电动汽车电池全生命周期碳足迹

唐昕雅, 蔡军, 黄鲲, 张思瑶, 王文涛, 林磊, 庄宇迪, 才华, 陈军

唐昕雅, 蔡军, 黄鲲, 张思瑶, 王文涛, 林磊, 庄宇迪, 才华, 陈军. 电动汽车电池全生命周期碳足迹[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2024, 56(4): 1-9. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024044
引用本文: 唐昕雅, 蔡军, 黄鲲, 张思瑶, 王文涛, 林磊, 庄宇迪, 才华, 陈军. 电动汽车电池全生命周期碳足迹[J]. 华南师范大学学报(自然科学版), 2024, 56(4): 1-9. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024044
TANG Xinya, CAI Jun, HUANG Kun, ZHANG Siyao, WANG Wentao, LIN Lei, ZHUANG Yudi, CAI Hua, CHEN Jun. Demystifying the Carbon Footprint of Electric Vehicle Batteries Within the Whole Life Cycle[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2024, 56(4): 1-9. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024044
Citation: TANG Xinya, CAI Jun, HUANG Kun, ZHANG Siyao, WANG Wentao, LIN Lei, ZHUANG Yudi, CAI Hua, CHEN Jun. Demystifying the Carbon Footprint of Electric Vehicle Batteries Within the Whole Life Cycle[J]. Journal of South China Normal University (Natural Science Edition), 2024, 56(4): 1-9. DOI: 10.6054/j.jscnun.2024044

电动汽车电池全生命周期碳足迹

基金项目: 

国家重点研发计划项目 2023YFF0611304

中央引导地方科技发展资金项目 2023ZY1035

中国机械工业集团有限公司青年基金项目 QNJJ-PY-2023-07

详细信息
    通讯作者:

    陈军,Emali:J-chen@cei1958.com

  • 中图分类号: TK01

Demystifying the Carbon Footprint of Electric Vehicle Batteries Within the Whole Life Cycle

  • 摘要:

    围绕《欧盟新电池法规(EU)2023/1542》中动力电池碳足迹的计算规则,对其进行全生命周期系统性的研究。回顾了电池在原材料获取与预加工阶段、生产制造阶段、分销阶段及废弃物处理与回收阶段的碳排放情况,突出了生命周期分析的必要性,并对不同类型电池碳足迹进行了对比。结合研究结果进行情景预测,提出电动汽车电池碳减排策略。文章有助于深化对电动汽车可持续发展的理解,为政策制定和产业发展提供科学依据。

    Abstract:

    The calculation rules for the carbon footprint of electric vehicle batteries outlined in Regulation (EU) 2023/1542 are systematically studied within the context of their entire life cycle. The carbon emissions associated with batteries during the phases of raw material acquisition and pre-processing, manufacturing, distribution, and waste treatment and recycling are reviewed, underscoring the critical importance of life cycle analysis. A comparative assessment of the carbon footprints of various battery types is presented. Based on the findings, scenario predictions and carbon reduction strategies for electric vehicle batteries are proposed. These insights contribute to a deeper understanding of the sustainable development of electric vehicles and provide a scientific foundation for policy formulation.

  • 世界各国经济快速发展和技术革新加剧了全球气候变暖和化石能源短缺,为解决这一难题,世界各国加快了碳减排步伐,颁布了相应的法规和政策公告[1]。2023年8月17日欧盟颁布了《欧盟新电池法规(EU)2023/1542》(以下简称法规),该法规提出2025年2月18日起动力电池进入欧盟市场必须包含碳足迹声明,同时,还涉及电池全生命周期碳足迹披露、可持续性、安全性、尽职调查、电池护照和废旧电池管理等内容,通过加大电池回收和碳足迹信息披露等途径促进绿色经济发展,减轻电池全生命周期对环境和社会的影响,从而推动欧盟实现2050年碳中和的目标。

