第58卷第22期2022年11月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.58No.22Nov.2022DOI：10.3901/JME.2022.22.003面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展来鑫1陈权威1顾黄辉1韩雪冰2郑岳久1(1.上海理工大学机械工程学院上海200093；2.清华大学车辆与运载学院北京100084)摘要：在国家“双碳”重大战略驱动下，锂离子电池在迎来了重大发展机遇的同时，它的全生命周期碳足迹追踪与环境指标评价成为研究热点，在碳排放计算及减碳措施方面遇到严峻挑战。首先，对全生命周期评价的基本框架、基本方法、评价指标等基础共性问题进行简要概述。然后，从锂离子电池可持续发展出发，提出从“摇篮”到“摇篮”的全生命周期闭环评价路线，对电池全生命周期内(包括电池生产、电池使用、梯次利用、电池回收与再制造等环节)各阶段碳排放计算的研究现状与进展进行详细综述，总结各阶段潜在的研究热点与难点，提出一种“技术-生态-价值”综合评价框架。在此基础上，对锂离子电池生命周期价值评价存在的机遇与挑战进行讨论，对资源风险与供应链风险进行分析与梳理。最后，总结与展望了能源脱碳、体系创新、智能制造、优化管理、材料回收、碳捕集等六大潜在的锂离子电池全生命周期减碳措施。关键词：锂离子电池；碳排放；全生命周期评价；双碳战略；电动汽车中图分类：TM912LifeCycleAssessmentofLithium-ionBatteriesforCarbon-peakingandCarbon-neutrality:Framework,Methods,andProgressLAIXin1CHENQuanwei1GUHuanghui1HANXuebing2ZHENGYuejiu1(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093;2.SchoolofVehicleandTransportation,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:DrivenbytheCarbon-peakingandCarbon-neutralitystrategicgoals,lithium-ionbatteriesusherinsignificantdevelopmentopportunities.Meanwhile,ithasbecomearesearchhotspotfortrackingthelifecyclecarbonfootprintandenvironmentalindicatorsassessmentandfacedseverechallengesincarbonemissioncalculationandreductionmeasures.First,thebasicframework,methods,evaluationindicators,andothercommonproblemsofthelifecycleassessmentarebrieflysummarized.Then,awholelifecycleclosed-loopassessmentroutefrom"cradle"to"cradle"isproposedforthesustainabledevelopmentoflithium-ionbatteries.Theresearchprogressofcarbonemissioncalculationatallstagesofthebatterylifecycle(includingbatteryproduction,batteryuse,echelonutilization,batteryrecycling,andremanufacture)issummarizedindetail,thepotentialresearchhotspotsanddifficultiesaregeneralized,andacomprehensiveevaluationframeworkof"Technology-Ecology-Value"isproposed.Theopportunitiesandchallengesinlithium-ionbatteries'lifecyclevalueassessmentarediscussed,andtheresourceandsupplychainrisksareanalyzed.Finally,sixpotentialcarbonreductionmeasuresforthewholelifecycleoflithium-ionbatteriesaresummarizedandprospected,suchasenergydecarbonization,systeminnovation,intelligentmanufacturing,optimizationmanagement,materialrecovery,andcarboncapture.Keywords:lithium-ionbattery;carbonemission;lifecycleassessment;double-carbonstrategy;electricvehicle∗国家自然科学基金(51977131，52277223)和上海市自然科学基金(19ZR1435800)资助项目。20220622收到初稿，20221005收到修改稿机械工程学报第58卷第22期期40前言2020年9月，我国宣布2030年前实现“碳达峰”与2060年前实现“碳中和”(简称“双碳”战略目标)。实现碳中和是人类应对全球变暖、实现可持续发展的必要举措。研究表明全球20%以上的碳排放来源于交通领域，其中近50%来源于乘用车[1]，我国交通领域的碳排放占全社会碳排放的10%左右。