殷仁述,楊沿平,楊 陽,陳志林 (湖南大學(xué),汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410082)

以尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰(LTO)取代石墨作為負(fù)極材料的鋰離子電池常被稱為鈦酸鋰電池.由于LTO電池在安全性、循環(huán)壽命、低溫適應(yīng)性、快速充放電等方面具備顯著優(yōu)勢[1],近年來配備此類動力電池的純電動客車銷量逐步上升.據(jù)最新補(bǔ)貼政策,搭載LTO電池的快充類純電動客車補(bǔ)貼強(qiáng)度有所提高[2],其未來市場規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)大.相比鎳鈷錳三元鋰(NCM)和磷酸鐵鋰(LFP)等主流鋰電池,盡管 LTO 電池能量密度偏低[3],但其循環(huán)壽命較長,在車用階段后剩余容量很可能遠(yuǎn)未達(dá) 80%的報廢閾值,此外兼具快速充放電能力和較高的安全性,適合以儲能系統(tǒng)形式進(jìn)行二次利用[4].

由于國內(nèi)尚無針對車用LTO動力電池上述特點(diǎn)開展的生命周期評價(LCA)研究,其能源、環(huán)境與資源等表現(xiàn)難以得到科學(xué)評估.本文根據(jù)車用鋰電池各階段特點(diǎn),構(gòu)建包含有二次利用階段的完整生命周期評價模型,選擇搭載于純電動城市客車平臺上的 LTO電池作為評價對象開展LCA研究,評價結(jié)果可為產(chǎn)業(yè)政策制定或產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)提供參考.

1 評價方法

1.1 系統(tǒng)邊界與功能單位

LCA是指對一個產(chǎn)品的整個生命周期中所有輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響進(jìn)行匯編和評價的過程[5].借助LCA人們可識別并量化某產(chǎn)品系統(tǒng)全生命周期各階段中能源與材料消耗、環(huán)境排放以及相關(guān)影響,并尋求降低上述負(fù)面影響的方法和措施.

典型LCA研究首先需明確研究目的、系統(tǒng)邊界和功能單位.本文研究目的在于探尋LTO電池全生命周期各階段能源、溫室氣體以及不可再生礦產(chǎn)資源等方面影響,因此研究范圍涵蓋了電池整個生命周期,包括生產(chǎn)、首次使用、重制、二次使用和回收等 5個階段,其系統(tǒng)邊界及生命周期主要環(huán)節(jié)見圖1.

圖1 系統(tǒng)邊界與電池生命周期主要環(huán)節(jié)Fig.1 System boundary and main processes in battery’s life cycle

功能單位是指經(jīng)過量化的產(chǎn)品功能或績效特征[5],選擇與已有研究相同的功能單位可確保不同LCA研究結(jié)果之間具備可比性,因此本文以LTO電池包中每kW·h容量為功能單位.

1.2 評價對象與數(shù)據(jù)來源

評價對象為某企業(yè)生產(chǎn)的純電動客車用LTO電池包,該生產(chǎn)企業(yè)為2016年中國LTO純電動客車及車用LTO電池包的主要制造商[6].評價對象的配套車型為12m級城市客車,屬占據(jù)同時期市場主導(dǎo)地位的大中型客車,故具有一定代表性,相關(guān)參數(shù)見表1.由于LTO電池的實(shí)際循環(huán)壽命難以獲得,故以文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)其容量衰減至80%的循環(huán)壽命為10000次[7].

表1 電池包與配套車型參數(shù)Table 1 Specifications of vehicle and battery pack

本文中常用鋰電池材料(包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液等)的基礎(chǔ)流背景數(shù)據(jù)來源于本研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的“中國常用鋰電池材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫”;能源與運(yùn)輸服務(wù)等數(shù)據(jù)來源于中國生命周期核心數(shù)據(jù)庫(CLCD)[9].

1.3 影響評價指標(biāo)和計(jì)算方法

影響評價是指根據(jù)選定的影響指標(biāo)和評價模型,將清單分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為潛在環(huán)境影響的過程,主要目的在于幫助人們理解產(chǎn)品系統(tǒng)對某些環(huán)境(包括資源)特性所造成的影響大小.