    随着技术壁垒的突破,我国电动汽车销量及动力电池产量呈快速增长的趋势,电池作为电动汽车的核心零部件,对碳排放有显著影响。许多文献从不同角度对电池碳足迹进行了研究。在生命周期方向,文献[2]~[5]基于原材料的获取与预处理以及电池的生产制造、使用、联级利用与回收等问题进行了研究。PIZZOL等[6]研究发现电池原材料中的贵金属和非贵金属(如镍、铜、铂、铁和铝等)的加工和提取是能量密集的过程,不仅消耗大量水资源,而且在使用能源时会产生化学废品。在电池材料体系方向,SHU等[7]认为磷酸铁锂电池在生产阶段对环境负担小,但在使用和运输阶段表现出更显著的环境负担。新型的材料体系如钠离子电池、固态电池及锂空气电池也逐步受到重视[8]。从电池碳足迹管理体系而言,何冠成等[9]率先提出“碳效比”的概念,为智能家电领域产品低碳评价标准化工作提供技术参考。从碳足迹经济技术角度出发,BONSU等[10]研究表明到2050年低碳技术和全球净零碳排放可通过循环经济实现。

    综上所述,尽管从不同方面对动力电池全生命周期碳足迹的研究日益增多,但缺乏文献围绕《法规(EU)2023/1542》对其进行全角度研究。因此,为满足当下对电池碳足迹研究的迫切需求,本文旨在针对法规中动力电池碳足迹的计算规则及对现有文献的梳理,系统性地分析动力电池在全生命周期的碳足迹及其关键影响因素,结合情景预测提出碳减排策略,为后续电池碳足迹研究提供全面视角。

    碳足迹一般被定义为在一定范围内由个人、组织、过程、产品或事件中温室气体排放量和温室气体清除量的总和,以二氧化碳当量(CO2 eq)表示[11]

    生命周期评估(Life Cycle Assessment, LCA)是一种用于评估产品、过程或服务从“摇篮”到“坟墓”的全生命周期内环境影响的系统方法。LCA的计算规则遵循国际标准,主要是ISO 14040和ISO 14044系列[12-13]。涉及计算动力电池碳足迹的文件有最新的法规补充文件《Supplementing Regulation (EU) 2023/1542 of the European Parliament and of the Council by establishing the methodology for the calculation and verification of the carbon footprint of electric vehicle batteries》和文件《Rules for the calculation of the Carbon Footprint of Electric Vehicle Batteries》(简称CFB-EV文件),两者的计算规则基于LCA,在大方向上保持一致。关于动力电池的具体计算规则:1)确定系统边界。确定生命周期阶段,如原材料获取、制造、分销和废弃物处理和回收阶段,其中排除使用阶段。2)收集数据。收集与电动汽车电池生命周期相关的数据,包括生产、分销和处理阶段的数据,确保数据可靠、一致及可追溯。3)计算碳足迹。使用收集到的数据和确定的系统边界,计算碳排放量和能源消耗,应考虑各阶段的排放量、能源消耗和其他环境影响。4)处理废弃物和回收。考虑废弃物处理和回收阶段的数据,包括废弃物的处理方式和回收效率。5)验证。对计算结果进行验证,确保数据和计算过程的准确性和可靠性。确保计算方法符合欧洲委员会的建议和标准。6)透明度和报告。撰写报告以说明数据来源、假设和计算过程,确保计算方法透明。确保报告能够被他人理解和复制计算结果。

    在数据收集阶段的数据清单来自活动数据和基本流程数据,可由公司提供,也可以从数据库中获取(电池生产制造阶段除外,该阶段数据只能由电池厂提供)。目前主要的国外软件数据库有Gabi和SimaPro,国内的数据库有CEAD。LCA规则有助于准确计算电动汽车电池的碳足迹,有效把控各周期或全周期产生的碳排放量,为实现净零碳目标提供指导方向。

    系统边界在生命周期评估中定义为一个概念性界限,评估所包含的所有过程、活动或阶段的范围。法规第7条和附件Ⅱ规定,使用阶段可被排除。本文依据法规最新的补充文件和CFB-EV文件将动力电池系统边界分为原材料获取和预处理阶段、生产制造阶段、分销阶段及废弃物处理与回收阶段,如图 1所示。

