车用锂离子电池的碳足迹计算和减碳潜力分析从“摇篮到摇篮”的评估方法锂离子电池是电动汽车的核心部件之一，其生态指标对电动汽车的可持“”续发展意义重大。在这项研究中，使用从摇篮到摇篮的生命周期评估方法调查了中国生产的锂离子电池的碳足迹。结果总结如下：(1)电池生产的碳排放为91.21kgCO2-eq/kWh，其中正极生产和电池组装过程是碳排放的主要来源；(2)2020年以火电为主的中国电力结构下，电池使用阶段的碳排放量为154.1kgCO2-eq/kWh；(3)湿法冶金是碳排放量较小的电池回收方法，直接物理回收方法具有诱人的减碳潜力；（4）回收材料再制造电池的碳排放量比原材料生产电池低51.8%。在未来电力结构下，2050年和2060年电池生产的碳排放量将比2020年分别减少75%和84.9%。短期有效的减碳措施是电池回收，长期的减碳措施是电力的绿色化。1.研究背景锂离子电池产量与应用的急速增长，不仅带来资源短缺的问题，同时电池生产、使用和回收过程还消耗了大量能源，直接和间接排放的大量温室气体导致环境问题。由于我国是全球最大的锂电池生产与使用国，能源结构与发达国家相比需要低碳化转型。因此，准确地计算我们生产的锂离子电池全寿命周期的碳排放，充分挖掘各个阶段的碳减排潜力对锂离子电池的可持续性发展至关重要，也是有益于我们的碳中和目标。生命周期评价（LifeCycleAssessment,LCA）是评估产品、过程或活动生命周期环境负担的方法，目前已有大量的研究使用该方法评估各种动力电池技术相关的环境污染和温室气体排放情况，主要集中在以下几个方面：（1）锂离子电池与其他电池的碳排放和环境指标的对比；（2）不同锂离子电池材料体系的碳排放与环境指标对比；（3）锂离子电池不同阶段的碳排放与环境影响。一般来说，电池LCA的研究范围是从摇篮到坟墓，然而许多研究侧重于从摇篮到大门的评估，其中不包括使用和回收阶段。近年来，随着锂离子电池退役数量的持续增加，电池回收阶段的环境影响研究也随之增多，如针对电池不同的回收方法进行研究，分析回收过程中的碳排放、人体毒性等环境影响。从文献上看目前“大多数研究均侧重于锂电池生产或回收中的单一或两个阶段，即从摇”“”篮到大门的评估或从大门到坟墓的开环评估，很少有研究实际集中“”在电池全生命周期（从摇篮到摇篮的闭环过程）碳排放及潜力分析和预测。本研究研究了一种从摇篮到摇篮的LCA方法来调查现实和未来情景下我国生产的锂离子电池的碳足迹，并给出了一些有价值的碳减排措施。研究对象是广泛应用于电动汽车的NCM811电池。本研究的潜在贡献总结如下：(1)“”构建从摇篮到摇篮的LCA方法来评估我国生产和使用的NCM811电池的碳排放;(2)计算锂离子电池整个生命周期中的碳足迹，包括考虑原材料的电池生产、使用、回收和再制造阶段，并建议一些有价值的碳减排措施;(3)计算并比较了三种典型电池回收方式的碳排放，然后比较了基于回收材料的电池再制造和基于原材料的电池生产的碳排放量。结果可以定量描述各种电池材料回收方法的碳排放效益;(4)计算了未来电力结构下电池生产的碳排放，并对电池生产过程中的碳中和目标进行了展望。2.基本方法根据ISO14044标准的定义，LCA的基本结构主要包括四个部分，即目标和范围定义、清单分析、影响评估、解释。它是一种用于评估产品在整个生命周期内对环境的影响的技术和方法。该研究旨在量化锂离子电池全生命周期的碳足迹，评估不同阶段的碳减排潜力，并研究不同电力结构下电池生产和使用阶段的碳排放量。研究结果为整个锂离子电池产业链实现2030年碳排放达峰和2060年实现碳中和提供了有价值的参考。本研究基于Gabi构建了NCM811电池从摇篮到摇篮的碳足迹模型。功能单位定义为1kWhNCM811电池。研究的系统边界如图1所示，是一种“从摇篮到摇篮”的碳足迹完整闭环方法。整个系统主要包括原材料的提取和加工、电池的部件制造、电池的生产、电池的使用阶段以及电池的回收和处置。电池运输和存储的碳足迹评估不在本研究的范围。电池全生命周期的各个阶段清单分析及原始数据见论文原文。图1研究边界3.结果与讨论3.1.电池生产过程中的碳排放和减碳潜力计算电池生产阶段的碳排放量，结果如图2所示。