本文選取總能量消耗(CED)、全球變暖潛值(GWP)和不可再生礦產(chǎn)資源消耗(ADP(e))等3項(xiàng)影響指標(biāo),用于衡量電池對能源、環(huán)境和不可再生礦產(chǎn)資源的影響,單位分別為 MJ、kg CO2eq.和kg Sb eq.,特征化因子來源于荷蘭萊頓大學(xué)開發(fā)的CML模型[10].

2 模型構(gòu)建

2.1 基礎(chǔ)流清單模型

首先構(gòu)建生命周期第s階段物料、能源和運(yùn)輸服務(wù)輸入量矩陣METs:

式中:ms,i、es,i與 ts,i分別表示參與產(chǎn)品生命周期第s階段中第i種物料、能源或運(yùn)輸服務(wù)的量;p、q及r分別表示該階段物料、能源和運(yùn)輸服務(wù)的種類數(shù).

之后,構(gòu)建所有輸入物料、能源和運(yùn)輸服務(wù)的基礎(chǔ)流清單矩陣Is:

式中:is,ij表示第 j種輸入單元過程基礎(chǔ)流中第 i項(xiàng)值,其第1至第a項(xiàng)為不可再生礦產(chǎn)資源投入值,第 a+1至第 a+b項(xiàng)為一次能源投入值,第a+b+1至a+b+c項(xiàng)為環(huán)境排放值;a、b、c分別表示基礎(chǔ)流清單中不可再生礦產(chǎn)資源、一次能源和環(huán)境排放的種類數(shù).

再構(gòu)建本階段環(huán)境排放量矩陣Ps:

式中:ps,i(i＞a+b)表示產(chǎn)生的第 i類排放物的質(zhì)量;c表示排放物的種類數(shù),由于該矩陣中從第 1項(xiàng)至第a+b項(xiàng)皆為空值,因此以0來填充.

則第s階段的最終基礎(chǔ)流清單矩陣REs為:

式中:res,i為第s階段基礎(chǔ)流清單中的第i項(xiàng)值;a、b、c含義與式(2)一致.

通過式(1)至(4)可計(jì)算電池生命周期 5個階段的基礎(chǔ)流清單.然而回收處置階段不僅消耗了物料、能源與運(yùn)輸服務(wù),也獲得了再生產(chǎn)品.為評估該部分收益,構(gòu)建再生產(chǎn)品的質(zhì)量矩陣Mrcv,以及和再生產(chǎn)品對應(yīng)的原生產(chǎn)品基礎(chǔ)流矩陣Ivg:

式中:mrcv,i為本過程所獲得的第 i種再生產(chǎn)品的質(zhì)量.

式中:ivg,ij為本過程所獲得的第j種與再生產(chǎn)品相對應(yīng)的原生產(chǎn)品的基礎(chǔ)流清單中的第i項(xiàng)值.

故包含了回收收益的全生命周期基礎(chǔ)流清單矩陣RELC為:

式中:RE1～RE5分別為第1～第5階段的基礎(chǔ)流清單矩陣;reLC,i為全生命周期基礎(chǔ)流清單中的第 i項(xiàng)值.

2.2 影響評價模型

影響評價模型可將各階段基礎(chǔ)流清單與最終影響潛值相關(guān)聯(lián),該轉(zhuǎn)化過程中的核心要素為特征化因子,故構(gòu)建特征化因子矩陣CF:

式中:cfij表示表示基礎(chǔ)流清單中第 j項(xiàng)值與第 i種影響類型相對應(yīng)的特征化因子;a、b、c與前文中定義相同,h表示影響類型的數(shù)目.

則電池第s階段的影響評價結(jié)果矩陣IPs為:

式中:ips,i表示電池第s階段影響評價結(jié)果中第i種影響的值,h與前文中定義相同.

3 過程清單與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

關(guān)于物流過程,設(shè)各類原輔料均采用公路運(yùn)輸方式,平均運(yùn)距為184km[11];天然氣以管道輸送,平均運(yùn)距為615km[11].