在这种背景下，电动汽车被公认为主要的碳减排手段而迎来重大发展机遇并得到飞速增长。预计到2030年，全球电动汽车总数可能超过3亿辆[2]。锂离子电池由于具有高比能量、无记忆效应、循环寿命长等优点被广泛应用于电动汽车与储能行业[3]。2021年全球锂离电池的出货量为562.4GW·h，而这一数字在2025年将达到4TW·h[4]，其中电动汽车的锂离子电池装机量预测如图1所示。近年来，锂离子电池产业链向我国聚集，据中国工业和信息化部发布的数据，我国2021年锂离子电池产量324GW·h，已成为世界最大的锂离子生产国。尽管锂离子电池被看成清洁能源载体，但它全生命周期的各个环节(包括电池原材料提取、电池制造、运输、使用和回收等)都会产生一定数量的碳排放。以前的研究[5]表明电池原材料提取阶段的碳排放范围为48～216kgCO2-eq/(kW·h)，生产1kg石墨会产生大约5.3kgCO2-eq/(kW·h)[6]。由于能源结构等原因，我国锂离子电池生产阶段的碳排放比发达国家高出了40%[7]。综上所述，锂离子电池的高速增长与减碳目标之间存在矛盾，全生命周期碳排放需要进行重点核算，“零碳电池”及“零碳产业链”成为社会热点。图1全球电动汽车电池需求预测[8]全生命周期评价(Lifecycleassessment,LCA)是一种是针对产品或服务进行标准化、科学化环境影响评价的方法[9]。近年来，LCA被广泛的应用于量化锂离子电池的制造、使用、回收等环节的碳排放及各种环境负担[10-11]，目的是识别与厘清关键环节来指导流程与工艺改进、产品开发及宏观决策。然而，目前大多数研究关注是电池生产阶段的碳排放与环境指标评价，很少进行电池全生命周期的LCA，特别是废旧电池的材料回收及电池再制造对环境影响[12]。另外，目前电池的LCA研究主要侧重于环境指标与成本分析，对技术因素约束下的LCA研究较少。此外，面向锂离子电池的碳计算标准与方法论需要发展，基础数据库需要进一步完善，面向本土化的数据及未来能源结构下的锂离子电池全生命周期综合评价与预测需要重点发展。因此，有必要对上述关键与共性问题进行综述与总结。本文对LCA方法的基本框架与方法进行全面综述，对目前锂离子电池全生命周期各环节的LCA方法与碳排放计算的研究进展进行全面总结；面向电池可持续发展提出从“摇篮”到“摇篮”的全生命周期闭环评价路线及“技术-生态-价值”综合评价框架，给出锂离子电池全生命周期LCA中潜在的难点与热点问题；分析锂离子电池的资源与供应链风险，并给出了潜在的减碳措施。本文的研究结论为LCA方法在锂离子电池全生命周期中的应用提供方法参考，也为锂离子电池全产业链实现碳中和提供有价值的路径。1LCA的基本框架与方法1.1定义与标准LCA方法始于20世纪70年代。1990年，国际环境毒理学和化学学会(SocietyofEnvironmentalToxicologyandChemistry,SETAC)将LCA定义为一种通过材料使用、能源消耗和废物排放来评估产品、生产过程和活动对环境影响的方法[13]。1997年国际标准化组织(InternationalStandardOrganization,ISO)制定了ISO14000系列标准，并给出了LCA的标准化定义[14]：研究从原材料采购到生产、使用和处置的整个产品生命周期的环境因素和潜在影响，环境影响一般包括资源利用、人类健康和生态结果。ISO14040提供了标准的“原则和框架”，而ISO14044提供了“要求和指南”大纲。一般来说，ISO14040是为管理人员编写的，ISO14044是为从业人员编写的。LCA方法在我国得到了很好的发展与应用，对应ISO系列标准制定了GB/T24040系列标准。在“碳中和”战略目标驱动下，LCA方法与月2022年11月来鑫等：面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展5标准将会得到进一步完善与拓展。1.2基本框架根据ISO14040，LCA的基本框架如图2所示。它主要包括四个相互联系的阶段[14]：目标与范围界定、生命周期清单(Lifecycleinventory,LCI)分析、生命周期影响评估(Lifecycleimpactassessment，LCIA)，以及结果解释[12,15]。图2LCA的基本框架(1)目标与范围界定：描述生命周期评估的目标和范围，目标的定义包括研究意图、原因与目标，范围的定义包含功能单位(如1kg电池正极材料)与系统边界等。(2)LCI分析：在界定的系统范围内，盘查所有输入能源与物料数据、产出物(如产品与副产品、污染物、废弃物等数据)、以及间接影响数据(如生态及社会影响等)。该部分包括数据准备、数据收集、数据计算、数据分配等步骤。(3)LCIA评估：将LCI结果转化为资源消耗、人类健康影响和生态影响等方面的潜在环境影响，包含分类、特征化与量化三个步骤。通过适合的评估模型及方法，将环境影响进行分类、量化与分析，规范化评价指标，例如全球变暖或人类健康。(4)结果解释：依据目标与范围的界定，归纳并讨论出结论及建议事项。例如：造成环境影响的主要因素、原因及可能的应对策略。对于锂离子电池的LCA，研究对象可以是整个电池或某个部件，研究目标可以是碳足迹[16,17]、水足迹[18]与生态足迹[19]等，系统边界目前主要集中在电池生产[20]、电池使用[21]、电池回收[22]等。如图2所示，整个过程按照系统边界可以分为“从摇篮到大门”(即从资源开采到电池生产)、“从大门到大门”(即仅考虑电池制造)、“从摇篮到坟墓”(即从电池生产到电池丢弃的传统全生命周期LCA方法)、“从摇篮到摇篮”(即考虑电池材料回收和再制造的新型全生命周期LCA方法)。随着锂离子电池的大规模生产与应用带来的资源危机，废旧电池的材料回收与再制造成为热点，从“从摇篮到坟墓”的LCA方法引起了广泛关注[23]。常见的功能单位为1kg锂离子电池或1kW·h锂离子电池。