李建西,宋小龍,2*,潘京津,莊緒寧,2,趙 靜,2,豆詠琪

退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)減碳效率評估及優(yōu)化分析

李建西1,宋小龍1,2*,潘京津3,4,莊緒寧1,2,趙 靜1,2,豆詠琪1

(1.上海第二工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院,上海 201209；2.上海電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 201209；3.中國電子技術標準化研究院,綠色發(fā)展研究中心,北京 100007；4.北京航空航天大學材料科學與工程學院,北京 100083)

隨著我國新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展,大批動力電池進入退役期.針對退役動力電池循環(huán)利用現(xiàn)狀,識別降本減碳協(xié)同效應并開展系統(tǒng)優(yōu)化分析,成為重要研究課題.本文綜合采用生命周期評價和生命周期成本方法,分析了當前我國退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)的碳足跡和經濟成本.結果表明,1GWh容量的退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)碳足跡和生命周期成本分別為-2.33′107kgCO2eq和-33613.15萬元.結合碳足跡和生命周期成本二維指標開展減碳效率評估和情景分析發(fā)現(xiàn),相對于現(xiàn)實系統(tǒng),汽車生產商主導的優(yōu)化情景減碳效率較低,提高梯次利用比例的優(yōu)化情景具有最優(yōu)減碳效率.通過提高梯次利用比例和采用先進資源化技術均能夠顯著提升退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)的減碳效率.

退役三元鋰電池；生命周期評價；碳足跡；生命周期成本分析；減碳效率

受全球化石能源危機和環(huán)境風險問題等多因素影響,新能源汽車以其低碳環(huán)保的優(yōu)勢在世界各國得到高度重視.隨著新能源汽車產業(yè)的迅速發(fā)展,我國已成為世界第一大新能源汽車產銷國[1].作為新能源汽車的核心部件和動力來源,國內動力電池產銷量也逐年攀升.按照正極材料不同,動力電池可分為磷酸鐵鋰電池(LFP)、三元鋰電池(NCM)和錳酸鋰電池(LMO)三大類.其中,三元鋰電池以能量密度高、適應性強和體積小等優(yōu)勢,在動力電池產業(yè)中得到廣泛應用.

據(jù)《中國新能源汽車動力電池產業(yè)發(fā)展報告》[2]數(shù)據(jù)顯示,2018年三元鋰電池總裝配量市場份額達到59%.

我國新能源汽車市場自2014年起進入快速增長階段,2018年開始批量進入退役期[3].據(jù)統(tǒng)計,2020年我國累計產生約20萬t的退役動力電池,到2025年將增至78萬t[4].退役動力電池資源價值豐富,同時不合理的處置將會造成嚴重的環(huán)境危害,對其進行回收利用,可有效避免環(huán)境污染與資源浪費[5-7].然而,相關數(shù)據(jù)顯示,退役動力電池進入正規(guī)處理渠道的回收量不足退役總量的10%[8],大量退役動力電池流入到小作坊等非正規(guī)處理企業(yè).總體上看,我國動力電池回收處理行業(yè)仍處在正規(guī)和非正規(guī)并存的發(fā)展期.當前,動力電池循環(huán)利用系統(tǒng)的環(huán)境績效和經濟表現(xiàn)尚不被完全掌握,有必要對其退役后的全過程開展系統(tǒng)診斷和深入解析.