3.1 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)1kW·h的LTO電池的物料清單[12]見表2;模組與系統(tǒng)部分由于缺乏實(shí)際數(shù)據(jù),通過參照文獻(xiàn)[13]中的物料構(gòu)成進(jìn)行等比例換算后獲得;電芯能量密度為60W?h/kg.

3.2 首次使用階段

本階段中電池存儲的大部分能量在經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換之后轉(zhuǎn)移到了車輛動力系統(tǒng),而非由電池自身所消耗.因此,本階段能耗主要有電池充放電效率導(dǎo)致的損耗,和由電池質(zhì)量引起的額外能耗.根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)電池充放電效率為 0.9[7],車輛行駛過程中由質(zhì)量所導(dǎo)致的能耗占總能耗的56%[14].

假定該客車服務(wù) 8a,年出勤 347d,以年均行駛距離4.5萬km[15]計(jì)算可得其日均行駛130km,故充電頻率為每日一充.車用階段總行駛距離為36萬 km,根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可得本階段總電耗為1.92×105kW·h,其中由充放電效率導(dǎo)致的能耗為1.92×104kW·h,由質(zhì)量引起的額外能耗為1.41×104kW·h,共經(jīng)歷充放電循環(huán) 2776次.

表2 生產(chǎn)階段物料、能耗、運(yùn)輸服務(wù)與排放清單Table 2 Bill of materials, energies, transportations and on-site pollutants in the producing stage

3.3 重制階段

表3 重制為儲能系統(tǒng)生產(chǎn)清單Table 3 Bill of materials, energies and transportations in the re-purposing stage

重制是退役電池包進(jìn)行二次使用之前必須經(jīng)歷的過程,根據(jù)某電池梯次利用試點(diǎn)項(xiàng)目[16],將退役車用電池包重制為儲能系統(tǒng)需將原電池包外殼拆除,更換為適應(yīng)儲能系統(tǒng)的新外殼,原模組和 BMS系統(tǒng)經(jīng)調(diào)整后可繼續(xù)使用,故本階段每kW?h電池包重制的生產(chǎn)清單見表3.

3.4 二次使用階段

本階段中退役電池以儲能系統(tǒng)的形式繼續(xù)運(yùn)行,主要功能為峰谷電力調(diào)節(jié),即在特定的時間段進(jìn)行充電或放電,因此其能耗主要是由于系統(tǒng)內(nèi)阻和能量轉(zhuǎn)換過程所導(dǎo)致的損耗.設(shè)總充放電效率仍為90%,每日循環(huán)1次,充放電深度為80%,且電池容量以線性規(guī)律衰減,則截至電池容量衰減為初始值 50%時,一共經(jīng)歷充放電循環(huán) 22224次,共釋放電能9.36×105kW·h,因系統(tǒng)內(nèi)阻和能量轉(zhuǎn)換引起的能耗為1.04×105kW·h.

3.5 回收階段

目前LTO電池尚未進(jìn)入大規(guī)模報廢期,因此國內(nèi)外尚無專門針對該類電池的商業(yè)化回收案例.考慮到本款電池的正極材料為 NCM,參考相關(guān)回收企業(yè)[17]情況,整理得到每 kW?h電池包中電芯回收處理環(huán)節(jié)(含正極材料回收)的清單見表4.

表4 電芯處理環(huán)節(jié)清單Table 4 Bill of products, materials, energies and transportations in the cell recovery process

根據(jù)圖1,本階段還包括了廢鋁、銅、鋼和廢塑料等材料的回收.假定廢金屬材料通過熔煉進(jìn)行再生,廢塑料以熱熔、重新造粒方式再生,可得其再生過程能耗清單[18-20].假設(shè)在電池破碎與分選過程中材料損耗率為0.1,則每kW?h電池包中待回收廢料質(zhì)量清單見表5.