对于LCI，主要的数据来源于数据库、文献、调研、试验测量等。目前的LCA商业软件(如GaBi、SimaPro等)内置了众多数据库，提供了丰富的背景数据。对于前景数据，需要通过本土化数据调研等来提高数据质量。目前成熟的LCIA模型有CML2001、EDIP2003、ReCiPe、Eco-indicator99与EPS2000等[24-25]。这些模型可以分为两类：中点法与终点法[12]。中点法是早期观察的环境影响，侧重于单一的生态问题，如人体毒性与酸化等；终点法着眼于因果链末端的环境影响，得到的指标以更容易理解的方式显示更高聚合级别的环境影响，如人体健康、气候变化等[26]。中点法确定了各种类别的潜在环境影响，提供了详细、低不确定性的结果；终点法可以将广泛的影响归因于有限数量的、被公认的损害。有很多的模型同时集成了中点法与终点法，常见的有ReCiPe2008、ReCiPe2016、IMPACT2002+、CML2002、IMPACTWorld+等[27-28]。例如IMPACT2002+具有14个中点及4个终点分类。这些模型给LCA的多个指标的综合核算与评价带来了方便。1.3基本方法LCA经过50多年的发展形成了较成熟的方法，它们具有多种分类方法。从方法论上LCA可以分为归因LCA(AttributionalLCA,ALCA)和结果LCA(ConsequentialLCA,CLCA)[29]。ALCA方法主要回答产品全生命周期上的总排放量是多少，CLCA方法主要回答边界差异导致的总排放量变化是什么。从清单制定流程上LCA方法可以分为基于过程的生命周期评价(Process-basedLCA,P-LCA)、投入产出生命周期评价(Input-outputLCA,IO-LCA)和混合生命周期评价(HybridLCA,H-LCA)方法[30]。P-LCA是一种自下而上的直接编制工艺清单的方法，它通常用于单个产品或服务的LCA，是使用最广泛的LCA方法。IO-LCA是一种基于投入产出表的自上而下列表构建方法，该方法将财务数据转换为环境影响，提高了库存数据的完整性。H-LCA是将P-LCA和IO-LCA方法进行整合来实现具体性和完整性的集合，被认为是比P-LCA或IO-LCA更先进的方法[31]。然而，如何有效地集成两种方法存在挑战。从组织层面LCA可以分为产品级LCA、组织级别LCA、消费者级别LCA和区域级别机械工程学报第58卷第22期期6LCA[29,30]。产品级LCA的作用是评估和改进特定产品[12,31]，如生态产品设计、流程优化、供应链管理、营销和战略决策；组织级别LCA用于调查组织产品的环境影响，并提出宏观解决方案；消费者级别LCA分析特定消费者的特定购买信息和生活方式，并提供未来的消费热点；区域级别LCA旨在确定特定国家和地区的关键领域和环境影响[12]。不同的生命周期评价方法有不同的应用对象和评价目标。产品级LCA因其在开发和升级单个产品以及风险评估方面的优势而受到广泛关注。1.4环境评价指数通过LCA可以较为方便地对各种足迹与环境指标进行量化计算，全面评估对环境的综合影响。表1列出了常见的环境指标。一些商业的LCA软件已经内置了众多成熟LCIA模型，可以方便地对多个环境指标进行计算与评估。表1典型的环境评价指标终点指标中点指标人体健康人类致癌毒性人类非致癌毒性呼吸系统影响生态质量水体酸化水体富营养化土地占用陆地生态毒性光化学氧化气候变化全球变暖资源消耗不可再生能源矿物提取2锂离子电池全生命周期的碳排放与环境指标评价2.1概述锂离子电池的全生命周期可分为电池生产、电池使用、电池退役与回收三个阶段。电池生产包括原材料提取、部件制造与电池制造等阶段；电池使用包括一次应用(如电动汽车)与二次应用(如梯次于通信基站)[32]；电池退役与回收是指对退役电池的材料进行回收并应用于电池的再制造。图3为构建的锂离子电池全生命周期LCA评价的基本框架，它是一个从“摇篮”到“摇篮”的闭环过程。在进行LCA需要统计每个阶段的材料与能源输入，计算出每个阶段的直接与间接排放。一般地，直接排放是指上述每个阶段由于材料与能源消耗导致的排放，间接排放指追溯能源与原材料造成的排放。利用LCA方法，可量化锂离子电池全生命周期内各个阶段的碳排放及环境指标，推动电池的可持续发展。锂离子电池由于不同的正极材料可分为多种类型，如镍钴锰酸锂(LiNi1-x-yMnxCoyO2,NCM)电池、镍钴铝酸锂(LiNi1-x-yCoxAlyO2,NCA)、磷酸铁锂(Lithiumironphosphate,LFP)等。由于不同电池具有不同的原材料、生产工艺、电池性能、回收工艺，因此需对具体电池类型进行数据收集及清单制定来开展个性化的LCA研究。图3从“摇篮”到“摇篮”的锂离子电池全生命周期LCA路线图月2022年11月来鑫等：面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展72.2电池生产2.2.1原材料提取与加工常见的电池原材料包括锂、钴、镍、石墨和锰等，它们的提取和加工分为原料阶段、中间料阶段及产品材料阶段[33]。电池原材料一般经过勘探、提取、选矿等步骤才能得到。锂材料主要来源于伟晶岩和卤水，镍主要来源于红土镍矿与硫化镍矿，石墨来源于天然石墨沉积物[34]。中间材料阶段主要包括熔炼、提纯或精炼步骤，锂的中间材料主要是氢氧化锂或碳酸锂，镍的主要中间材料为硫化镍[35]。产品材料阶段与电池生产直接相关，NCM是锂离子电池最重要的正极材料之一，该过程包括混合、煅烧和研磨过程。在上述过程中矿物的开采、运输、原材料冶炼与提纯是一个复杂及耗能过程，是与生产相关碳排放的主要贡献者。表2列出不同文献中电池材料提取过程的碳排放，可看出它们之间的差别很大，主要原因是电池原材料具有多样性且分布广泛，导致它们的清单数据差别较大。因此，收集可靠性的电池原材料提取与加工数据直接决定计算结果的准确性。