    图  1  动力电池系统边界
    Figure  1.  Boundary of the power battery system

    人们在迫切追求更高的循环稳定性能、高能量密度及高安全性的锂离子电池的同时,也应关注全球政策和法规变化,最新发布的法规规定动力电池必须提供碳足迹声明才能进入欧盟市场,并遵循“谁生产、谁负责”的原则。因此,亟须开展动力锂离子电池全生命周期的碳足迹研究。

    根据法规补充文件的定义,原材料获取和预处理阶段的生命周期涵盖了从自然界中提取资源及其预处理,直到进入电池生产设备的产品组件中使用,包括:1)材料和中间产品在提取和预处理设施内部和之间的运输;2)阴极活性物质前驱体、阳极活性物质前驱体、电解质盐的溶剂、热处理系统和集流体的生产。该过程可采用Cut-off原则处理小于1%的材料。锂离子电池在该阶段涉及关键材料为镍、钴、锰、石墨和锂。印度尼西亚和俄罗斯是最大的镍生产国(分别占38%和11%)。世界上63%的钴产自刚果民主共和国。锰主要产自南非(30%)和澳大利亚(12%)。62%的石墨产自中国。锂主要产自澳大利亚(52%)和南美洲(智利22%,阿根廷7%)。由于Ni和Co矿物分布地区比较落后,市场需求量大,开采过程产生的碳排放量大。当前,中国主导锂离子电池制造,超过75%的锂离子电池由中国生产。文件提出碳足迹声明应特定于生产地点和生产电池的型号,不允许对生产相同电池的不同厂家进行数据收集。所以,在进行数据收集时需明确每种材料在整个供应链中的开采和加工地点,以获取准确的碳足迹信息。此外,金属的获取过程产生的碳排放量也存在差异。例如,锂的提取主要来源于矿石和卤水,矿山提取锂产生的碳足迹高于卤水,因为矿石开采、破碎、磨碎和浸出等过程中产生更大的能源消耗。石墨主要来源于天然石墨和人造石墨,ENGELS等[14]研究发现,人造石墨的碳足迹为9.62 kg/kWh(kg以CO2当量计,CO2 eq,全文同),高于天然石墨,这是因为人造石墨在生产过程中需石墨化从而增加更多的电能消耗和碳排放。电力组合也是影响碳排放数据的因素,由于刚果经济发展落后和社会局势动荡,开采和提纯钴金属普遍依赖于燃煤、柴油以及其他传统生产方式,导致了2019年的温室气体排放强度持续在11.2亿吨二氧化碳[15]

    原材料获取与预加工研究数据不全,因过程复杂、地区贫富差异大。为降低碳排放,应选低碳材料,更新运输碳排放数据,鼓励清洁能源发电。

    动力电池通常由多个单体电芯通过串并联形成电池模组,电池模组再以特定的结构和电气/电子系统、外壳组装成电池组。根据法规补充文件定义的系统边界如图 2所示,包括:1)阳极和阴极活性物质的生产;2)阳极和阴极的生产;3)电解液的生产;4)电池生产;5)模组的组装;6)电池组装;7)最终产品和中间产品到使用地点的所有运输操作。

    图  2  生产制造阶段的系统边界
    Figure  2.  System boundaries of the manufacturing phase

    目前主流的正极材料为镍钴锰NCM(LiNixCoyMn1-x-yO2)和磷酸铁锂LFP(LiFePO4)。在电池制造过程中,确定电池各组分的质量不仅是生产制造的关键,也是获得碳足迹的重要步骤。如图 3所示,以NCM电池为例分析各部分的质量占比,正极材料质量约占锂离子电池总质量的34.43%,石墨约占22.13%,隔膜约占2.87%,电解液中六氟磷酸锂(LiPF6)约占3.28%,添加剂碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸乙烯酯(EC)约占15.34%,铝箔约占3.33%,铜箔约占7.41%,电池外壳约占7.3%,其他约占3.9%。