表5 待回收廢料清單Table 5 Mass of materials to be recovered

此外,從電芯中分離出的廢舊LTO負(fù)極材料中亦含有鋰、鈦等資源,可利用其生產(chǎn)鈦白粉與碳酸鋰[21].假定鈦、鋰回收率均為 95%,則每 kg廢舊LTO負(fù)極材料的處理清單見表6:

表6 報廢LTO負(fù)極材料回收過程清單Table 6 Bill of products, materials, energies and transportations in the recovery process of lithium titanate

將表2、表3,以及3.2、3.4節(jié)中的數(shù)據(jù)分別代入式(1)和式(3),并配合相應(yīng)基礎(chǔ)流清單矩陣Is,可得到生產(chǎn)至二次使用階段基礎(chǔ)流清單.將表 4至表6中的數(shù)據(jù)帶入式(1)、式(3)至式(7),并假定鋁、銅、鋼與塑料在其再生過程中損耗率為0.1,可得回收階段基礎(chǔ)流清單,將各階段基礎(chǔ)流清單代入式(9)可得以下評價結(jié)果.

4 評價結(jié)果

4.1 全生命周期影響

結(jié)果表明,每 kW?h LTO 電池全生命周期CED、GWP 和 ADP(e)分別為 2.8×104MJ、1.86×103kg CO2eq.以及4.77×10-3kg Sb eq.,各影響值的分階段貢獻(xiàn)見圖2(使用和重制階段ADP (e)可忽略不計(jì)).

圖2 LTO電池生命周期各階段CED、GWP與ADP(e)Fig.2 CED, GWP and ADP(e) in different stages of LTO battery’s life cycle

由圖2可知,LTO電池的CED與GWP具有較大關(guān)聯(lián)性,各階段貢獻(xiàn)度分布幾乎一致.具體來看,CED與GWP正值主要分布在生產(chǎn)與兩個使用階段,其中二次使用階段最高,這是由于該階段中電池持續(xù)工作至剩余容量衰減至初始值的一半,經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)達(dá)到了首次使用階段的8倍,因而有更多的能量損耗.回收階段由于獲得了再生產(chǎn)品影響值為負(fù),重制階段的影響可忽略不計(jì).此外首次使用階段的CED與GWP值均稍低于生產(chǎn)階段.

ADP(e)在生產(chǎn)階段為正,回收階段總體為負(fù),是因?yàn)榛厥针A段的 ADP(e)也包含了回收用物料、能源以及運(yùn)輸服務(wù)等帶來的礦產(chǎn)資源消耗,總體為負(fù)意味著由于獲得了再生產(chǎn)品,其收益大于所付出代價,回收階段ADP(e)的具體構(gòu)成將在后文中分析.

4.2 分階段GWP分析

由于CED與GWP關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),本文僅對各階段GWP的構(gòu)成進(jìn)行分析.生產(chǎn)階段GWP的貢獻(xiàn)分解見圖3.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,每kW?h LTO電池生產(chǎn)階段GWP為442kg CO2eq.,其中電芯制造貢獻(xiàn)度最高,達(dá)386kg CO2eq.而由圖3可知,在電芯中,各原材料對其 GWP貢獻(xiàn)較大,其中正極材料、負(fù)極材料、鋁制材料以及 N-甲基吡咯烷酮(NMP)對電芯 GWP貢獻(xiàn)之和超過 90%,對整個生產(chǎn)階段GWP之貢獻(xiàn)亦達(dá)79%,因此減少上述材料用量可有效降低本階段GWP.

圖3 LTO電池生產(chǎn)階段電芯制造GWP貢獻(xiàn)分解Fig.3 The breakdown of GWP in LTO battery Cell’s producing stage

兩個使用階段的GWP主要源于由電池質(zhì)量導(dǎo)致的額外能耗以及由充放電效率所導(dǎo)致的損耗,如圖4所示.

圖4 首次使用與二次使用階段GWPFig.4 GWP of the first and second use stage

由圖 4可知,在首次使用階段由質(zhì)量導(dǎo)致的額外能耗和由充放電效率引起損耗對本階段GWP的貢獻(xiàn)相差不大,但二者均遠(yuǎn)小于電池二次使用階段因充放電效率損耗帶來的GWP.

回收階段各環(huán)節(jié) GWP見圖 5,包括代價(正值)與收益(負(fù)值)兩部分.