2.2.2电池部件制造与组装锂离子电池的制造可分为电池部件制造与电池组装，电池部件制造包括电芯制造与电池附属部件(如BMS、冷却系统、外壳等)制造。电芯制造主要过程如图4所示，可简要的描述如下：在匀浆阶段，将活性材料与粘合剂、溶剂和炭黑等添加剂混合；在涂布阶段，将混合材料涂覆在载体箔上，制造出阳极与阴极。然后，将涂层箔干燥以蒸发溶剂，将涂覆的箔片进行辊压、切分、干燥等操作。电池生产需要在干房中进行，整个电池部件制造与组装需要消耗大量的电能与天然气，对能量清单进行准确调研与统计对LCA结果的准确性十分关键。在现阶段及未来电力碳强度下，“以电代气”是否能减少排放是一个十分有意思的话题。图4电池单体制造过程表2列出了一些文献中各种材料体系的电芯制造与组装、电池附属部件制造、电池运输等部分的碳排放，可以看出即使同种类型电池之间的差别很大。主要原因是清单数据的差别与统计范围不同，有些研究对相关流程与制造步骤进行了忽略。此外不同国家与地区的电池制造所用能源的碳强度对结果影响很大。因此，电池制造阶段的碳排放计算应根据不同的材料及能源清单进行具体计算。表2电池生产的碳排放计算结果(kgCO2-eq/kW·h)电池类型电池材料附属组件电芯制造与组装运输数据来源NCM26.6044.8064.004.20[43]NCM27.5237.84106.64—[44]NCM106.0040.0054.00—[45]NCM34.0010.5031.00—[46]NCM75.5010.4033.800.80[47]NCM43.988.8714.91—[48]NCM24.78—16.800.42[49]NCM100.834.6419.01—[50]LFP16.6049.8094.624.98[51]LFP78.7011.6060.200.75[47]LFP103.7578.7567.50—[45]LMO52.3010.400.060.66[47]LMO39.002.6611.44—[52]LMO29.706.052.25—[53]2.2.3生产阶段的碳排放生产阶段的碳排放是电池全生命周期碳排放的主要来源。很多文献对电池生产阶段的碳排放进行了计算[36-38]，计算结果分布38kgCO2-eq/(kW·h)到356kgCO2-eq/(kW·h)之间，正极材料生产是主要的碳排放来源。文献[39]总结在2005年至2020年发表的50篇有关电池生产阶段碳排放的论文，得出它们的平均值为120kgCO2-eq/kWh。出现如此大的差别的原因主要有：①一些研究没有追溯到原材料开采及提取的碳排放；②材料与能源清单的差异；③电池材料体系的差异，例如：NCM电池比LFP电池在生产阶段产生更多的碳排放[40]，且随着NCM电池中钴和锰含量的增加，电池生产阶段产生的碳排增加[12]；④生产地点的能量结构差异，例如使用绿色化程度高的电力生产电池就会产生少的碳排放。综上所述，电池的材料体系及生产地点是碳排放的主要变量，准确评估电池生产阶段的碳排放十分具有挑战。此外，电池生产阶段的环境指标评估也是研究热点[41-42]。从碳排放与环境指标视角对不同材料体系电池与下一代电池进行比较十分具有意机械工程学报第58卷第22期期8义。我们以前研究结果[12]表明，在我国2020年平均电力结构下，NCM电池的正极材料生产的所产生的碳排放占电池生产所产生总碳排放的46%，固态电池生产阶段的碳排放只有NCM电池的86%。在现阶段，在电池原材料资源丰富与电力中可再生能源比例高的地方(例如我国西南地区)进行电池生产对减少碳排放十分有利。2.3电池使用由于电池使用过程中性能和寿命等技术性指标的复杂性[54-55]，许多锂离子电池LCA的研究中没有考虑使用阶段[36,42]。然而，从时间尺度上看使用阶段占据了电池全生命周期的大部分时间，是电池全生命周期中的主要碳排放来源，因此需重点关注。在计算电池使用阶段的碳排放和环境影响时，需要考虑电池的充放电效率、充放电深度、衰减速度及使用寿命等技术性因素。同时，电池在交通运载工具上使用时，电池包的重量也会引起额外的能耗。文献[56]选择充放电效率、质量分摊系数、电池循环寿命和电力结构等因素对电池使用阶段开展LCA，发现充放电效率是主要因素。实际上，电池在使用阶段的作用是电能载体，因此该阶段对环境的影响实际与使用电力的间接排放密切相关，即依赖电力的碳强度。在电力结构中可再生能源较多的地区(即电力碳强度低)使用电池将产生更少的碳排放[57]。可以明确的是未来能源绿色化可进一步凸显锂离子电池及电动汽车的环保价值。此外，新兴技术对电池使用的碳排放带来益处。文献[58]证实车辆到家庭(Vehicle-to-home,V2H)系统可以减少约35%～42%的碳排放，车辆到电网(Vehicle-to-grid，V2G)技术可以利用车辆电池来存储和补充电网能量，减少火电在削峰填谷中的应用，从而减少碳排放[59]。现阶段，电池生产带来的高碳排放使电动汽车相比燃油汽车在生产制造时具有更大的碳排放，因此一个潜在的研究主题是电动汽车与燃油汽车在当期与未来电力结构下碳排放的比较与收益问题，即在特定的场景中电动汽车行驶多少公里才能抵消掉两类汽车生产阶段的碳排放差异。2.4梯次利用梯次利用可延长锂离子电池的使用寿命，最大化全生命周期价值，近年来成为全球热点话题。从电动汽车上退役下来的电池一般需要进行拆解、分选及重组后才能进行二次利用[60]，这个过程需要消耗能源与物料。因此，在开展LCA时需要制定该过程的能源与材料清单。在梯次利用过程中，电池碳排放与梯次利用场景、电池状态及二次利用寿命等因素密切相关，主要来源于消耗电力带来的间接排放。因此，梯次利用期间消耗的电力的碳强度及电池寿命直接决定了该期间的碳排放核算，基于梯次利用场景并考虑电池寿命的LCA建模是可行的解决方案。此外，由于退役电池目前是一种有价商品，因此，我们认为在计算梯次利用期间的碳排放时应该按新电池与退役电池的价格比分担新电池生产阶段的碳排放，在这个基础上评价梯次利用的碳排放收益是一个有意义的研究主题。