    图  3  电池关键材料的质量占比
    Figure  3.  Mass ratio of key materials in batteries

    为了解电池在制造过程中的碳排放情况,先对不同体系的NCM电池进行调研和分析[8, 16-25],如图 4所示。NCM(文献未给出金属Ni、Co和Mn的具体含量)、NCM 111、NCM 622及NCM 811电池在制造过程中正极材料产生的碳足迹最大,占电池制造过程产生碳足迹40%以上(多数研究结果)。最新研究[8]表明,正极材料的碳足迹约为50 kg/kWh。正极材料在制备过程产生大量的温室气体,这可能与匀浆过程造成的有机物挥发及烘干过程的电力消耗有很大关系。电池组装过程是该阶段的第二大碳足迹来源。如DAI等[25]研究表明: 电池组装产生的碳排放量仅次于正极材料。

    图  4  不同体系的NCM电池的碳足迹
    Figure  4.  Carbon footprint of NCM batteries in different systems

    Ni是影响NCM电池环境的首要因素,而Li是影响LFP电池的首要因素。LFP电池也是目前主流的动力电池,LFP电池在原材料获取阶段产生的碳排放量低于NCM电池,富Ni区开采工艺较为落后,燃煤/油发电产生很大的环境污染,但在生产制造阶段,碳排放量理论上差距不大。如图 5所示,LFP正极材料是电池制造过程中产生碳排放量的主要来源,但也有不同的观点。LAI等[23]认为电池组装是LFP电池生产制造的碳排放主要来源。关于电池管理系统(BMS)模块的研究,WU等[26]研究表明,使用集成电路的BMS对环境造成较大负担,但若采用绿色材料,可有效促进电池组在生产阶段的可持续性。研究人员对电池生产制造阶段建立的系统边界定义不一,再加上各地区环境影响因子不同,导致数据差距大,很难借鉴。在碳足迹体系建设工作中,需重视系统边界的规范化,以确保评估的准确性和公正性。

    图  5  LFP电池的生产制造阶段的碳足迹
    Figure  5.  Carbon footprint of LFP batteries at the manufacturing stage

    除了正极材料和电池组装外,用作正极电极和电池外壳的铝材也贡献了较大的碳排放量。正极材料的煅烧属于电力密集型过程,应更深考虑不同地区电网的碳排放因子产生的差额影响,如美国电网的碳排放因子为0.45 kg/kWh,而中国为0.67 kg/kWh[27]。电力消耗同样是影响电池生产制造阶段碳排放总量的关键因素,电力脱碳决策也成为减少整个生命周期排放的重要杠杆。ELLINGSEN等[28]通过对比电池制造过程中使用不同能源发现,利用燃煤发电来生产电池会导致碳足迹增加40%以上,若电力基于天然气,其碳排放强度与目前的电力结构相似,碳足迹变化不显著,但使用水力发电会使电池碳足迹降低60%以上。特别地,电池规格和技术、地理位置、能源供给差异化和生命周期库存数据等许多因素的差异,电池制造过程中产生的碳足迹差别也较大。

    生产制造阶段对电池全生命周期阶段碳排放影响最大,不仅要考虑该阶段由生产制造引起的碳排放,而且也应综合考虑电力消耗造成的环境影响。

    根据法规补充文件定义,电池分销阶段考虑的是电池从生产现场到电池最终组装到车辆的运输过程,不包括存储过程。该阶段的碳足迹主要与物流运输和电力分配有关。运输阶段碳排放取决于运输距离、运输方式(如航空、海运、公路或铁路运输)以及使用的能源供给类型。相较于铁路运输和海运,电池通过空运分销的碳足迹显著增加。如果运输依赖于化石燃料为主的电力能源,则碳排放量会增大。我国仍处于高速发展的阶段,运输距离可按照《中国统计年鉴2022》公路运输方式的2021年运输距离(177 km)进行估算。电池分销阶段产生的碳足迹也与物流效率有关,包括货物装载效率及运输路线的优化。电力分配在电池分销阶段也扮演重要角色,在电池运输过程中,可能需要通过电力进行仓储、装卸等操作。这些操作所消耗的电力也会产生相应的碳排放。

    为了减少分销过程中的碳足迹,可以采取优化物流路线、使用更加环保的运输方式以及提高载货效率等措施。

    根据法规补充文件的定义,废弃物处理与回收阶段开始于产品(或包含电池的电动汽车)被用户处理或丢弃时,结束于产品作为废物返回自然或进入另外一个产品的生命周期。该阶段包括:1)电池废物收集;2)电池拆解;3)热或机械处理;4)分离和转化成回收材料;5)能量回收和处理。在分离和转化成回收材料阶段,主要的回收工艺有湿法冶金和火法冶金。