圖5 回收階段各環(huán)節(jié)GWPFig.5 GWP of different processes in the recovery stage

由圖5可知,從代價方面來看,回收階段中電芯處置和LTO回收等兩個環(huán)節(jié)對GWP貢獻(xiàn)較高,這是由于此兩環(huán)節(jié)消耗了多種能源和回收用輔料,如硫酸、雙氧水等;與此同時,銅、鋁、鋼與塑料回收對GWP正值部分貢獻(xiàn)相對較低.

從收益方面來看,鋁回收可獲得的收益最大,說明原生鋁產(chǎn)品的 GWP較高,通過回收得到再生鋁可顯著降低GWP.電芯處置環(huán)節(jié)可得收益次之,而鈦酸鋰回收可獲得的 GWP收益少于因該環(huán)節(jié)輸入能耗與物料所付出的代價.

4.3 回收階段ADP(e)分析

回收階段各相關(guān)環(huán)節(jié)ADP(e)見圖6,亦包括代價(正值)與收益(負(fù)值)兩部分.

圖6 回收階段各環(huán)節(jié)ADP(e)Fig.6 ADP(e) of different processes in the recovery stage

由圖6可知,回收階段中ADP(e)正值最高的是電芯處置環(huán)節(jié)(含正極材料回收),LTO回收環(huán)節(jié)次之.從收益方面來看,電芯處置獲得的收益最大,LTO回收次之,此外銅回收亦帶來一定收益.說明從不可再生資源視角出發(fā),上述環(huán)節(jié)均降低了相關(guān)礦產(chǎn)資源耗竭影響.

4.4 敏感性分析

敏感性分析可幫助識別影響評價結(jié)果的關(guān)鍵因素,并研究這些因素變化后對評價結(jié)果的沖擊程度,限于篇幅本文僅研究與 GWP相關(guān)的部分影響因素.

由前文可知,LTO電池的 GWP主要來自使用階段,尤其是二次使用階段,因此使用階段中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定對最終評價結(jié)果的影響較大.故選定“充放電效率(η)”、“質(zhì)量能耗分?jǐn)傁禂?shù)(k)”、“電池循環(huán)壽命(LT)”與“電力碳強(qiáng)度(CI)”等4項(xiàng)因素,考察其變化對電池全生命周期GWP評價結(jié)果的影響,結(jié)果如圖7所示.

由圖7可知,各因素敏感度排序是η＞CI＞LT＞k.其中,η的敏感程度最高,提升 η可顯著降低兩個使用階段的能耗,使得電池全生命周期 GWP下降,反之則可令其急劇上升.CI的敏感度與 LT相仿,CI或LT的降低均可令GWP減少,但LT的減少意味著使用階段存儲-釋放電量的降低,削弱了二次利用的價值.而CI主要由我國能源結(jié)構(gòu)決定,中長期看來,隨著化石能源在我國一次能源消耗中的占比不斷降低[22],CI將呈逐步下降趨勢,有利于減小電池全生命周期GWP.最后,k的取值對GWP影響較小,這是由于k僅影響車用階段,而后者對全生命周期GWP的貢獻(xiàn)相對較小.

圖7 GWP敏感性分析Fig.7 Sensitivity analysis of GWP

此外,本文中CI值來源于CLCD數(shù)據(jù)庫中全國電力平均水平,然而由于我國幅員遼闊且區(qū)域資源稟賦不同,各地實(shí)際CI值存在較大差異.如相關(guān)研究[23]表明,我國六大區(qū)域電網(wǎng)中,東北電網(wǎng)的CI較東南電網(wǎng)高出0.63kg CO2eq/(kW?h).若LTO電池分別在上述兩地區(qū)生產(chǎn)與運(yùn)行,其全生命周期GWP差異將達(dá)1119kg CO2eq/(kW?h).此外,如電池全生命周期使用或傳輸?shù)碾娏詠碜燥L(fēng)能,則CI值可降至9.5g CO2eq/(kW?h)[24],此時電池全生命周期GWP僅為242kg CO2eq/(kW?h),較原值下降87%.由此可見,LTO電池的全生命周期GWP與生產(chǎn)、運(yùn)行所處環(huán)境有較大關(guān)聯(lián),在CI較低的地區(qū)生產(chǎn)和使用電池可顯著降低這一影響.