此外，从碳排放视角来定义电池退役标准将是一个有益的探索，它将从技术层面定义退役指标(容量衰减到初始容量的70%～80%)的有益补充。退役电池一般需要拆解到单体或模组后进行梯次利用[60]。由于电池包结构的复杂性与多样性，它的自动化拆解是行业难题。为了实现自动化的拆解及检测，在电池设计时就需要进行可回收设计，即采用可生物降解或可拆卸的标准化结构设计。随着电池结构的创新(如无模组CTP技术)，全自动拆解技术将面临新的挑战。此外，发展快速准确的退役电池健康度检测与评估技术可以降低梯次利用成本。总之，发展机器人自动拆解与检测技术对提高梯次利用的经济性与降排减碳是十分有益的。2.5电池回收与再制造废旧锂离子电池被称为“城市矿石”而备受关注，它的回收与再制造能减少电池对土壤与水的污染，缓解镍、钴、锂等稀有金属的资源短缺与开采压力，降低电池制造成本，实现循环经济，具有巨大的环保与经济价值[61]。文献[62]显示从盐水和硬岩中提取锂资源的成本分别约为1800美元/吨和5000美元/吨，而在废旧电池中提取锂资源的成本约为1130美元/吨。如图5所示，目前电池回收方法主要有湿法回收、火法回收和直接回收[63-64]，它们的回收工艺、回收产物及能耗各不相同。火法回收使用高温熔炼去除粘结剂和隔膜等有机材料，通过碳还原剂生产含有镍、钴、铜的金属合金。该方法过程简单，无需预处理，是目前成熟的商用回收方法[63,65]。然而，该回收方法的高能耗过程会导致大量的碳排放。湿法回收的浸出方法主要有酸浸、氨浸、生物浸出和电化学浸出等，与火法回收相比月2022年11月来鑫等：面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展9能耗和碳排更低[49]。但是湿法回收过程中会产生大量的废水和废液，造成环境污染。直接回收方法主要回收锂电池的活性物质，同时保留其原有的化合物结构[66]，回收过程中主要使用磁选、浮选等物理分离方法和适度热处理来分离电池组分[67-68]，通过再锂化或水热工艺修复表面和本体缺陷，得到的产物能够直接用于新电池生产。直接回收在相对低的温度下进行，使用较少的化学试剂和短工艺进程实现电池活性材料的修复再生，能降低回收过程中的能耗和环境排放，因此是一种理想的电池回收方法，但该方法目前还处在发展中。总之，发展绿色、短进程、低能耗与全组分的回收方法是重要趋势。图5不同电池回收方法对比回收废旧电池材料能减少原材料的开采及提取，带来较大的碳排放及环境收益。在对电池回收进行LCA时需建立具体的回收工艺来建立清单。现有大多数研究通过LCA方法可对新的回收方法进行环境指标评估，并与其他回收方法进行比较。文献[69]计算了采用一种湿法冶金方法来回收多种类型锂离子电池的碳足迹，发现回收带来的碳排放收益主要来源于电池生产。文献[70]比较了使用回收材料与原材料制造电池的碳排放，发现前者比后者减小了50%。文献[49]分析了多种电池材料体系及电池结构在多种回收方法下的碳排放，结果表明：对于NCM电池，回收每千克圆柱型电池的碳排放量(7-10kgCO2-eq)略低于软包电池(8-11.5kgCO2-eq)；对于LFP电池，回收圆柱型电池的碳排放要高于回收软包型电池；回收LFP电池的碳排放收益要低于回收NCM电池。文献[46]对多种类型电池的回收及再制造的环境效益进行评估，结果表明，NCM电池的回收与再制造相比原材料制造在碳排放方面具有18%～29%的收益，在非生物资源耗竭潜力(Abioticdepletionpotential,ADP)方面具有60%以上的有益；LFP回收与电池再制造在碳排放上没有收益，而在ADP方面具有57%的收益。综上所述，废旧电池的回收与再制造能缓解资源危机，但是可能对环境造成一定的负面影响，特别是对磷酸铁锂电池的湿法回收。此外，文献[71]综述了60篇相关研究论文的结论，发现退役电池的收集与运输平均占回收总成本的41%，为回收电池贡献1%～3.5%的碳排放。综上所述，利用LCA方法对回收流程与回收工艺进行环境指标评估与比较，为回收方法的综合评估与选择提供新视角。电池再制造是指利用回收材料对电池进行再制造。从再制造视角回收材料可以分为闭环回收、半闭环回收及开环回收等几种类型。在闭环回收中回收材料形式与属性不发生变化，用于同种产品的再制造；半闭环回收中回收材料的属性发生变化，用于其他或类似产品的再制造；开环回收是指回收材料发生改变，一般降级用于其他产品的再制造。从再制造视角审视上述各类回收类型的碳排放及环境指标是非常有意思与有意义的工作。2.6锂离子电池“技术-生态-价值”综合评价锂离子电池具有技术指标/性能、环境与生态、资源与成本等多重属性，因此需要从技术链、状态链与价值链等多个维度对其进行综合评估，构建“技术-生态-价值”综合评价框架，如图6所示。目前大多数研究关注电池的技术链，即电池的性能演变及全生命周期安全管理技术。随着对环境污染及资源短缺的重视，从生态链与价值链方向来评估锂离子电池及其相关技术显得越来越重要。在生态链方面，利用LCA方法分析锂离子电池全生命周期各阶段的各类环境指标分布，全面量化电池全生命周期内的生态指标，服务国家“双碳”战略。在价值链方面，由于国际政治与供应链的不稳定，电池原材料价格出现较大波动。上述三个因素是相互耦合的：在计算生态链与价值链时，应该基于具体场景或技术路线并考虑技术性因素(如寿命、充放电倍率与深度等)来提高计算精度与合理性；在技术性指标评价时应考虑生态与价值指标的影响，例如在电池设计时除了技术指标外，以生态指标为强约束对材料与工艺筛选。另外，锂离子电池被广泛应用于更为丰富的技术场机械工程学报第58卷第22期期10景，对具体场景下的锂离子电池全生命周期的LCA进行评价与预测十分关键。图6锂离子电池综合评价框架为了评估产品的可持续性，生命周期可持续性评估(Lifecyclesustainabilityassessment，LCSA)框架被提出与发展[72-73]。