生命周期評價(LCA)是評估產品系統(tǒng)整個生命周期投入、產出和潛在環(huán)境影響的工具[9].國內外相關學者采用LCA方法評估動力電池不同生命周期階段的環(huán)境影響,關注重點涉及動力電池從生產到退役回收的全生命周期過程[10-13].現(xiàn)有研究大多集中在動力電池的生產和使用過程[14-15],聚焦退役后的生命周期末期并評估其生命周期環(huán)境影響的研究較少,且主要涉及梯次利用環(huán)節(jié)和再生利用環(huán)節(jié).梯次利用方面,Yang等[16]采用LCA方法,比較了在常規(guī)儲能系統(tǒng)中梯次利用動力鋰電池和鉛酸蓄電池對環(huán)境的影響;Ahmadi等[17]評估了退役磷酸鐵鋰電池梯次利用在加拿大安大略省儲能系統(tǒng)中應用的環(huán)境影響,發(fā)現(xiàn)梯次利用階段是全生命周期環(huán)境影響的主要來源之一;Ioakimidis等[18]結合磷酸鐵鋰電池梯次利用在智能建筑中的不同應用場景,開展情景分析發(fā)現(xiàn)梯次利用替代電池生產具有顯著的環(huán)境效益;賈志杰等[19]采用LCA方法,以磷酸鐵鋰電池為研究對象,通過設定直接應用后報廢和梯次利用兩個場景,對磷酸鐵鋰電池不同使用場景開展環(huán)境影響評價分析,結果顯示梯次利用具有較優(yōu)的環(huán)境優(yōu)勢.再生利用方面,Jiang等[20]選取鎳鈷錳三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池為研究對象,基于LCA方法量化評估兩種動力電池的濕法回收以及在制造過程中重復使用再生材料的環(huán)境影響;Mohr等[21]在綜述現(xiàn)有鋰離子電池回收LCA研究的基礎上,選取磷酸鐵鋰和三元材料電池為研究對象,針對回收處理過程,采用不同回收工藝比較其環(huán)境影響,發(fā)現(xiàn)濕法回收工藝對三元鋰電池具有最優(yōu)的環(huán)境效益.

除關注動力電池的生命周期環(huán)境影響,也有研究采用生命周期成本分析方法對動力電池開展經濟性分析,主要集中在回收、梯次利用和再生利用環(huán)節(jié).郝碩碩等[22]構建了汽車生產商回收模式、動力電池生產商回收模式、第三方回收模式以及動力電池產業(yè)聯(lián)盟回收模式,并構建基于回收成本最小和回收利潤最大的決策模型.劉堅[23]分析了退役動力電池梯次利用的成本構成,并對其在儲能系統(tǒng)應用的經濟性開展核算分析.陶志軍等[24]調研核算了退役動力電池梯次利用、物理回收、濕法回收和火法回收工藝的成本和收益情況.董慶銀等[25]以北京市為例,基于濕法回收工藝,分析了鎳鈷錳三元鋰電池622和811兩種型號電池回收的經濟表現(xiàn).

從現(xiàn)有研究來看,目前有關退役動力電池循環(huán)利用系統(tǒng)的降本減碳協(xié)同效益,尚不甚清晰.特別是針對不同回收模式、不同梯次利用場景以及不同材料再生工藝的環(huán)境與經濟綜合績效的系統(tǒng)評估,有待進一步研究.為此,本文基于生命周期評價方法和生命周期成本分析方法,對退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)的碳足跡和經濟成本進行分析,并提出減碳效率指標對不同回收模式、梯次利用狀況及再生利用工藝開展情景優(yōu)化分析,以期為我國退役動力電池循環(huán)利用系統(tǒng)可持續(xù)改進提供技術支持.

1 研究方法

1.1 研究范圍

圖1 退役三元鋰電池回收處理系統(tǒng)邊界

本研究系統(tǒng)邊界覆蓋退役三元鋰電池從回收到循環(huán)利用和最終處置的全過程.具體包括退役三元鋰電池收集、運輸、拆卸、檢測、預處理、破碎分選、電極粉料分離、塑料造粒、金屬再生利用、電解液安全處置、電池重組與梯次利用等過程(見圖1).按照生命周期階段可劃分為回收(收集和運輸)、拆解、重組、梯次利用、再生利用、末端處置6個主要環(huán)節(jié).

1.2 情景設置

為探究不同生命周期階段退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)環(huán)境影響和經濟表現(xiàn)的改進潛力,本研究基于循環(huán)利用現(xiàn)實系統(tǒng),針對回收模式、梯次利用比例和再生利用工藝分別設置不同優(yōu)化情景.

