0引言

伴随电动汽车的发展，车用动力电池的需求量和报废量将与日俱增,预计到2020年，年报废量将会超过12万t。动力电池回收阶段产生的环境性影响是复杂多样的,也是现今和未来电动汽车领域面临的严峻问题。生命周期评价（Life cycle assessment）是对产品的整个生命周期进行影响分析,通过编制某一系统的相关投入与产出的清单记录，来评价与这些投入和产出有关的潜在的环境影响,并根据生命周期评价的目的解释清单记录和环境影响的分析结果。IS0 140140将LCA划分为四个步骤：目标与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释。动力电池是早期国外LCA研究的焦点。Matheys等釆用产品生命周期分析方法分别对应用于传统燃油汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的五种动力电池（铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和钠镍氯化物电池）进行研究,结果表明锂电池和钠镍氯化物电池对环境的影响最小。Cohn以美国为背景运用生命周期框架建立了电动汽车从原材料开釆、车辆制造、装配到寿命末端车辆报废处理的整个车辆周期和车辆行驶阶段的成本、排放和能源消耗模型。研究发现,与传统汽油汽车和超低排放汽车相比，电动汽车产生的CO、HC（碳氢化合物）、N0_X和CO₂排放量最低，但其成本、能耗以及产生的PM（微粒物）和硫排放最高。国内动力电池生命周期评价研究较少，陈妍等和郁亚娟等采用Eco-indicator99体系对比了铅酸、镍镉以及锂电池的生命周期环境影响，在产生同样电能的情况下，环境影响指数大小依次为:锂离子电池<铅酸<镍镉。此外，由于动力电池在汽车上的良好应用，一些LCA研究多集中在整车上。

本工作选择车用镍氢电池与锂离子电池为研究对象，以动力电池全生命周期中的回收部分为评价阶段,建立了LCA评价模型,利用建立的模型计算、汇总动力电池回收阶段的能耗和排放清单，并对清单结果进行分析、评价和对比。

1动力电池LCA评价模型的建立

本工作研究使用的动力电池为某型国产镍氢电池和磷酸铁锂电池。镍氢电池以氢氧化镍为正极活性物质，以AB5型储氢合金为负极活性物质，以氢氧化钾水溶液为电解液;锂离子电池以磷酸铁锂为正极活性物质，负极活性物质为中间相炭微球石墨（MCMB）,电解液由六氟磷酸锂、碳酸乙烯酯（EC）、二甲基碳酸酯（DMC）组成。假设两种动力电池的隔膜均由PP（聚丙烯）和PE（聚乙烯）两种物质制成，且比例相同。两种电池放电深度（DOD）都设置为80%,并假设充放电效率分别为90%和70%。并假设模块和电池包壳体及其他附件占电池系统总质量的20%,单体电池组的质量占电池包总质量的80%。对于磷酸铁锂电池,假设模块和电池包壳体占18%,电池管理系统（BMS）占2%。假设动力电池回收利用阶段主要回收的物质为铝、镍、钢、氢氧化镍、碳酸锂，回收再利用率如表1所示。

1.1确定研究目标与范围

动力电池的功能单位确定为基于车辆的行驶距离，本工作假设车辆行驶距离为100000km。评价边界包括生命周期评价阶段、地理和时间边界以及环境影响因素。其中动力电池的生命周期阶段选取回收利用阶段，本研究的地理边界是中国大陆境内,环境影响评价因子定为总能量消耗和温室气体(Greenhouse Gas,GHGs)排放,其中所考虑的GHGs排放包括CO2,CH4和吨0,其他温室气体不在计算范围之内。除温室气体排放之外，还计算了动力电池回收阶段的VOC、CO、NOX、SOX和颗粒物的排放，其中VOC和CO排放按其含碳比例换算为CO2计入GHGs排放中，换算公式如下：

式中:M_CO2为总CO₂排放;M*_CO2、M_VOC、M_CO分别为直接CO₂、VOC、CO排放;ROC_VOC、ROC_CO2、ROC_CO分别为VOC、CO_2，CO含碳率,其值分别为0.85、0.227、0.43。

式中：M_CH4、M_N2O分别为CH₄和N₂O排放量;GWP_CO2、GWP_CH4、GWP_N2O、分别为CO₂、CH₄、N₂O的二氧化碳当量温室效应影响因子，其值分别为1、25、298。总能量消耗包括一次能源能耗和二次能源生产链的能耗。环境排放包括动力电池生命周期所涉及的直接排放和间接排放的总和。

1.2环境影响评价因子的计算方法

动力电池回收能源效益计算公式为：

式中:R_E为单位质量动力电池回收节约的能源量;E_O为单位质量动力电池使用原生材料生产所消耗的能量;E_R为单位质量动力电池使用再生材料生产所消耗的能量。

动力电池回收环境效益计算公式为：

式中: R_M为单位质量动力电池回收污染物减排量;M_O为单位质量动力电池使用原生材料生产产生的污染物排放量；M_R为单位质量动力电池使用再生材料生产产生的污染物排放量。

2动力电池LCA清单分析

动力电池金属及化合物回收的能耗和排放数据来自GREET数据库和EPA的相关研究。根据两种电池结构组成不同，规定镍氢电池回收部件为正极、负极和壳体，锂离子电池回收部件为正极、壳体和BMS组件。利用相关数据源的数据，经过统计、计算得到两种动力电池使用原生材料和再生材料的能耗和污染物排放因子清单，将所有的能耗和排放清单均按功能单位换算，换算结果以MJ/km和kg/km表示，如表2-表5所示。表2、表3分别列出了锂离子电池、镍氢电池使用原生材料和再生材料的生产能耗。表4列出了锂离子电池使用原生材料和再生材料的生产GHGs排放量。表5列出了两种动力电池使用原生材料和再生材料生产所产生的主要污染物排放量。