在这个跨学科框架中，LCSA由传统LCA、生命周期成本计算与社会生命周期评估组成，并没有考虑电池的技术性因素。在LCA中考虑技术因素约束可进一步丰富LCSA框架。2.7机遇与挑战在国家“双碳”战略的驱动下，锂离子电池全产业链中以减少碳排放为目标将涵盖电池技术革新、生产管理、电池全生命周期管控等各个环节，逐步改善高排放与高能耗环节，建立全产业链协同的减碳目标与方法。锂离子电池全生命周期低碳与绿色化发展迎来重大机遇，但是目前也面临着如下诸多挑战：①现阶段减碳意识与实质性行动需要进一步强化，对减碳技术的革新与综合管理需要更大的投入，碳排放管理与激励机制尚需建立与完善；②电池全生命周期碳排放核算标准、碳足迹认证、碳排放披露等还处于起步阶段，上下游供应链中数据的不透明导致碳足迹追踪与管理的不便，需要深度合作来打造低碳的全产业链体系；③在技术上，产业链上各企业重视技术与成本指标，对碳排放与环境指标重视不够，对减碳技术的研究与升级动力不足；④低碳与低排放的电池回收技术需要发展。具体到LCA方法在锂离子电池上的应用，目前最主要的问题是由于清单数据的不透明与缺失导致LCA结果的不准确。锂离子电池生产涉及到多种原材料，它们可能来源于不同的国家与地区，导致数据收集十分困难。同时电池生产与使用可能涉及技术机密，对相关数据披露有限。因此，建立统一的碳计算标准及高质量数据披露十分关键。对于背景数据，国外数据库的直接引入可能造成较大误差，发展标准统一的高质量、本土化的数据库十分关键。3锂离子电池资源与供应链风险评估3.1资源风险目前锂离子电池正极需要大量锂、钴、锰、镍等原材料，但这些材料在地球上的储量都有限且分布不均。因此，随着锂离子电池需求的快速增长，这些材料的资源风险是不可回避的问题。锂被看成战略性能源金属，主要以卤水锂和硬岩锂的形式存在，其中卤水锂占全球锂资源的66%。根据美国地质勘探局的数据，2020年全球查明锂资源量约为8600万吨，其中最大的锂资源国是玻利维亚(2100万吨)，其后分别阿根廷(1930万吨)、智利(960万吨)、美国(790万吨)、澳大利亚(640万吨)和中国(510万吨)[74]。海水中含有约448亿吨可回收锂[75]，但目前存在开采困难、成本高的问题。据雅宝公司预测，2025年全球对锂的需求将达到100万吨碳酸锂当量(LCE)，而到2030年这一数字将达到全球对锂的需求将达到250万吨LCE，到2050年锂需求将达到6300万吨，存在约5000万吨的锂短缺。文献[76]指出在2030年左右将出现锂短缺，同时指出如果电池的回收比率超过90%，锂资源是能满足需月2022年11月来鑫等：面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展11求的。文献[77]指出锂资源的挑战不在于是否有足够的材料，而在于生产能否满足快速增长的需求。总之，随着电池材料回收与矿物开采技术的发展与成本降低，锂资源风险相对较小。钴在锂离子电池原材料中具有最高的价格。美国地质调查局发布的实验2020年全球已识别的钴资源总量约为760万吨[78]，分布十分集中，刚果(金)的钴的储量将近占全球的一半。文献[79]估计钴的需求量在2030—2050年会超过产量，文献[80]预计到2030年钴的需求量将超过产量，文献[81]预测在2028—2033年期间将不可避免地出现钴短缺。因此，钴的资源风险较为突出而受到普遍关注。强化钴资源的勘探与开采对锂离子电池的可持续发展至关重要。例如，深海矿床的钴储量可能超过陆地，需要更为经济的开采方法。此外，锂离子电池正朝着低钴与无钴(例如LFP电池)方向发展，且退役电池的原材料回收技术也在发展与应用，这些对缓解钴的资源风险是有益的。近年来，镍在建筑、石化、电子、机械制造等领域广泛应用，需求量一直在稳步增长，年产量增长率为3.1%[82]。据文献[80]预测，到2050年镍的需求量将增加2～3倍，到2035年左右镍短缺将十分明显。我国消耗了全球约43%的镍，而我国镍储量仅占全球的3.0%。因此，镍的资源风险需要引起高度关注。镍主要存在于硫化矿石与红土矿石中，它的生产是一个非常耗能的过程，会产生大量的排放与环境污染，在碳排放计算中需重点关注。我们之前的研究[12]表明，随着电池材料体系往高镍方向发展，电池生产阶段的碳排放是增加的。综上所述，废旧电池的材料回收及矿物开采技术的创新发展是解决资源风险的有效手段。另外新型电池技术的发展可能会缓解资源风险。例如钠离子电池技术的发展而形成“锂钠互补”的局面。目前应用LCA方法对锂离子电池的自然资源的研究较多，主要集中在关键资源的潜在需求量及对储量影响[83]、资源成本、特定资源的重要性[84]等，主要的方法是追踪特定空间框架和时间范围内的物质代谢，即物质流方法(Materialflowanalysis,MFA)[85]。常见的评价指标有总材料需求[86]、资源消耗[41]、资源可用性[73]、矿产资源枯竭、ADP、自然资源等。文献[87]采用MFA方法预测在理想情况下到2040年，退役电池可提供全球60%的钴、53%的锂、57%的锰和53%的镍，锂离子电池的资源风险可以得到极大缓解。3.2供应链风险锂离子电池的关键原材料在全球分布不均，呈现分布相对集中、区域差异大的特点。例如，目前全球50%以上的钴资源储量来自刚果，21.3%的镍资源储量来自澳大利亚，44%的锂资源储量来自智利[8]。因此，锂离子电池的原材料存在供应链风险。常用如下两个定量指标来表征原材料的风险：(1)供应风险，即原材料供应短缺的概率；(2)脆弱性，即表示材料供应短缺的严重程度。如果材料的指标值超过某些阈值，则被定义为具有供应风险或关键材料。现有大量文献广泛对锂、镍、锰、钴、铁和磷等电池关键材料进行供应链评估[88-90]，普遍认为镍的供应风险低于钴，但镍对环境的影响更大[91]，钴的供应链风险是最大的[92-93]，锂和钴是最关键的材料[94]。文献[95]表明锂和钴具有最大的供应风险，而LFP电池相对其他电池具有较低风险。