    电池废物收集、电池拆解及处理过程会引起碳排放量增加,这一阶段主要的减碳原因是回收产品的再制造,通过回收技术将废弃电池的正极材料转化成活性物质的前驱体,一方面缓解了矿产资源短缺的问题,另一方面减少了制造过程消耗的电能。为了解回收再制造产品的碳足迹研究,对国内外文献进行统计(表 1)。由表 1可知,目前研究最多的是采用湿法冶金回收NCM电池,碳减排量约占34%。NCM电池中主要的元素为Ni、Co、Mn、Li,通过提高Ni含量来增大NCM容量,也可以减少初级镍矿的开采,因此该途径具有很大的经济价值和环境友好性。LFP电池采用直接补锂的方式对LFP晶格进行修复,产生了低的碳足迹,但Li的回收价值低,制备过程价格昂贵,所以相关研究仍处于实验室阶段[29]。采用火法冶金回收LFP电池消耗太多电能,我国主要以煤电组合进行发电,这种回收方式会产生大量碳足迹。若采用湿法冶金回收LFP电池,Li和Fe在较低的酸性条件下比较容易溶出,但P很难从低的酸性条件溶出,因为P—O四面体晶格结构很稳定,不仅工艺复杂,而且消耗大量有机物[29]

    表  1  回收再制造电池的碳足迹研究
    Table  1.  Research on the carbon footprint of recycled and remanufactured batteries
    材料体系 回收方式 功能单位 计算方法 碳足迹/kg(CO2 eq) 碳减排量 文献
    NCM 湿法冶金 1 kg IPCC 2 760.9 g [33]
    NCM811 湿法冶金 1 kg IPCC 20.7 [34]
    NCM811 湿法冶金 1 t IPCC 18.4×103 36.3% [35]
    NCM811 湿法冶金 1 kWh ReCiPe 48.6 34.1% [20]
    NCM811 湿法冶金 1 kWh 60.77 33.47% [21]
    火法冶金 86.86 4.8%
    直接回收 43.92 51%
    NCM811 湿法回收 1 kWh EDIP 2003 13.3 kg [36]
    火法回收 0.57 kg
    NCM811 湿法回收 1 kWh 60.77 33.47% [21]
    火法回收 86.86 4.8%
    LFP 直接回收 1 kg Ever Batt 2020 1.83 [37]
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    LFP电池无论采用物理回收还是化学回收,回收效益和经济性都比较差。由此可见,NCM电池在原材料获取与加工阶段产生的碳排放量比LFP电池高,但在废弃物处理和回收阶段可以选择湿法冶金进行活性材料前驱体的生产,进而减少全生命周期的碳足迹。中国大部分企业主要采用湿法冶金对废弃电池进行回收,湿法冶金的回收率高于火法冶金[30]

    针对废电池拆解方面,采用简单拆解机制的标准化电池设计,有利于应对自动化和机器人拆解方面的挑战,提高回收效率。在政策方面,ZHU等[31]研究表明,提高税率和保护环境政策相结合可有效提高回收率。谢颖等[32]建议加强标准-技术-合作相结合,加快电池回收产业碳足迹管理。

    法规规定到2025年底,锂电池的回收率应达到平均质量的65%,到2027年后对金属锂的回收率达到50%,2031年底达到80%,而对钴、铜、铅、镍的回收率应达到95%以上,因此,我国企业应加快电池碳足迹回收工作。废弃物处理与回收阶段中产品回收与再制造是减少电池全生命周期碳足迹的关键环节,在废弃物回收时应进行必要分类,采用低碳回收方式,才能有效应对未来日益增多的退役电池,满足法规对回收元素的限值要求。