3动力电池LCA环境影响评价

根据清单分析的结果，对动力电池LCA环境影响进行分析和评价，并进行结果解释，评价内容包括能耗评价和排放评价。

3.1能耗评价

通过对锂离子电池和镍氢电池能耗的清单分析,可以看出不同动力电池各部件生产能耗不同,相同类型的电池使用原生材料和再生材料生产耗能存在明显差异。具体能耗对比如图1和图2所示。

由图1可知,使用再生材料可以使锂离子电池生产阶段的能耗下降61%。从材料来看,回收锂离子电池正极材料用于电池生产与使用原生正极材料相比,能耗下降不大，下降值为37%，这主要是由于正极中磷酸铁锂活性物质在电池生产中能耗较小且工艺简单，只是减少了原材料的部分加工过程;壳体的回收利用节能效果明显,能耗下降达到63%,主要是因为壳体材料大部分采用金属铝，而铝材料的回收节能效率最高，所以使用再生铝可以起到较好的节能效果;使用再生BMS生产电池消耗能量很少,能耗下降高达94%,这是由于BMS回收后可以直接利用，省去了再加工耗能。由图2可以看出，使用再生材料可以使镍氢电池生产阶段的能耗下降54%,使用再生正极材料、壳体及负极材料与使用对应原生材料相比，能耗下降值相差不大,分别为53.8%、53.6%和56.2%。

总体来看，两种动力电池壳体生产能耗最大，这是因为壳体中金属铝的生产加工会消耗大量的能量,使用再生铝可以使生产能耗大幅度降低。因此，应该改善生产工艺，提高金属铝的再利用率。

3.2排放评价

动力电池生产阶段的排放物主要有GHGs以及N0_X、PM10、PM2.5、SO_X,使用再生材料可以不同程度地减少这些污染物的排放。图3所示为锂离子电池主要部件使用再生材料和原生材料生产所产生的GHGs排放对比。图4为两种动力电池使用再生材料和原生材料生产所产生的主要污染物排放对比。

由图3可知,使用再生材料可以使锂离子电池生产阶段的GHGs排放总体下降56.9%。从各部件来看，壳体生产GHGs排放最高，大量使用铝材料是壳体GHGs排放较大的主要原因,其次是正极,BMS组件生产GHGs排放最少。使用原生材料生产，三者的排放量分别为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，生产BMS组件的GHGs排放很少，减排量高达94%；使用再生壳体可以使GHGs排放减少66.4%,减排效果显著;正极材料的回收利用减排效果不明显，减排量为5.4%。由图4可以看出，镍氢电池与锂离子电池的NO_X、PM10、PM2.5排放量接近,而镍氢电池的SO_X排放量远高于锂离子电池，其SO_X排放量是锂离子电池的2.5倍,这主要是因为我国生产金属镍的原材料为硫化铜镍矿，硫化铜镍矿在精炼过程中会产生大量的硫化物，另外泡沫镍、氢氧化镍的生产过程中也会产生大量的硫化物。使用再生材料可以降低镍氢电池和锂离子电池生产过程中NO_X、PM10、PM2.5、SO_X等污染物的排放，其中使用铝、钢、碳酸锂等再生材料能使锂离子电池的NO_X、PM10、PM2.5、SO_X等排放物的量分别下降62.5%、73%、61.8%和58.3%,使用镍、铝、钢及氢氧化镍等再生材料可以使镍氢电池的上述排放物的量分别下降54.4%、65.3%、52.9%和59.4%。

4结论

通过对国内外相关动力电池生命周期评价文献的阅读,发现我国在动力电池全生命周期内的环境性影响方面的研究较少。本工作以国产镍氢电池和磷酸铁锂电池为研究对象，严格按照IS0 140140规定的LCA评价步骤，首先确定研究目标与范围及环境影响评价因子的计算方法，建立LCA评价模型，然后利用相关数据计算得到两种电池使用原生材料和再生材料的能耗及排放清单,最后对排放清单进行解释并作出环境影响评价。结果表明,使用再生材料可以显著降低动力电池生产阶段的能耗，可以使锂离子电池和镍氢电池生产阶段的能耗分别下降61%和54%；使用再生材料可以不同程度地减少动力电池生产阶段的污染物排放，可以使锂离子电池生产阶段的GHGs排放下降56.9%,使锂离子电池的NO_X、PM10、PM2.5、SO_X等排放物的量分别下降62.5%、73%、61.8%和58.3%；使用镍、铝、钢及氢氧化镍等再生材料可以使镍氢电池的上述排放物的量分别下降54.4%、65.3%、52.9%和59.4%。动力电池壳体大量使用原生铝材料会明显增加电池生产过程的能耗和排放，因此应加大铝材料的回收比例和再生铝的应用比例，且应在保证电池安全性的同时使用替代材料来降低铝材料的应用比例;镍氢电池的污染物排放量明显高于锂离子电池，其SO₂的排放量很大,这主要是由我国金属镍的供应结构造成的，因此应减少镍氢电池在电动汽车上的应用，或尽快调整金属镍的供应结构,减少SO_X的排放。