分别为64.1%和54.8%，远高于一般锂离子电池正极材料占比（15% ～ 27%）。同时，从NMC442-C、NMC111-C、NMC-C这三种电池组的碳足迹值可以看出，因含Ni、Mo、Co等元素的正极活性材料组分不同，电池组的碳足迹值波动范围很大。值得一提的是，生产FeS2SS电池的碳排放最低。

图2 锂离子电池组在生产阶段的足迹家族指标影响值：（a）碳足迹；（b）足迹家族

生态足迹主要通过土地占用、核能和二氧化碳三个方面反映电池组生产对生态环境方面的影响。CF和EF的影响趋势趋于一致。水足迹主要反映在电池组生产阶段的水资源消耗上。在WF方面，水资源消耗量最大的前三种电池组分别为 NMC111-C、LFPx-C、Li-S。此外，LMO类型的WF值最低。

通过数据的无量纲化处理和各项指标所确定的权重，将足迹家族指标进行环境影响评估，如图2b所示。可以看出，WF、CF和EF三种足迹指标的影响值分布有明显差异，但综合的足迹家族指标的影响值排序中与CF和EF的规律呈现一致性，WF不会显著影响足迹家族指标的综合值。电池组类型在足迹家族中由低到高产生的足迹影响依次为LMO/NMC-C < FeS2SS < LMO-C < NMC442-C < Li-S < LFPx-C < NMC111-C < NMC-SiNT < NMC-C < LFPy-C < NMC-SiNW。

2.2 电池组生产阶段的资源耗竭影响

通过数据的无量纲化处理和各项指标所确定的权重，对资源耗竭指标进行评估，如图3所示。

图3 锂离子电池组在生产阶段的资源耗竭指标影响值

可以看出，5种三级指标在不同电池组的影响趋势呈现出很大差异。非生物耗竭指标主要反映资源的可获得性，体现在资源获取过程中能源的消耗和固体废弃物的产生。NMC-SiNW电池组的ADP指标影响值最大，说明该类型电池组在生产制造过程中所消耗的不可再生类资源高。LMO/NMC-C电池组的ADP指标影响值最小。酸化指标主要反映电池组在生产阶段所产生的酸化潜力，酸化物质对生活环境和生态系统等方面产生广泛影响。具有最高AP值的电池组是NMC-SiNW，AP值最低的电池组为FeS2SS。富营养化指标主要反映产品在生产阶段向空气、水和土壤排放营养物质而引起环境中宏观营养物质极端强度的影响。EP最高的两个电池组是LFPy-C和NMC-C，最低的是FeS2SS 电池组。臭氧层损耗主要反映在电池组生产阶段所产生的物质对臭氧层的影响。LFPx-C和 NMC442-C电池组的ODP值都偏高，其他电池组类型与二者相比，呈现极低的ODP值。光化学氧化潜值主要反映了氮氧化物和非甲烷挥发性有机化合物在地面上形成臭氧的能力。图3中，Li-S电池组的POFP值最高，而另一组含硫的电池组FeS2SS的潜值最低，可见以LMB类型电池组为代表的两类电池的POFP波动最大。

不同类型的电池组在5组资源耗竭影响潜值方面有明显的侧重程度。例如，除LFPx-C和NMC442-C在POFP方面上显示极大的潜值，资源耗竭各三级指标的最高和最低排放潜值的电池组类型不一致。且FeS2SS在资源耗竭二级综合指标和三级指标中都表现出极低的排放潜值。锂离子电池组的资源消耗潜值由低到高依次为FeS2SS < LMO/NMC-C < LMO-C < NMC111-C < Li-S < NMC-SiNT < NMC442-C < LFPx-C < NMC-C < LFPy-C < NMC-SiNW。

2.3 电池组生产阶段的毒性损害影响

经过无量纲化处理和各指标权重的确定后，对毒性损害指标进行评估，图4所示为锂离子电池组在毒性损害指标下的表现情况。

毒性损害指标可以反映电池组生产过程对人类健康和生态健康的影响，是常被忽视的指示人体/生态健康的环境影响指标。在电池组的毒性损害评价中，基于人体对毒性的致癌程度将其分为致癌性和非致癌性两组指标。生态毒性指标可以反映电池组在生产阶段对生态环境造成的毒性损害程度。其评价值最大的电池组为 LFPy-C，最小的电池组为FeS2SS。总的来说，电池组所呈现的三个毒性指标评价趋势一致。

图4 锂离子电池组在生产阶段的毒性损害指标影响值

电池组在生产阶段产生的HTC、HTN和ETX 三种影响潜值具有一致的规律性。综合毒性损害潜值由低到高的电池组类型依次为FeS2SS < Li-S < LMO/NMC-C < NMC111-C NMC-SiNT < NMC442-C < LFPx-C < LMO-C < NMC-SiNW < NMC-C < LFPy-C。

