伴隨電動汽車的發(fā)展，車用動力電池的需求量和報廢量將與日俱增,預計到2020年，年報廢量將會超過12萬t。動力電池回收階段產(chǎn)生的環(huán)境性影響是復雜多樣的,也是現(xiàn)今和未來電動汽車領(lǐng)域面臨的嚴峻問題。生命周期評價（Life cycle assessment）是對產(chǎn)品的整個生命周期進行影響分析,通過編制某一系統(tǒng)的相關(guān)投入與產(chǎn)出的清單記錄，來評價與這些投入和產(chǎn)出有關(guān)的潛在的環(huán)境影響,并根據(jù)生命周期評價的目的解釋清單記錄和環(huán)境影響的分析結(jié)果。IS0 140140將LCA劃分為四個步驟：目標與范圍的確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋。動力電池是早期國外LCA研究的焦點。Matheys等釆用產(chǎn)品生命周期分析方法分別對應用于傳統(tǒng)燃油汽車、純電動汽車和混合動力汽車的五種動力電池（鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鈉鎳氯化物電池）進行研究,結(jié)果表明鋰電池和鈉鎳氯化物電池對環(huán)境的影響最小。Cohn以美國為背景運用生命周期框架建立了電動汽車從原材料開釆、車輛制造、裝配到壽命末端車輛報廢處理的整個車輛周期和車輛行駛階段的成本、排放和能源消耗模型。研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)汽油汽車和超低排放汽車相比，電動汽車產(chǎn)生的CO、HC（碳氫化合物）、N0X和CO2排放量最低，但其成本、能耗以及產(chǎn)生的PM（微粒物）和硫排放最高。國內(nèi)動力電池生命周期評價研究較少，陳妍等和郁亞娟等采用Eco-indicator99體系對比了鉛酸、鎳鎘以及鋰電池的生命周期環(huán)境影響，在產(chǎn)生同樣電能的情況下，環(huán)境影響指數(shù)大小依次為:鋰離子電池<鉛酸<鎳鎘。此外，由于動力電池在汽車上的良好應用，一些LCA研究多集中在整車上。
本工作選擇車用鎳氫電池與鋰離子電池為研究對象，以動力電池全生命周期中的回收部分為評價階段,建立了LCA評價模型,利用建立的模型計算、匯總動力電池回收階段的能耗和排放清單，并對清單結(jié)果進行分析、評價和對比。
本工作研究使用的動力電池為某型國產(chǎn)鎳氫電池和磷酸鐵鋰電池。鎳氫電池以氫氧化鎳為正極活性物質(zhì)，以AB5型儲氫合金為負極活性物質(zhì)，以氫氧化鉀水溶液為電解液;鋰離子電池以磷酸鐵鋰為正極活性物質(zhì)，負極活性物質(zhì)為中間相炭微球石墨（MCMB）,電解液由六氟磷酸鋰、碳酸乙烯酯（EC）、二甲基碳酸酯（DMC）組成。假設(shè)兩種動力電池的隔膜均由PP（聚丙烯）和PE（聚乙烯）兩種物質(zhì)制成，且比例相同。兩種電池放電深度（DOD）都設(shè)置為80%,并假設(shè)充放電效率分別為90%和70%。并假設(shè)模塊和電池包殼體及其他附件占電池系統(tǒng)總質(zhì)量的20%,單體電池組的質(zhì)量占電池包總質(zhì)量的80%。對于磷酸鐵鋰電池,假設(shè)模塊和電池包殼體占18%,電池管理系統(tǒng)（BMS）占2%。假設(shè)動力電池回收利用階段主要回收的物質(zhì)為鋁、鎳、鋼、氫氧化鎳、碳酸鋰，回收再利用率如表1所示。
動力電池的功能單位確定為基于車輛的行駛距離，本工作假設(shè)車輛行駛距離為100000km。評價邊界包括生命周期評價階段、地理和時間邊界以及環(huán)境影響因素。其中動力電池的生命周期階段選取回收利用階段，本研究的地理邊界是中國大陸境內(nèi),環(huán)境影響評價因子定為總能量消耗和溫室氣體(Greenhouse Gas,GHGs)排放,其中所考慮的GHGs排放包括CO2,CH4和噸0,其他溫室氣體不在計算范圍之內(nèi)。除溫室氣體排放之外，還計算了動力電池回收階段的VOC、CO、NOX、SOX和顆粒物的排放，其中VOC和CO排放按其含碳比例換算為CO2計入GHGs排放中，換算公式如下：