    不同类型电池产生的碳足迹差异较大,开发绿色低碳的电池路线是促进未来新能源产业可持续发展的关键。为了对比不同类型电池对环境产生的影响,调研多篇文献如图 6所示[8, 13, 23, 26, 28, 38-39, 41-42, 44]。ZAHOOR等[41]认为LFP电池碳足迹最低,其次是SSB电池(固态电池)。LIU等[8]对LFP电池、NCM电池及SSB电池进行对比,发现SSB电池产生的碳足迹低于LFP电池而高于NCM电池,前提是量产的固态电池具有高的能量密度。WANG等[43]认为锂空气电池(Li-O)相对于SIB电池(钠离子电池)和SSB电池更加环保,碳足迹仅为10.15 kg/kWh。而MELODIE等[39]计算Li-O电池碳足迹为40 kg/kWh。GUO等[42]认为虽然目前LFP的碳足迹比SIB电池低,但是基于长远发展来看,SIB电池更有前景。由于生命周期数据清单来源不同或未及时更新,可能导致研究结果存在差异,因此对目前市场占有率最大的LFP电池和NCM电池的碳足迹进行区间统计[22-23, 25-26, 44],结果显示LFP电池碳足迹区间在44~150 kg/kWh,NCM电池碳足迹区间在72~160 kg/kWh,这表明LFP电池具有更好的碳减排效果,这可能归功于LFP电池的原材料位于较发达的地区,可通过先进的技术和清洁能源进行开采。固态电池虽然具有高安全、高能量密度及高耐压性等优势,但制造时对环境负面影响大于液态电池,原因是电解质合成过程耗能多,且相同容量下固态电解质的质量更大,导致产生碳足迹更高。

    图  6  各类型电池的碳足迹
    Figure  6.  Carbon footprint of various battery types studied in different literature

    不同类型电池的碳足迹差异显著,选择绿色低碳的电池路线、清洁电力组合、长续航和高安全性的电池对新能源产业可持续发展至关重要。

    法规最新补充文件中,电力建模方法为直连电力和全球平均电力消费组合,中国电力平均电力消耗的碳足迹比日本、韩国等国家高20%以上,比欧盟高出更多,原因是我国主要以火力发电为主,导致发电环节碳排放量增大。仅靠电池废弃物处理与回收阶段的碳减排处置远远不够,应同步关注电力结构升级转型。为预测电力结构对电池碳排放的影响,根据2021年中国电力行业年度发展报告假设4种不同的电力结构情景如表 2所示。结合2.2节和2.4节的研究数据,研究不同情景下的电池生产制造阶段和废弃物处理与回收阶段的碳减排潜力,结果如图 7所示。在情景4下(2050年),火力发电占15%,水力发电占9%,风力发电占38.5%,光伏发电占21.5%和其他发电占16%时,电池的生产制造阶段产生的碳足迹约22.09 kg/kWh,废弃物处理与回收阶段的碳足迹约14.11 kg/kWh,若想在2060年实现净零碳排放,建议加大清洁能源发电和降碳技术的应用。目前对电池的降碳技术主要为:1)碳捕捉与封存(CCS);2)碳捕捉与利用(CCU);3)生物能源碳捕获与存储(BECCS);4)直接空气碳捕获和储存(DACCS)。

    表  2  4种不同的电力情景
    Table  2.  Four different power scenarios %
    项目 情景1(2020) 情景2(2030) 情景3(2040) 情景4(2050)
    火力发电占比 67.9 50.0 32.0 15.0
    水力发电占比 17.0 15.0 12.0 9.0
    风力发电占比 6.0 17.0 28.0 38.5
    光伏发电占比 3.5 9.5 15.5 21.5
    其他 5.6 5.6 12.5 16.0
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    图  7  不同预测情景下电池的碳足迹
    Figure  7.  Carbon footprint of batteries under different forecast scenarios

    面对全球碳中和趋势,本文从管理升级、技术创新和国际合作等多维度提出减碳策略。

    建议相关主管部门联合各个头部企业、行业协会、科研院所以《法规(EU)2023/1542》和制造厂实践数据为依据,研究所有分配因素、计算方法和基础数据源,加快自上而下构建碳足迹标准体系步伐,输出符合我国国情的动力电池全生命周期的研制标准,利用评优评先机制,激励上下游制造厂主动更新碳足迹数据库,不断完善标准和评价体系建设。