2.4 电池组生产阶段的三级指标分析

从图5中可以看出11组电池在各项环境影响值间的贡献程度。从电池类型方面分析，LFPy和NMC-C由于正极材料的占比极高（质量比例超过50%），两组电池在CF、EF、EP、AP、HTC、HTN和ETX方面具有较高的环境影响值。

图5 锂离子电池组在生产阶段中各项环境指标影响比例图

从环境指标方面分析，可以看到在CF和EF中，11组锂离子电池的贡献程度具有相似性，同样，在HTC、HTN和ETX中也具有相似的贡献规律。电池组在资源耗竭下的5项指标与其他指标的贡献规律略有不同。

整体而言，LFPy、NMC-SiNW和NMC-C的各项环境影响值均较高，可以认为这三组电池的环境影响值偏高，其生产阶段对环境造成较大的影响负荷。

3 结 论

面向实现“碳中和”的目标，首先以二级综合指标为分类基础分析了11组动力电池在生产阶段的11项三级环境影响指标，并着重对碳足迹进行分析，再以此为基础对生产阶段的电池组进行环境影响评价。结果表明：

（1）足迹家族。CF中，以硅纳米管和硅纳米线为主的负极材料制备的动力电池组有较高的碳排放值。LMB和LMO类型的电池组产生的CF影响小。EF指标规律与CF一致。LMO类型的WF值最低，LMB类型中的Li-S表现出较高的水资源消耗。

（2）资源耗竭。ADP影响值最高的材料是NMC-SiNW；NMC类型电池组的AP值普遍偏高；LMO类型电池组表现出低AP值。EP表现最明显的两个电池组是LFPy-C和NMC-C。POFP中以LMB类型电池组为代表的两类电池影响潜值波动最大，Li-S电池的POFP值最大，而FeS2SS电池的POFP值最小。ODP中LFPx-C和NMC442-C电池组表现尤为显著，其他类型电池组所呈现的ODP值很小。

（3）毒性损害。电池组所呈现的三个毒性指标评价趋势一致，最高毒性损害为LFPy-C，最低的毒性损害为LMB类型电池组（Li-S或FeS2SS）。

（4）整体而言，FeS2SS电池组在生产阶段产生的综合环境影响较小，LFP-y、NMC-SiNW和NMC-C在各项环境影响值中贡献程度均较高，可以认为这三组电池的生产阶段对环境造成较大的影响负荷。

（5）为努力实现“2060年达成碳中和”的目标，NMC-SiNW、LFPy-C、NMC-C这三类电池应控制生产，或优化工艺以减少碳排放。

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Research on Sustainable Development of Small Vehicle Power Battery for Carbon Neutrality

XUE Bing-ya1, CHANG Ze-yu1, WU Hao-hui1, HU Yu-chen2, HUANG Kai3, YU Ya-juan1

(1. School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Center for Energy and Environmental Policy Research, School of Management and Economics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 3. College of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

At present, the goal of “carbon neutrality” is concerned by all industries in China. As one of the representative carriers of new energy materials and devices in the transportation industry to achieve energy conservation and environmental protection goals, electric vehicles have made an important contribution to the realization of carbon neutrality in China. Power battery is one of the important components of electric vehicle, and its carbon neutral characteristics need to be explained urgently. In this paper, various environmental impacts of lithium-ion battery pack in the production stage were taken as the research object, and the life cycle assessment method was adopted to analyze the comprehensive impact of composition on the environment in the production process of lithium-ion battery. The results showed that FeS2SS battery pack had low environmental potential in 11 categories of tertiary indicators of resource depletion, toxic damage and footprint family. In other words, the FeS2SS battery pack had a low combined environmental impact during production stage. However, LFPy-C, NMC-SiNW and NMC-C contributed more to all environmental impact values. In order to achieve the goal of carbon neutrality and reduce carbon emissions, the production of NMC-SiNW, LFPy-C, NMC-C battery packs should be optimized.

electric vehicle; lithium-ion battery pack; carbon neutrality; life cycle assessment

TK01；TM911；X8

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.001

2095-560X（2021）06-0443-06

收稿日期：2021-09-11

2021-11-09

国家自然科学基金项目（52074037，52070017）；内蒙古科技重大专项项目（2020ZD0018）

通信作者：郁亚娟，E-mail：04575@bit.edu.cn

薛冰娅（1997-），女，硕士研究生，主要从事储能材料评价研究。

郁亚娟（1978-），女，博士，副教授，主要从事绿色材料生命周期评价研究。