式中:MCO2為總CO2排放;M*CO2、MVOC、MCO分別為直接CO2、VOC、CO排放;ROCVOC、ROCCO2、ROCCO分別為VOC、CO2，CO含碳率,其值分別為0.85、0.227、0.43。
式中：MCH4、MN2O分別為CH4和N2O排放量;GWPCO2、GWPCH4、GWPN2O、分別為CO2、CH4、N2O的二氧化碳當量溫室效應影響因子，其值分別為1、25、298?？偰芰肯陌ㄒ淮文茉茨芎暮投文茉瓷a(chǎn)鏈的能耗。環(huán)境排放包括動力電池生命周期所涉及的直接排放和間接排放的總和。
動力電池回收能源效益計算公式為：
式中:RE為單位質(zhì)量動力電池回收節(jié)約的能源量;EO為單位質(zhì)量動力電池使用原生材料生產(chǎn)所消耗的能量;ER為單位質(zhì)量動力電池使用再生材料生產(chǎn)所消耗的能量。
動力電池回收環(huán)境效益計算公式為：
式中: RM為單位質(zhì)量動力電池回收污染物減排量;MO為單位質(zhì)量動力電池使用原生材料生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物排放量；MR為單位質(zhì)量動力電池使用再生材料生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物排放量。
動力電池金屬及化合物回收的能耗和排放數(shù)據(jù)來自GREET數(shù)據(jù)庫和EPA的相關(guān)研究。根據(jù)兩種電池結(jié)構(gòu)組成不同，規(guī)定鎳氫電池回收部件為正極、負極和殼體，鋰離子電池回收部件為正極、殼體和BMS組件。利用相關(guān)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計、計算得到兩種動力電池使用原生材料和再生材料的能耗和污染物排放因子清單，將所有的能耗和排放清單均按功能單位換算，換算結(jié)果以MJ/km和kg/km表示，如表2-表5所示。表2、表3分別列出了鋰離子電池、鎳氫電池使用原生材料和再生材料的生產(chǎn)能耗。表4列出了鋰離子電池使用原生材料和再生材料的生產(chǎn)GHGs排放量。表5列出了兩種動力電池使用原生材料和再生材料生產(chǎn)所產(chǎn)生的主要污染物排放量。
根據(jù)清單分析的結(jié)果，對動力電池LCA環(huán)境影響進行分析和評價，并進行結(jié)果解釋，評價內(nèi)容包括能耗評價和排放評價。
通過對鋰離子電池和鎳氫電池能耗的清單分析,可以看出不同動力電池各部件生產(chǎn)能耗不同,相同類型的電池使用原生材料和再生材料生產(chǎn)耗能存在明顯差異。具體能耗對比如圖1和圖2所示。
由圖1可知,使用再生材料可以使鋰離子電池生產(chǎn)階段的能耗下降61%。從材料來看,回收鋰離子電池正極材料用于電池生產(chǎn)與使用原生正極材料相比,能耗下降不大，下降值為37%，這主要是由于正極中磷酸鐵鋰活性物質(zhì)在電池生產(chǎn)中能耗較小且工藝簡單，只是減少了原材料的部分加工過程;殼體的回收利用節(jié)能效果明顯,能耗下降達到63%,主要是因為殼體材料大部分采用金屬鋁，而鋁材料的回收節(jié)能效率最高，所以使用再生鋁可以起到較好的節(jié)能效果;使用再生BMS生產(chǎn)電池消耗能量很少,能耗下降高達94%,這是由于BMS回收后可以直接利用，省去了再加工耗能。由圖2可以看出，使用再生材料可以使鎳氫電池生產(chǎn)階段的能耗下降54%,使用再生正極材料、殼體及負極材料與使用對應原生材料相比，能耗下降值相差不大,分別為53.8%、53.6%和56.2%。