可以观察到，电池生产阶段的总碳排放量为91.21kgCO2-eq/kWh，正极材料生产的碳排放量为47.15kgCO2-eq/kWh）在电池生产过程中占比最大（51.69%）。正极材料碳排放的主要贡献来自与镍、钴、锂提取和选矿相关的上游工艺。图2.电池生产阶段的碳排放电池组装的碳排放（28.11kgCO2-eq/kWh）是电池生产的第二大贡献者，主要间接来源于电力和天然气，其中电力碳排放量为22.16kgCO2-eq/kWh。上述结果是在我国2020年的电力结构下得出的。其他部位的碳排放量为15.95kgCO2-eq/kWh，主要包括阳极、隔膜、电解液、铜箔、铝箔的碳排放量、外壳和辅助材料。在这项研究中，外壳在其他部分中占比最高，主要是因为电池使用的外壳是铝制的。铝生产的上游原材料和能源（电力与天然气等）消耗将产生间接碳排放，而工艺和化学反应所消耗的能源将产生直接碳排放。电池生产的碳排放受到生产链各个环节众多变量的影响，包括上游材料的替代、工艺提升、提高能源效率、提高生产率和调整能源结构等。本研究调查了能源结构及生产效率对碳排放的影响，结果如图3所示。可以看出在不同年份的电力结构下，2030年电池生产碳排放量为80.45kgCO2-eq/kWh，比2020年减少11.8%。2040年和2050年电池生产碳排放量为57.92kgCO2-eq/kWh和22.98kgCO2-eq/kWh，分别比2020年减少36.5%和74.8%。此外还研究了电池组件生产效率与碳排放之间的关系。考虑到设备和成本的限制，假设电池生产效率每年提高5ppm，最高生产效率为50ppm。如图3（b）所示，当电池生产效率为30ppm，电池组装阶段的碳排放量为28.11kgCO2-eq/kWh，。当生产效率提高到40ppm时，碳排放量为21.08kgCO2-eq/kWh，比30ppm时降低25%。当生产效率为50ppm时，电池组装阶段的碳排放量为16.87kgCO2-eq/kWh，比30ppm时低40.0%。图3.不同电力结构及生产效率下的碳排放3.2电池使用阶段的碳排放和碳减排潜力在本节中，研究了不同电力组合下电池在使用阶段的碳排放和碳减排潜力。电力是电动汽车使用阶段唯一使用的能源，这意味着电池使用阶段的碳排放主要与我国电力的碳强度有关。计算了我国不同电力结构下电池使用阶段的碳排放量，结果如图4（a）所示。图4.电池使用阶段不同情景下的碳排放。(a)未来的电力组合；(b)中国不同地区。可以观察到，2020年电池使用过程中的碳排放量为154.1kgCO2-eq/kWh，2030年电池使用阶段的碳排放量将减少到114.9kgCO2-eq/kWh，降低了25.4%。此外，2040年和2050年电池使用阶段的碳排放量分别为75.5kgCO2-eq/kWh和38.3kgCO2-eq/kWh，2050年电池使用阶段的碳排放量将比2020年降低75.1%。此外，计算了不同地区电池使用过程中的碳排放量，结果如图4（b）所示。2020年华东地区电池在使用过程中的碳排放量为207.7kgCO2-eq/kWh，是全国平均水平的1.35倍。造成这种现象的原因是华东地区仍以火力发电为主，如山东省，2020年火力发电量占总发电量的91.9%。西南地区水电资源丰富，水力发电占比高。2020年西南地区电池使用过程中的碳排放量为28.7kgCO2-eq/kWh，比全国平均水平低81.4%。西北地区电池使用阶段碳排放量为28.5kgCO2-eq/kWh，比我国平均水平低81.5%。3.3电池回收过程中的碳排放和减碳潜力本研究调研了电池材料回收再制造的碳排放。具体计算与评估了火法冶金、湿法冶金和直接物理回收方法的碳排放量，结果如图5所示。可见火法回收过程的碳排放量为5.11kgCO2-eq/kWh，是三种回收方式中碳排放量最高的。在火法冶金过程中，通常使用温度在1000℃以上的高温熔炼电池。碳排放来源于冶金过程中消耗的化石能源，可以产生许多直接和间接的碳排放。此外，阳极中的石墨不能通过火法冶金回收，石墨在高温环境下热解会产生碳排放。火法冶金虽然可以带来经济价值，但其生态价值并不理想。湿法冶金的碳排放量为2.68kgCO2-eq/kWh，比火法冶金低47.6%。与火法冶金相比，湿法冶金在低温条件下进行多步化学处理，没有高温处理等高能耗、高碳排放的过程，而且阳极中的石墨不会转化为二氧化碳增加碳排放。