    鼓励产学研合作,跟踪国内外前瞻性及量产型技术,通过资源共享、优势互补来推进电池低碳回收技术,构建以研发为驱动、技术为核心、专利为支撑、标准为导向的高质量发展闭环,实现动力电池材料的可持续发展。

    为确保动力电池的国际竞争力,需协同国内外标准与认证业务互认,降低贸易壁垒。企业应在产品研发初期以国际碳足迹评价为基准,设定降碳目标。同时,建议国家层面积极参与国际法规修订,获取最新信息,提出利于我国国情的技术要求,争取国际话语权,保障我国动力电池产品顺利出口。

    本文围绕《欧盟新电池法规(EU)2023/1542》的中动力电池碳足迹计算规则,详细分析了各阶段影响碳足迹的关键因素,对不同类型电池碳足迹进行了对比,结合情景预测开展研究,并提出相应的减碳策略,主要结论如下:

    1) 原材料获取与预加工阶段的碳排放受到地理位置和采矿方式相关。生产制造阶段是电池整个生命周期碳排放量最大的阶段,正极材料的制备过程碳排放量至少占生产制造阶段碳排放总量的40%以上。碳减排主要发生在废弃物回收和处理阶段的废弃物再制造过程,在该阶段,采用湿法冶金技术回收电池的方式最环保。

    2) LFP电池碳足迹区间在44~150 kg/kWh,NCM电池碳足迹区间在72~160 kg/kWh,这表明LFP电池具有更好的碳减排效果。

    3) 当2050年火力发电份额占15%时,电池的生产制造阶段产生的碳足迹约22.09 kg/kWh,废弃物处理与回收阶段的碳足迹约14.11 kg/kWh。预测在2060年后,可通过优化电力结构和降碳技术来实现零碳排放。

  • 图  1   动力电池系统边界

    Figure  1.   Boundary of the power battery system

    图  2   生产制造阶段的系统边界

    Figure  2.   System boundaries of the manufacturing phase

    图  3   电池关键材料的质量占比

    Figure  3.   Mass ratio of key materials in batteries

    图  4   不同体系的NCM电池的碳足迹

    Figure  4.   Carbon footprint of NCM batteries in different systems

    图  5   LFP电池的生产制造阶段的碳足迹

    Figure  5.   Carbon footprint of LFP batteries at the manufacturing stage

    图  6   各类型电池的碳足迹

    Figure  6.   Carbon footprint of various battery types studied in different literature

    图  7   不同预测情景下电池的碳足迹

    Figure  7.   Carbon footprint of batteries under different forecast scenarios

    表  1   回收再制造电池的碳足迹研究

    Table  1   Research on the carbon footprint of recycled and remanufactured batteries

    材料体系 回收方式 功能单位 计算方法 碳足迹/kg(CO2 eq) 碳减排量 文献
    NCM 湿法冶金 1 kg IPCC 2 760.9 g [33]
    NCM811 湿法冶金 1 kg IPCC 20.7 [34]
    NCM811 湿法冶金 1 t IPCC 18.4×103 36.3% [35]
    NCM811 湿法冶金 1 kWh ReCiPe 48.6 34.1% [20]
    NCM811 湿法冶金 1 kWh 60.77 33.47% [21]
    火法冶金 86.86 4.8%
    直接回收 43.92 51%
    NCM811 湿法回收 1 kWh EDIP 2003 13.3 kg [36]
    火法回收 0.57 kg
    NCM811 湿法回收 1 kWh 60.77 33.47% [21]
    火法回收 86.86 4.8%
    LFP 直接回收 1 kg Ever Batt 2020 1.83 [37]
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    表  2   4种不同的电力情景

    Table  2   Four different power scenarios %

    项目 情景1(2020) 情景2(2030) 情景3(2040) 情景4(2050)
    火力发电占比 67.9 50.0 32.0 15.0
    水力发电占比 17.0 15.0 12.0 9.0
    风力发电占比 6.0 17.0 28.0 38.5
    光伏发电占比 3.5 9.5 15.5 21.5
    其他 5.6 5.6 12.5 16.0
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图(7)  /  表(2)
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  • 收稿日期:  2024-05-08
  • 刊出日期:  2024-08-24

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