减少或替代钴在锂离子电池中的使用已经成为共识[89]，增加钴开采与精炼的多样性(如增加开采方式、深海采矿等)以及减少钴的使用将有效提高钴供应链的弹性[96]。此外，退役电池的材料回收对供应链的影响是常被研究的主题[97]。近期锂离子电池关键原材料的全球供应链正在经历一场剧烈的市场波动，导致原材料价格飙升，例如碳酸锂在两年内价格上涨了近10倍[98]。原材料的价格大幅度上涨使锂离子电池的价格上涨，给电动汽车企业造成了巨大的成本控制压力。文献[99]给出了关键材料价格上涨的驱动力是电动汽车市场超出预期的爆炸式增长造成的原材料供需的短期失衡，从长期上看供需矛盾在2025年得到缓和，不会阻碍交通电动化进程。此外，资源供应的多元化、回收体系的完善、技术与商业模式的创新、资源信息的公开与共享都是提高供应链韧性的有效手段。从方法论上看，传统LCA方法侧重于潜在环境影响的评估，对供应链风险评估不足。在这种背景下，LCSA框架下的一些新方法被发展来补充传统LCA方法的不足。常见的方法可以总结如下：①地缘政治供应风险(Geopoliticalrisk,GeoPolRisk)方法[100]。它是一种量化与评价产品中原材料在特定区域供应风险的中点方法。GeoPolRisk指标是将供应风险量化为原材料的全球生产集中度和贸易伙伴的进口份额(考虑地区政治不稳定性加权)的函数[101]。②GeoPolEndpoint方法[102]。该方法用来评估相关矿产资源的使用对社会经济造成的损害，通过引入价格弹性因素和模拟供应中断对商品市场机械工程学报第58卷第22期期12的潜在影响来建立风险关系。③层次分析法。文献[95]采用层次分析法对锂离子电池的供应链风险进行半定量评估，使用了供应减少风险、需求增加风险、集中风险及政治风险四类指标。供应链模型还在不断发展与完善中，通过考虑更多的因素来增加评价结果的准确性与合理性。4全生命周期内的潜在减碳措施为了有效服务国家“双碳”战略，针对锂离子电池的全生命周期过程的资源与能源特征，潜在的减碳措施可以总结如下。(1)能源脱碳。能源绿色化是锂离子电池全生命周期碳减排的基础与源头。电池生产阶段的烘烤、干燥、分容、化成等环节都需消耗大量的能源，具有很大的减碳潜力。我们之前的研究[12]结果表明，在我国2030年与2050年电力结构下，锂离子电池生产阶段的碳排放预计分别比2020年降低11.9%与74.8%，如图7所示。在电池使用阶段，所用电力的清洁程度直接决定了电动汽车的碳排放收益。推动能源转型及加快构建高比例可再生能源电力系统建设对实现碳中和至关重要。图7电池生产阶段的碳排放[12](2)体系创新。通过对电池材料体系的创新，提升电池的能量密度与循环寿命，可降低锂离子电池的全生命周期的碳排放；在电池设计时把碳排放作为重要约束条件进行体系创新与工艺设计。此外，一些新型电池技术的发展也能有效降低碳排放。例如，钠离子电池与锂离子电池相比，价格便宜了18%，几乎所有类别的环境指标更低[103]；固态电池生产阶段的碳排放要低于锂离子电池[104]。(3)智能制造。电池生产与制造的智能化程度的提高可使生产效率提升、能耗降低、良品率提高与原材料损耗降低[105]，有利于锂离子电池的碳排放的降低[106]；创新低碳的电池生产新工艺，降低电池生产的能耗。此外，一些新兴技术的发展能提高电池回收的效率，促进电池回收过程的碳减排。例如：大数据技术使得电池回收时能准确朔源；机器人技术可以应用于废旧电池的拆解与检测，提升电池回收的效率。(4)优化管理。通过锂离子电池的全生命周期精细化管理，延长电池寿命，从而降低电池成本及碳排放。文献[107]通过对电池进行有效热管理，使得电池生命周期成本和碳排放分别降低了27%和25%。另外，一些新兴管理技术(例如V2G、换电技术、区块链等)及商业模式(例如电池租赁)促进碳减排新途径。例如，V2G技术可能会促进电动汽车在2030年后成为负碳排放单元，助力“双碳”战略；区块链技术可以保证供应链上下游碳排放数据的连贯性、准确性与透明度。(5)材料回收。废旧电池的材料回收利用能够最大化电池全生命周期使用价值，有效减少新电池由于初次生产过程中及原材料开采与提炼所产生的碳排放，同时可以缓解资源风险与增强供应链韧性。文献[50]通过对NCM622进行回收再制造，能够降低全生命周期碳排放量的33%。我们之前的研究[12]结果也表明，在2020年我国平均电力结构下，湿法回收与火法回收可使电池生产阶段的碳排放分别降低32%与3.5%，如图7所示。(6)碳捕集技术。在碳中和的驱动下，碳捕集技术引起了全球关注。可再生能源的电池储存与使用、碳捕集利用和封存被公认为是实现碳中和的两条主要途径[108-110]。在能源绿色化与电池材料高效回收的基础上，配合使用碳捕集与封存等先进减碳技术为辅助手段，例如利用碳捕集技术捕捉电池原材料采集及提炼中产生的碳排放，助力锂离子电池全产业链的碳中和。此外，文献[108]指出废旧锂离子电池可制作低成本二氧化碳吸附剂，不仅可以促进废旧电池回收，还可以大大降低碳捕集成本。5结论锂离子电池零碳化将成为交通脱碳的重要基础。本文在概述生命周期价值评价的基本方法与框架的基础上，对锂离子电池全生命周期的碳排放及环境指标计算的框架、方法及研究进展进行全面的综述，并提出了潜在的减碳措施。主要的结论如下。(1)锂离子电池全生命周期碳足迹追踪与环境月2022年11月来鑫等：面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展13指标评价越来越受到全产业链的重视，在碳中和背景下未来将成为必做题。相关的碳计算标准与方法论需要进一步完善，全生命周期碳排放建模方法需要进一步发展，全产业链数据共享与高质量本土化数据库的建立势在必行。(2)需要从技术、生态与成本等多个维度对锂离子电池的可持续发展进行综合评价。以碳排放等生态指标为约束对电池进行设计、以碳排放为视角定义电池退役标准等将是有意义的工作。