湿法冶金虽然可以实现闭环回收，但通常包括10多个主要步骤，会产生相当多的有毒气体和废液。直接物理回收法的碳排放量为3.65kgCO2-eq/kWh，比火法回收法降低28.6%，比湿法回收法提高26.6%。由于直接物理回收的产品是可以直接用于电池生产的材料，减少了复杂的材料再生步骤和二次污染。图5.电池回收和再制造的碳排放由图5可知，火法回收材料再制造电池的总碳排放量为86.86kgCO2-eq/kWh，比用原材料生产的电池低4.8%。可见火法冶金对电池再制造的减碳潜力相对有限。湿法冶金再生料再制造电池的碳排放量为60.77kgCO2-eq/kWh，比使用原材料生产的电池低33.47%。这是因为湿法冶金的碳排放量远低于火法冶金。此外，湿法冶金的回收率高于火法冶金。使用直接物理回收的再制造电池的碳排放量为43.92kgCO2-eq/kWh，比火法冶金低49.4%，比湿法冶金低27.7%。它显示了三种回收方法中最高的碳减排潜力。更重要的是，使用直接物理回收的再生材料生产电池的碳排放量比使用原材料低51.8%。但物理回收法在技术上还不成熟，还处于小规模实验阶段。为大规模应用开发有效且成熟的物理回收方法对于减少碳排放至关重要。3.4电池生产的碳中和预测综合以上讨论可以看出，仅依靠电池材料的回收利用并不能实现我国电池生产的净零碳排放，电力结构的升级是关键因素。针对我国的碳中和战略，本节考察了不同电力组合下电池生产阶段的碳排放，结果如图6所示。可以观察到，2030年电力混合结构下再生材料电池再制造的碳排放量为53.6kgCO2-eq/kWh，比2020年下降11.8%。小幅下降的原因是2030年火力发电仍占中国电力结构的50%。2040年，电池再制造的碳排放量为38.5kgCO2-eq/kWh，比2020年降低36.7%。2050年电池再制造碳排放9.2kgCO2-eq/kWh，比2020年下降84.9%。结合电池回收、CCUS、DAC等负碳技术，预计2060年前可实现电池行业碳中和目标。短期来看，电池生产的碳排放可以通过使用回收材料再制造电池来减少。从长远来看，电池行业的碳中和可以通过绿色电力组合和负碳技术来实现。图6.电池生产的碳排放预测4.结论本研究开展了中国电动汽车锂离子电池从摇篮到摇篮的LCA，并给出了一些有价值的减碳措施。此外，未来30年中国碳中和战略研究了不同电力组合下锂离子电池生产的碳排放。本研究的主要结论可归纳如下：(1)在我国目前以火电为主的电力结构下，NCM811电池在生产阶段的碳排放量为91.21kgCO2-eq/kWh，其中正极生产贡献最大，其次是电池组装。电池使用过程中的碳排放量为154.1kgCO2-eq/kWh，主要来自电池消耗电能产生的间接碳排放。湿法冶金回收电池的碳排放量为2.68kgCO2-eq/kWh，是目前碳排放较为理想的回收方式。(2)增加电力结构中的绿色比例和提高生产效率可以减少碳排放。在2050年中国电力结构下，电池生产和使用阶段的碳排放量将分别减少74.8%和75.1%。当电池生产效率从30ppm提高到50ppm时，电池生产的碳排放量可减少40%左右。使用回收材料的再制造电池可以减少51.8%的碳。总之，绿色电力、提高生产效率、加强电池回收是必要的减碳措施。(3)到2050年，电池生产碳排放将比2020年降低84.9%。预计2060年之前，锂离子电池生产碳中和可通过优化电力结构、发展CCU、DAC、V2G等技术来实现。在未来的工作中，将结合电池生态指标和电池技术因素来研究电池的可持续性。例如，在计算电池使用过程中的碳排放时，会考虑电池的非线性老化等技术性因素。更多详细内容请参阅原文：Chen,Q.,Lai,X.,Gu,H.,Tang,X.,Gao,F.,Han,X.,&Zheng,Y.(2022).Investigatingcarbonfootprintandcarbonreductionpotentialusingacradle-to-cradleLCAapproachonlithium-ionbatteriesforelectricvehiclesinChina.JournalofCleanerProduction,133342.