現(xiàn)實系統(tǒng):在回收階段,由第三方回收商和二手車回收商共同回收,通過回收網點和貯存點兩級貯存,將收集的退役三元鋰電池轉運至綜合利用企業(yè);拆解階段對退役三元鋰電池進行余能檢測和充放電、初步拆解、電池模組再次拆解、檢測分選和電池單體分選與性能評估;符合重組條件的退役三元鋰電池通過重組進入梯次利用儲能領域替代鉛酸蓄電池.再生利用階段采用國內典型企業(yè)濕法回收工藝定向循環(huán)工藝,通過拆解、干燥熱解、粉碎及機械分選、酸浸、粗萃、精萃、加堿陳化得到三元前驅體;隔膜中聚乙烯/聚丙烯進行塑料造粒,電池外殼通過分選破碎得到金屬鋁;末端處置階段采用焚燒或安全填埋對回收過程中產生的殘渣或有害廢物進行無害化處理.由于現(xiàn)階段對石墨和電解液回收大多未被產業(yè)化利用,本研究對石墨設定為填埋處理,電解液進行無害化處理.

優(yōu)化情景1:汽車生產商主導的動力電池回收.在三元鋰電池循環(huán)利用現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎上,為切實履行生產商回收責任,本研究設定原回收方式由汽車生產商通過銷售網絡回收,基于完善的銷售渠道,降低區(qū)域轉運距離,實現(xiàn)電池高效回收.

優(yōu)化情景2:梯次利用比例提高情景.在當前退役動力電池循環(huán)利用的基礎上對梯次利用比例進行優(yōu)化.由于當前退役動力電池梯次利用的規(guī)?；潭炔桓?梯次利用率水平較低.隨著梯次利用技術和規(guī)模的提高,設定退役動力電池應用在儲能領域的梯次利用比例從10%提高到30%.

通過本文研究成果的試點、探索、改進，輔助某市級供電企業(yè)初步構建配網主動運維檢修工作機制，有效降低了配網故障事件發(fā)生、提升了供電服務質量，取得了良好的經濟效益和社會效益：

優(yōu)化情景3:材料再生技術優(yōu)化情景.在定向循環(huán)工藝基礎上,進一步選擇循環(huán)再造工藝進行分析.該工藝依次經過預處理、酸溶浸出、萃取提純、三元前驅體合成、三元電池材料合成等過程.與定向循環(huán)工藝相比,增加了對金屬鋰的回收.

3種不同優(yōu)化情景的基本情況見表1.

表1 退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)優(yōu)化情景設置

1.3 評估指標

以1GWh容量退役三元鋰電池單體為研究對象,圍繞其從退役回收到最終處置的全過程開展生命周期評價和生命周期成本分析.其中,生命周期環(huán)境影響聚焦碳足跡指標,采用全球變暖潛值(GWP)來表征,單位為kgCO2eq.核算采用IPCC第五次評估報告中有關GWP100a的當量因子:即CH4、N2O、CO2分別為28、265和1[26].生命周期成本的系統(tǒng)框架如圖2所示,總體上包括回收成本、拆解成本、重組成本、再生利用成本和末端處置成本.其中回收成本具體包括貯存成本、運輸成本、人工成本和管理成本.

圖2 生命周期成本分析框架

在對退役三元鋰電池循環(huán)利用現(xiàn)實系統(tǒng)及不同優(yōu)化情景開展生命周期評價及成本分析的基礎上,結合生命周期碳排放和生命周期成本二維指標,進一步引入減碳效率指標對優(yōu)化情景相對于現(xiàn)實系統(tǒng)的降本減碳協(xié)同效應進行評估.本研究提出將單位經濟成本增加帶來的碳減排量界定為減碳效率.在本文中,其計算方法是將不同優(yōu)化情景與現(xiàn)實情景在生命周期碳排放量上的差值除以該優(yōu)化情景和現(xiàn)實系統(tǒng)在生命周期成本上的差值.減碳效率越高,即表征優(yōu)化情景以較小的生命周期成本增加帶來較多的生命周期碳減排量.減碳效率指標具體計算公式為:

式中;CRE表示第個優(yōu)化情景相對于現(xiàn)實系統(tǒng)的減碳效率,其中=1,2,3(下同);LCCE和LCCE分別為第個優(yōu)化情景和現(xiàn)實系統(tǒng)的生命周期碳排放;LCC和LCC分別為第個優(yōu)化情景和現(xiàn)實系統(tǒng)的生命周期成本.當LCCE>LCC時,減碳效率為正值,代表單位經濟成本增加帶來的碳減排量;當LCCE

1.4 數(shù)據(jù)來源與關鍵參數(shù)