5 討論

5.1 二次使用對生命周期GWP的影響

與大多已有電池LCA研究相比,本研究中電池生命周期增加了重制與二次使用兩個階段.為研究其對全生命周期 GWP的影響,設(shè)定以下 4種情景,見表7.其中,“服役一個車輛周期”指與電池配套的車輛退役后,電池與其一同退役;“服役多個車輛周期”指配套車輛退役后,因此時電池剩余容量較高,尚未達(dá)到通常的車用電池報廢閾值(80%),故拆下后安裝到相同車型上繼續(xù)使用,直至其剩余容量衰減至報廢閾值后再進(jìn)入回收環(huán)節(jié)或進(jìn)行重制以便二次使用.需要指出的是,“服役多個車輛周期”并未考慮諸如車輛實(shí)際使用情況、電池包設(shè)計(jì)壽命等因素可能帶來的影響,設(shè)定此情景主要是為了研究某些特定條件下電池環(huán)境表現(xiàn)的差異.

表7 使用階段情景設(shè)定Table 7 Scenario settings of the usage stages

此外,為了方便與已有研究進(jìn)行對比,本文選擇了基于容量的功能單位.然而該功能單位存在一定局限,例如,不同類型鋰電池的循環(huán)壽命存在較大差異,因此其全生命周期內(nèi)可存儲-釋放的能量也將迥異.如果僅從容量角度進(jìn)行對比,則無法考量電池循環(huán)壽命這一重要指標(biāo)帶來的影響.因此,在本討論環(huán)節(jié),本文增加了一個基于能量的視角,以便更全面的展現(xiàn)二次使用對電池生命周期GWP帶來的影響.

在其他設(shè)置不變的前提下,得到LTO電池在上述各情景以及兩種視角下的 GWP評價結(jié)果,分別見圖8(a)、(b),并得出以下結(jié)論.

5.1.1 容量視角下,二次使用令電池全生命周期GWP上升 由圖8(a)可知,重制和二次使用使得單位容量LTO電池全生命周期GWP上升,其中二次使用的貢獻(xiàn)占主要部分,重制對 GWP提升貢獻(xiàn)較小.這是由于本研究中重制過程物料與能量消耗較少,而二次使用過程中由于電池充放電過程存在能量損耗,因此在 CI不變的前提下,二次使用階段經(jīng)歷的充放電循環(huán)越多,則能量損耗越高,使得電池全生命周期GWP上升.

圖8 使用階段不同情景設(shè)置下LTO電池GWP對比Fig.8 Comparison of GWP of LTO battery in different scenarios

另一方面,電池如在首次使用階段服役多個車輛周期,其 GWP將比僅服役單個車輛周期更高,這是由于車用階段中電池不僅有因效率帶來的能耗,還有因其質(zhì)量帶來的額外能耗,因此服役多個車輛周期意味著本階段中由質(zhì)量帶來的額外能耗增加,進(jìn)而導(dǎo)致GWP升高.

5.1.2 能量視角下,二次使用令電池全生命周期GWP下降 本視角意味著將GWP平均分?jǐn)傊岭姵厝芷诖鎯?、釋放的所有能量?由圖8(b)可知,相比僅完成車用階段的電池,經(jīng)二次使用的電池存儲-釋放每 MJ能量所分?jǐn)傊?GWP顯著降低.這是由于二次使用大大增加了電池循環(huán)次數(shù)和存儲-釋放總能量,因此分母增大之后使得計(jì)算結(jié)果減小.

另一方面,電池在首次使用階段服役多個車輛周期后再進(jìn)行二次使用,其全生命周期 GWP將高于僅服役一個車輛周期后便進(jìn)行二次利用的相同電池,原因同上不再贅述.

總的看來,在能量視角下, 電池經(jīng)二次使用后全生命周期 GWP顯著降低.其中,當(dāng)電池在車用階段服役一個或多個車輛周期時,二次使用可分別使其全生命周期GWP下降53.6%和24.1%.在 4個情景中,僅服役一個車輛周期便開始二次使用的電池全生命周期GWP最低.