總體來看，兩種動力電池殼體生產(chǎn)能耗最大，這是因為殼體中金屬鋁的生產(chǎn)加工會消耗大量的能量,使用再生鋁可以使生產(chǎn)能耗大幅度降低。因此，應該改善生產(chǎn)工藝，提高金屬鋁的再利用率。
動力電池生產(chǎn)階段的排放物主要有GHGs以及N0X、PM10、PM2.5、SOX,使用再生材料可以不同程度地減少這些污染物的排放。圖3所示為鋰離子電池主要部件使用再生材料和原生材料生產(chǎn)所產(chǎn)生的GHGs排放對比。圖4為兩種動力電池使用再生材料和原生材料生產(chǎn)所產(chǎn)生的主要污染物排放對比。
由圖3可知,使用再生材料可以使鋰離子電池生產(chǎn)階段的GHGs排放總體下降56.9%。從各部件來看，殼體生產(chǎn)GHGs排放最高，大量使用鋁材料是殼體GHGs排放較大的主要原因,其次是正極,BMS組件生產(chǎn)GHGs排放最少。使用原生材料生產(chǎn)，三者的排放量分別為0.013 kg CO2-eq/km、0.0033 kg CO2-eq/km和0.0013 kg CO2-eq/km。使用再生材料后，生產(chǎn)BMS組件的GHGs排放很少，減排量高達94%；使用再生殼體可以使GHGs排放減少66.4%,減排效果顯著;正極材料的回收利用減排效果不明顯，減排量為5.4%。由圖4可以看出，鎳氫電池與鋰離子電池的NOX、PM10、PM2.5排放量接近,而鎳氫電池的SOX排放量遠高于鋰離子電池，其SOX排放量是鋰離子電池的2.5倍,這主要是因為我國生產(chǎn)金屬鎳的原材料為硫化銅鎳礦，硫化銅鎳礦在精煉過程中會產(chǎn)生大量的硫化物，另外泡沫鎳、氫氧化鎳的生產(chǎn)過程中也會產(chǎn)生大量的硫化物。使用再生材料可以降低鎳氫電池和鋰離子電池生產(chǎn)過程中NOX、PM10、PM2.5、SOX等污染物的排放，其中使用鋁、鋼、碳酸鋰等再生材料能使鋰離子電池的NOX、PM10、PM2.5、SOX等排放物的量分別下降62.5%、73%、61.8%和58.3%,使用鎳、鋁、鋼及氫氧化鎳等再生材料可以使鎳氫電池的上述排放物的量分別下降54.4%、65.3%、52.9%和59.4%。
通過對國內(nèi)外相關(guān)動力電池生命周期評價文獻的閱讀,發(fā)現(xiàn)我國在動力電池全生命周期內(nèi)的環(huán)境性影響方面的研究較少。本工作以國產(chǎn)鎳氫電池和磷酸鐵鋰電池為研究對象，嚴格按照IS0 140140規(guī)定的LCA評價步驟，首先確定研究目標與范圍及環(huán)境影響評價因子的計算方法，建立LCA評價模型，然后利用相關(guān)數(shù)據(jù)計算得到兩種電池使用原生材料和再生材料的能耗及排放清單,最后對排放清單進行解釋并作出環(huán)境影響評價。結(jié)果表明,使用再生材料可以顯著降低動力電池生產(chǎn)階段的能耗，可以使鋰離子電池和鎳氫電池生產(chǎn)階段的能耗分別下降61%和54%；使用再生材料可以不同程度地減少動力電池生產(chǎn)階段的污染物排放，可以使鋰離子電池生產(chǎn)階段的GHGs排放下降56.9%,使鋰離子電池的NOX、PM10、PM2.5、SOX等排放物的量分別下降62.5%、73%、61.8%和58.3%；使用鎳、鋁、鋼及氫氧化鎳等再生材料可以使鎳氫電池的上述排放物的量分別下降54.4%、65.3%、52.9%和59.4%。動力電池殼體大量使用原生鋁材料會明顯增加電池生產(chǎn)過程的能耗和排放，因此應加大鋁材料的回收比例和再生鋁的應用比例，且應在保證電池安全性的同時使用替代材料來降低鋁材料的應用比例;鎳氫電池的污染物排放量明顯高于鋰離子電池，其SO2的排放量很大,這主要是由我國金屬鎳的供應結(jié)構(gòu)造成的，因此應減少鎳氫電池在電動汽車上的應用，或盡快調(diào)整金屬鎳的供應結(jié)構(gòu),減少SOX的排放。