通過企業(yè)走訪和實地調研,確定從回收網點到集中貯存點采用3t柴油卡車運輸,第三方回收運輸距離為160km,二手車回收商運輸距離為302km.參考相關文獻數(shù)據(jù),汽車生產商回收從回收網點到集中貯存點的運輸距離確定為24km[27],從集中貯存點到綜合利用企業(yè)運輸工具為10t載重的柴油卡車,不同回收模式下運輸距離均為650km[28].拆解過程的余能檢測和充放電、拆解檢測分選與性能評估數(shù)據(jù)來自典型回收拆解企業(yè)環(huán)評報告;經過檢測、篩選、重組后梯次利用進入儲能領域的動力電池,可替代全新的鉛酸蓄電池使用,鉛酸蓄電池生產工藝生命周期清單數(shù)據(jù)來源于鉛蓄電池實際生產企業(yè)和文獻調研[29];再生利用階段放電、預處理、破碎分選等過程數(shù)據(jù)主要引自公開發(fā)表文獻;再生利用過程采用典型回收處理企業(yè)實際生產數(shù)據(jù),其中定向循環(huán)工藝對稀貴金屬鎳、鈷、錳的回收率為98%,銅鋁的回收率為97%,塑料的回收率為80%;循環(huán)再造工藝對鎳、鈷、錳的回收率為98%,對鋰的回收率為85%,銅鋁的回收率為97%,塑料的回收率為80%.拆解處理過程中產生的電解液進行無害化處理,該部分數(shù)據(jù)來源于文獻和數(shù)據(jù)庫.

表2 生命周期清單數(shù)據(jù)來源及參數(shù)

對于難以直接獲取的單元過程數(shù)據(jù),如能源生產過程、運輸過程、材料再生過程,本研究采用PE-database和ecoinvent3等商業(yè)數(shù)據(jù)庫中的基礎數(shù)據(jù).在開展碳足跡分析與生命周期成本分析時,本研究不考慮設備、機器、廠房等折舊與維護.至于梯次利用和再生材料產出環(huán)節(jié),采用環(huán)境負荷替代法計算其避免的由相應新品和原生材料生產引起的碳排放和經濟成本.

生命周期清單數(shù)據(jù)來源及關鍵參數(shù)詳見表2.

2 結果與分析

2.1 碳足跡分析

生命周期評價結果顯示,1GWh容量的退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)碳足跡為-2.33′107kgCO2eq(圖3).碳足跡結果值為負值,表明退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)具有正向的環(huán)境效益,其主要貢獻來源為再生利用和梯次利用階段.進一步將再生利用階段劃分為再生利用過程和再生材料產出,其中,再生利用過程定義為再生利用階段的能源物料的投入過程,再生材料產出定義為再生利用階段各類金屬及塑料的產出過程.由于可替代原生生產過程,再生材料產出和梯次利用階段的碳排放分別為-2.43′107kgCO2eq、-7.92′106kgCO2eq.至于退役三元鋰電池回收、拆解、重組、再生利用過程和末端處置階段,由于存在柴油、電力、輔助材料等的消耗,碳排放表現(xiàn)為正值.這4個生命周期階段的碳排放量分別為8.30′105kgCO2eq、5.23′103kgCO2eq、1.57′106kgCO2eq、4.83′106kgCO2eq和1.71′106kgCO2eq.拆解過程的碳排放相對于其他生命周期階段較低,主要由于整個拆解過程由人工拆解加半自動化方式完成,消耗能源及物料較少.

圖3進一步比較了不同生命周期階段的碳排放貢獻占比.分析發(fā)現(xiàn),再生利用階段再生材料產出對生命周期碳足跡貢獻最大,貢獻值為104.44%;其次為梯次利用過程,其對生命周期碳足跡的貢獻值為43.00%.在回收、拆解、重組、材料再生過程和末端處置過程中,由于能源消耗和輔料投入導致其對生命周期碳足跡呈現(xiàn)正向環(huán)境影響,貢獻值為負值,其對生命周期碳足跡的貢獻值分別為-4.71%、-0.03%、-8.11%、-30.00%、-4.48%.