在计算碳排放时需考虑电池技术性因素(如电池老化、充放电速率及应用场景)来提高结果的准确性与合理性。(3)废旧电池材料回收与再制造具有减污降碳的双重作用，能提升电池供应链的韧性。加强回收设计(即在电池设计时考虑回收的便利性)与电池拆解自动化需多方协同，构建合理的回收商业模式及发展绿色、高效、低能耗及全组分电池材料回收方法十分重要。(4)能源绿色化是实现锂离子电池全产业链碳中和的基础与保证，大力发展绿色电力进行能源转型是不可或缺的举措。本文的研究为锂离子电池的全生命周期碳排放计算、全产业链的减排措施的制定等都提供有价值的参考。(5)锂离子电池全生命周期价值评价是一个多学科交叉的新兴领域，相关的方法论需要进一步发展，全生命周期本土化数据的获取、“技术-环境-价值”多维度评价模型的建模、环境-经济收益的评价、评价结果的验证、全产业链协同减碳措施都是未来重点研究方向。参考文献[1]SACCHIR，BAUERC，COXB，etal.When，whereandhowcantheelectrificationofpassengercarsreducegreenhousegasemissions[J].RenewableandSustainableEnergyReviews，2022，162：112475.[2]BARBOSAW，PRADOT，BATISTAC，etal.Electricvehicles：Bibliometricanalysisofthecurrentstateoftheartandperspectives[J].Energies，2022，15(2)：395.[3]LAIX，ZHENGY，SUNT.Acomparativestudyofdifferentequivalentcircuitmodelsforestimatingstate-of-chargeoflithium-ionbatteries[J].ElectrochimicaActa，2018，259：566-577.[4]ZHUX，XIAOJ，MAOQ，etal.ApromisingregenerationofwastecarbonresiduefromspentLithium-ionbatteriesvialow-temperaturefluorinationroastingandwaterleaching[J].ChemicalEngineeringJournal，2022，430：132703.[5]HOEKSTRAA.Theunderestimatedpotentialofbatteryelectricvehiclestoreduceemissions[J].Joule，2019，3(6)：1412-1414.[6]ENGELSP，CERDASF，DETTMERT，etal.Lifecycleassessmentofnaturalgraphiteproductionforlithium-ionbatteryanodesbasedonindustrialprimarydata[J].JournalofCleanerProduction，2022，336：130474.[7]KALLITSISE，KORREA，KELSALLG，etal.EnvironmentallifecycleassessmentoftheproductioninChinaoflithium-ionbatterieswithnickel-cobalt-manganesecathodesutilisingnovelelectrodechemistries[J].JournalofCleanerProduction，2020，254：120067.[8]MIAOY，LIUL，ZHANGY，etal.Anoverviewofglobalpowerlithium-ionbatteriesandassociatedcriticalmetalrecycling[J].JournalofHazardousMaterials，2022，425：127900.[9]YUDHISTIRAR，KHATIWADAD，SANCHEZF.Acomparativelifecycleassessmentoflithium-ionandlead-acidbatteriesforgridenergystorage[J].JournalofCleanerProduction，2022，358：131999.[10]FENGT，GUOW，LIQ，etal.LifecycleassessmentoflithiumnickelcobaltmanganeseoxidebatteriesandlithiumironphosphatebatteriesforelectricvehiclesinChina[J].JournalofEnergyStorage，2022，52：104767.[11]LIP，XIAX，GUOJ.Areviewofthelifecyclecarbonfootprintofelectricvehiclebatteries[J].SeparationandPurificationTechnology，2022，296：121389.[12]LAIX，CHENQ，TANGX，etal.Criticalreviewoflifecycleassessmentoflithium-ionbatteriesforelectricvehicles：Alifespanperspective[J].eTransportation，2022，12：100169.[13]JESWANIH，AZAPAGICA，SCHEPELMANNP，etal.OptionsforbroadeninganddeepeningtheLCAapproaches[J].JournalofCleanerProduction，2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