據(jù)4.4中的分析可知,二次使用對于電池全生命周期 GWP的影響亦取決于諸多因素,包括η、CI與LT等;此外本研究還忽略了電池效率可能存在衰減的情況,因此上述結(jié)果亦存在一定不確定性.為完善相關(guān)評估結(jié)論還需更全面、動態(tài)的分析,限于篇幅與主旨,本文在此不做深入探討.

5.2 與已有研究對比

已有鋰電池LCA研究大都包含GWP影響指標(biāo),但不同研究之間系統(tǒng)邊界存在差異,因此僅將本文中LTO電池生產(chǎn)階段GWP與其他已有研究[3,13,25-28]進(jìn)行對比,結(jié)果見圖9(a)、(b).

5.2.1 容量視角下,LTO電池生產(chǎn)階段GWP水平較高 由圖 8(a)可知,國內(nèi)外各類鋰電池生產(chǎn)階段GWP大致處于140～442kg CO2eq/kW?h的區(qū)間,其中本文所得的國產(chǎn)LTO電池評價值高于國外研究中的普通 NCM、LFP電池和以 LMO為正極的LTO電池,與SiNW為負(fù)極的新型NCM電池較為接近.考慮到 LTO電池能量密度較低,生產(chǎn)相同容量電池需要更多原材料,此外負(fù)極材料LTO的上游GWP較石墨高,以及不同研究所采用的原材料數(shù)據(jù)庫存在差異,該結(jié)果處于合理范圍內(nèi).

5.2.2 能量視角下,LTO電池生產(chǎn)階段溫室氣體排放水平最低 由圖 8(b)可知,本文算得的國產(chǎn)LTO電池存儲-釋放每MJ能量所分?jǐn)偟纳a(chǎn)階段GWP僅為8.1×10-3kg CO2eq,遠(yuǎn)低于其他各類鋰電池.這是由于 LTO 電池循環(huán)壽命長,二次利用后進(jìn)一步增加了循環(huán)次數(shù),因此單位容量電池在其全生命周期中存儲-釋放能量顯著高于其他各類鋰電池,其生產(chǎn)階段 GWP得到了最大程度的“稀釋”.

圖9 不同研究中電池生產(chǎn)階段GWP對比Fig.9 Comparison of GWP of the producing stage in different studies

6 結(jié)論

6.1 每kW?h LTO電池全生命周期CED、GWP和 ADP(e)分別為 2.80×104MJ、1.86×103kg CO2eq.以及4.77×10-3kg Sbeq..其中CED和GWP主要源于使用階段的能效損耗,生產(chǎn)階段 GWP則主要源于制造電芯所需的NCM、鋁和NMP等,因此從工藝角度而言減少上述材料消耗可有效降低生產(chǎn)階段的能耗與碳排放.

6.2 η和CI是影響LTO電池全生命周期GWP的關(guān)鍵因素.為降低這一影響,應(yīng)改善電池的電化學(xué)性能并優(yōu)化電池包設(shè)計(jì)以提升 η;另一方面,隨著我國電力結(jié)構(gòu)中可再生能源占比的提高,各類電池生命周期GWP影響亦有望降低.

6.3 在存儲-釋放相同能量視角下,對LTO電池開展重制和二次使用可令其全生命周期 GWP影響顯著下降,因此退役動力電池的二次使用具有積極環(huán)境意義.

6.4 與已有研究對比可知,制造同等容量的LTO電池環(huán)境代價相對較高,但其較長的循環(huán)壽命使得全生命周期存儲-釋放的能量更多,可最大程度分?jǐn)偵鲜龃鷥r,使得在能量視角下,其生產(chǎn)階段GWP影響反而低于其他各類鋰電池.因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量揚(yáng)長避短,選擇適合上述特性的使用場景,如對循環(huán)壽命要求較高的長期應(yīng)用,并積極開展二次使用,以實(shí)現(xiàn)更大的環(huán)境效益.

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