由圖3分析可知,再生材料產出是生命周期碳足跡最大的貢獻來源.通過進一步比較各類資源在再生材料產出環(huán)節(jié)的碳排放不同占比,發(fā)現(xiàn)正極材料金屬、其他金屬、塑料對再生材料產出過程碳減排的貢獻大小依次為正極材料金屬(鎳、鈷、錳)>其他金屬(銅、鋁)>塑料,其碳排放占比分別為54.97%、41.97%、3.05%.具體來看,正極材料金屬中鈷的碳減排貢獻最大,為49.55%,其次為鎳和錳,其碳減排貢獻分別為30.03%和20.42%;其他金屬中鋁的碳減排貢獻最大,為92.96%,其次為銅,占比為7.31%.三元鋰電池中的正極材料中富含鎳、鈷、錳等金屬,是再生材料產出最大的貢獻來源,其次是三元鋰電池中含有鋁箔、銅箔和鋁制外殼;塑料則主要來源于電池隔膜.

圖3 退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)碳足跡及貢獻占比

2.2 生命周期成本分析

將退役三元鋰電池的回收利用過程劃分回收(收集運輸)、拆解、重組、梯次利用、再生利用過程、再生材料產出和末端處置7個生命周期階段,分析各階段成本及貢獻占比(圖4).基于各階段數(shù)據(jù)計算得出退役三元鋰電池循環(huán)利用生命周期成本為-33613.15萬元.生命周期成本的結果值為負值,表明退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)具有正向的經濟效益.梯次利用和再生材料產出階段,由于可替代原生生產過程,這兩個階段的生命周期成本為-6000萬元和-31883.99萬元.退役三元鋰電池梯次利用產生的經濟效益為6000萬元,占生命周期總收益的17.85%;再生利用階段的再生材料產出產生的經濟收益為31883.99萬元,占總收益的82.15%.具體分析再生材料產出過程,正極材料金屬(鎳、鈷、錳)、其他金屬(銅、鋁)、塑料等再生材料產出帶來的經濟收益依次分別為25263.36萬元、6578.51萬元、42.12萬元.回收、拆解、重組、再生利用過程和末端處置階段,由于存在柴油、電力、酸堿試劑等材料的消耗,其生命周期成本均表現(xiàn)為正值.這5個生命周期階段的成本分別為524.96萬元、792.95萬元、102.39萬元、2409.41萬元、441.14萬元.

圖4 退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)生命周期成本及貢獻占比

圖4針對退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)的經濟成本進一步分析貢獻占比.結果顯示,退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)總成本為4270.84萬元,其中再生利用過程成本為2409.41萬元,占總成本的56.42%,是最大的成本貢獻來源;其次為拆解過程,成本占比為18.57%;回收、重組和末端處置成本占比分別為12.29%、2.40%、10.33%.進一步比較了再生利用過程中不同能耗物耗的成本占比,磺化煤油在再生利用過程中對生命周期成本的貢獻比例最大,為19.44%;其次為氫氧化鈉的使用,成本占比為17.08%;硫酸、鐵粉、氯酸鈉和TBP(磷酸三丁酯)的使用成本也較高,占比均在10%以上.

2.3 不同優(yōu)化情景生命周期分析

2.3.1 生命周期碳足跡優(yōu)化分析 圖5顯示了不同情景的生命周期碳排放結果.現(xiàn)實系統(tǒng)和不同優(yōu)化情景的碳足跡結果均為負值,且3種優(yōu)化情景的碳足跡均低于現(xiàn)實系統(tǒng),表明退役三元鋰電池循環(huán)利用優(yōu)化方案均表現(xiàn)出更優(yōu)的環(huán)境效益.現(xiàn)實系統(tǒng)和3種優(yōu)化情景中的電池梯次利用和再生材料產出可抵消回收、拆解、重組和末端處置過程中的能源物料消耗產生的碳排放影響.總體來看,現(xiàn)實系統(tǒng)和不同優(yōu)化情景的碳足跡從大到小依次為:現(xiàn)實系統(tǒng)>優(yōu)化情景1>優(yōu)化情景3>優(yōu)化情景2,優(yōu)化情景2的碳減排效果最好,3種優(yōu)化情景具體碳排放分別為-2.36′107kgCO2eq、-3.20′107kgCO2eq、-2.75′107kgCO2eq.具體來看,優(yōu)化情景1在回收階段采用汽車生產商主導的EPR回收模式,生命周期碳排放比現(xiàn)實系統(tǒng)減少了0.03′107kgCO2eq;優(yōu)化情景2在現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎上,梯次利用比例從10%提高到30%,碳排放減少了0.87′107kgCO2eq;優(yōu)化情景3相較于現(xiàn)實系統(tǒng),采用更先進的濕法回收工藝,增加了對鋰元素的回收,其整體碳排放降低了0.42′107kgCO2eq.

圖5 不同情景生命周期碳排放分析

2.3.2 生命周期成本優(yōu)化分析 基于生命周期成本分析方法對3種優(yōu)化情景經濟表現(xiàn)進行量化,結果如圖6所示.退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)經濟成本為4270.84萬元.現(xiàn)實系統(tǒng)和不同優(yōu)化情景的生命周期成本從大到小依次為:優(yōu)化情景1>現(xiàn)實系統(tǒng)>優(yōu)化情景3>優(yōu)化情景2.具體來看,3種優(yōu)化情景生命周期成本分別為4349.91萬元、3842.17萬元、4072.37萬元.從各優(yōu)化情景對經濟表現(xiàn)的情況來看,優(yōu)化情景1在回收階段比現(xiàn)實系統(tǒng)增加了79.07萬元;優(yōu)化情景2相較于現(xiàn)實系統(tǒng),通過提高退役三元鋰電池梯次利用比例,生命周期成本降低了428.67萬元;優(yōu)化情景3在現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎上,再生利用環(huán)節(jié)采用濕法回收B工藝,增加了對退役三元鋰電池中鋰元素的回收,整體成本降低了198.48萬元.進一步將梯次利用收益和再生材料產出收益計入生命周期總成本,分析計算可得3種優(yōu)化情景的生命周期成本均為負值,即不同優(yōu)化情景均表現(xiàn)出經濟收益.其生命周期成本大小依次為:優(yōu)化情景1>現(xiàn)實系統(tǒng)>優(yōu)化情景3>優(yōu)化情景2.具體來看,現(xiàn)實系統(tǒng)及3種不同優(yōu)化情景的生命周期總成本分別為-33613.15萬元、-33534.08萬元、-38956.49萬元、-37149.25萬元,即優(yōu)化情景2的經濟收益最高,優(yōu)化情景1的經濟收益最低.

圖6 不同情景生命周期成本分析結果

2.4 減碳效率評估

結合生命周期碳排放和生命周期成本二維指標,對不同優(yōu)化情景相對于現(xiàn)實系統(tǒng)的減碳效率開展評估,綜合優(yōu)化分析結果如圖7所示.總體上,退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)不同優(yōu)化情景在生命周期碳排放和經濟表現(xiàn)方面不盡相同.具體來看,優(yōu)化情景1僅對碳減排起到優(yōu)化作用,在經濟成本方面高于現(xiàn)實系統(tǒng),這主要由于動力電池生產商主導回收的回收模式在回收體系建設和管理方面前期需投入大量的資金以保證體系的后續(xù)正常運轉;優(yōu)化情景2和優(yōu)化情景3在碳減排和經濟成本方面均表現(xiàn)出積極影響,主要源于三元鋰電池梯次利用比例增加和再生利用工藝的改善.具體來看,3種不同優(yōu)化情景的減碳效率分別為3.12、-1.63和-1.19.即優(yōu)化情景1為每增加一萬元的成本消耗,同時減碳3.12t;優(yōu)化情景2和優(yōu)化情景3表示每增加一萬元的經濟收益,同時減碳1.63t和1.19噸t.優(yōu)化情景2和優(yōu)化情景3具有環(huán)境經濟的協(xié)同改善作用,且優(yōu)化情景2的減碳效率最為顯著.

圖7 不同優(yōu)化情景減碳效率分析

2.5 不確定分析

本研究從生命周期的視角分析了退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)的碳排放和生命周期成本.由于生命周期評價涉及數(shù)據(jù)量和范圍面較大,加上三元鋰電池規(guī)格和尺寸不一,難以將此項研究推廣到所有的退役三元鋰電池,然而已經努力提供一種可應用于實現(xiàn)其他三元鋰電池開展減碳效率的方法.

為了降低整個研究結果的不確定性,使研究結果更貼近現(xiàn)實,研究中優(yōu)先采用市場調研數(shù)據(jù)與企業(yè)回收處理數(shù)據(jù)作為一手數(shù)據(jù),缺失的數(shù)據(jù)則采用企業(yè)環(huán)評報告和文獻數(shù)據(jù)進行補充,對于背景過程以及難以獲得一手數(shù)據(jù)的單元過程,如原材料生產、電力等能源生產過程,本研究選用PE-database和ecoinvent3等成熟的商業(yè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并與相關文獻數(shù)據(jù)進行了交叉驗證,確保了數(shù)據(jù)的代表性.

調研企業(yè)為國內動力電池回收處理的典型代表性企業(yè),由于目前從事退役動力電池非正規(guī)回收處理具有一定的普遍性,而從事正規(guī)化回收處理的企業(yè)數(shù)量較少,本研究選擇了其中的核心企業(yè)開展數(shù)據(jù)調查,并與相關文獻數(shù)據(jù)進行了交叉驗證,確保了數(shù)據(jù)的代表性.

3 結論

3.1 基于走訪和市場調研,建立退役動力電池循環(huán)利用模型,并選取1GWh退役三元鋰電池單體作為功能單位,評估得到當前退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)的碳排放和生命周期成本分別為-2.33E+ 07kgCO2eq和-33613.15萬元.表明退役三元鋰電池循環(huán)利用系統(tǒng)具有減碳效益和經濟效益.

3.2 梯次利用階段和再生利用階段是生命周期碳減排和成本收益的重要來源.其中,再生利用階段中再生材料產出對生命周期碳足跡和成本收益的貢獻最大,分別為104.44%和82.15%;其次為梯次利用電池對碳足跡和成本收益的貢獻,分別為43.00%和17.85%.

3.3 減碳效率評估與優(yōu)化分析表明,汽車生產商主導的回收優(yōu)化情景僅對生命周期碳排放起到優(yōu)化效果,且幅度較小,經濟表現(xiàn)欠佳,整體減碳效率較低;提高三元鋰電池梯次利用比例和采用更加先進的濕法回收工藝對生命周期碳減排和經濟收益具有協(xié)同增效作用,且提高梯次利用比例顯示出更優(yōu)的減碳效率.

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Evaluation and optimization analysis of carbon reduction efficiency of retired NCM lithium battery recycling system.

LI Jian-xi1, SONG Xiao-long1,2*, PAN Jing-jin3,4, ZHUANG Xu-ning1,2, ZHAO Jing1,2, DOU Yong-qi1

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China；2.Shanghai Collaborative Innovation Center for WEEE Recycling, Shanghai 201209, China；3.Green Development Research Center, China Electronics Standarization Institute, Beijing 100007, China；4.School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China)., 2023,43(1)：488～496

With the rapid development of China's new energy vehicle industry, a large number of power batteries have entered the retirement period. It has become an important research topic to identify the synergistic effect of cost and carbon reduction and carry out systematic optimization analysis in view of the current situation of retired power battery recycling. The carbon footprint and economic cost of the retired NCM lithium battery recycling system in China were analyzed by using life cycle assessment and life cycle costing. The carbon footprint and life cycle cost of the retired NCM lithium battery recycling system with 1GWh capacity were -2.33′107kgCO2eq and –336131500 yuan, respectively. The carbon reduction efficiency assessment and scenario analysis were carried out based on the two-dimensional indicators of carbon footprint and life cycle cost. It was found that compared with the real system, the optimization scenario dominated by automobile manufacturers had lower carbon reduction efficiency, and the optimization scenario with higher echelon utilization ratio had the optimal carbon reduction efficiency. The carbon reduction efficiency of the retired NCM lithium battery recycling system can be significantly improved by increasing the proportion of echelon utilization and adopting advanced resource recovery technology.

retired NCM lithium battery；life cycle assessment；carbon footprint；life cycle costing；carbon reduction efficiency

X196

A

1000-6923(2023)01-0488-09

李建西(1996-),男,河南永城人,上海第二工業(yè)大學碩士研究生,主要研究方向為退役動力電池資源化、生命周期評價及其應用.發(fā)表論文1篇.

2022-06-07

國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFC1906101)

* 責任作者, 研究員, songxiaolong@sspu.edu.cn