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动力电池碳足迹及低碳循环白皮书.pdf
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1、知识合作伙伴联合国全球契约组织GDI for SDG系列报告2023践行全球发展倡议,加速实现可持续发展目标动力电池碳足迹及低碳循环发展白皮书2目录企业践行全球发展倡议,加速实现可持续发展目标联合国可持续发展17 项目标联合国全球契约十项原则背景介绍1.1 新能源汽车增长带动动力电池产量激增1.2 政策及市场双轮驱动,电池碳足迹正逐渐成为全球贸易的焦点之一1.3 电池回收关注度日渐高涨1.4 研究目的及意义58910电池特性与制造工艺2.1 电池性能比较2.2 工艺流程2.3 电池各部件质量占比1213143.1 全生命周期评价方法介绍3.2 电池生命周期阶段介绍3.3 全生命周期评估界限与范
2、围3.4 数据来源16182021电池全生命周期评价方法4.1 电池包碳足迹分析 4.1.1 不同技术类型电池包跨期碳足迹比较 4.1.2 不同技术类型电池包跨生命周期阶段碳足迹比较4.2 电池电芯碳排热点分析 4.2.1 正极 4.2.2 负极232324262628电池生命周期碳排放分析5.1 能源结构5.2 电池设计及包装5.3 技术路径5.4 电池回收 5.4.1 回收方法及流程 5.4.2 回收方式碳排放评价 5.4.3 企业回收行动5.5 企业案例3132343535394044电池碳减排潜力探索6.1 总结6.2 建议4748总结与建议7.1 新能源汽车碳中和发展目标明确,动力电
3、池碳足迹管理与碳减排是当前关键任务之一7.2 政府和企业亟需构建碳足迹管理体系,相关核算标准、方法论等跨国互认也是未来趋势7.3 跨国头部企业挑战与机遇并存,新型商业合作新模式或随之出现505052发展形势与展望3企业践行全球发展倡议,加速实现可持续发展目标当前,地缘政治冲突频现,不确定性持续上升,联合国呼吁各国以气候等迫在眉睫的全球性问题为突破口,加强国际合作(联合国事务,2021)。在此背景下,中国国家主席习近平于2021年9月21日在第七十六届联合国大会一般性辩论上提出全球发展倡议,为推动国际社会形成合力,破解发展赤字难题,实现联合国2030年可持续发展议程贡献中国方案和中国智慧。全球发
4、展倡议就减贫、粮食安全、抗疫和疫苗、发展筹资、气候变化和绿色发展、工业化、数字经济、数字时代互联互通等八大重点领域提出合作设想和方案(中国外交部,2022)。100多个来自欧盟、东南亚国家联盟和非洲联盟的国家表示支持全球发展倡议,五大洲50多个国家加入了“全球发展倡议之友小组”(中国外交部,2022)。全球发展倡议得到了联合国秘书长安东尼奥古特雷斯,以及包括联合国全球契约组织、联合国开发计划署、联合国经济和社会事务部、联合国粮食及农业组织、联合国工业发展组织等在内的联合国机构的支持(中国外交部,2022)。联合国秘书长古特雷斯在于2022年5月9日在纽约联合国总部举行的“全球发展倡议之友小组”
5、高级别视频会议上发表视频致辞时说:“我们正快速接近实现可持续发展目标进程的中间点,但却遭遇挫折,我们必须也能够做得更好。”他认为,围绕全球发展倡议开展的讨论可以带来显著变化,促进各国在发展领域取得进展。中国政府将落实全球发展倡议的重要举措包括创设“全球发展和南南合作基金”,加大对中国联合国和平与发展基金的投入,成立全球发展促进中心等(中国外交部,2022)。气候变化和绿色发展是全球发展倡议八大重点领域之一,直接影响人类赖以生存和发展的基本要素,如粮食安全和住房安全等。在全球开展跨部门跨行业气候合作有助于大力推动构建更美好的社会。联合国全球契约组织于2022年6月在联合国全球契约组织领导人峰会期
6、间面向全球官方发布了中国战略,确定了七大重点工作领域,包括应对气候变化、缩小不平等、促进体面劳动、集体行动反对腐败、支持参与“一带一路”倡议的企业加速实现可持续发展目标、通过中非企业可持续发展合作加强“南南合作”、依托“全球发展倡议”促进商业创新和可持续发展目标伙伴关系。与此同时,中国战略确定的多项举措将更好、更快地帮助中国企业在实现零碳、公正转型、可持续供应链等诸多方面形成积极的集体影响力,从而加速推动巴黎协定和2030可持续发展议程在中国和全球的落实。联合国全球契约组织于2022年发起“企业践行全球发展倡议,加速实现可持续发展目标”(GDI for SDG)试点项目,旨在通过搭建跨部门合作
7、伙伴关系,采取全价值链思维,促成不同行业部门之间的相互协作以及资源和能力整合,探索和落地在环境气候和财务两个维度均可持续的商业模式,从项目落地、思想引领、活动对话等多个维度,加速探索、实践和推广涵盖零碳转型、减塑行动、循环经济、海洋生态、产业创新等全球性议题的解决方案。2022年11月5日,在第五届虹桥国际经济论坛“践行全球发展倡议,建设世界一流企业”平行论坛上,联合国全球契约组织正式发起GDI for SDG一期试点项目,旨在“携手缓解海洋塑料污染,团结助力低碳经济转型”,并从循环塑料的跨行业商业再利用和社会全域回收体系两个方向同时推进。13家创始成员包括:3M、阿里巴巴、中国节能环保集团、
8、厦门航空、达能、荣耀、联想、美宝国际、诺维信、百事、康师傅控股、陶朗和国际竹藤组织。随后,安踏、太平洋财险等企业也相继加入。GDI for SDG一期试点项目将持续向多领域、多区域深入推进,务实落地更多的基于创新的跨行业合作成果落地。2023年8月,联合国全球契约组织启动GDI for SDG二期试点项目,携手企业、政府、智库等在内的多相关方推动新能源动力电池循环经济发展,并于9月14日在中国辽宁省沈阳市召开首次项目研讨会。在应对气候危机的进程中,交通运输部门是温室气体排放的最大来源之一。值得欣慰的是,电动汽车产业在全球范围内蓬勃发展,并被视为解决温室气体排放增加问题的重要方案之一。就全球范围
9、而言,电动汽车在中国、欧洲和美国等主要市场起步较早,发展迅猛,这将为广大发展中国家更广泛地采用电动汽车提供了强有力的经济案例参考。同时,电动汽车行业将在新兴市场释放更大的发展潜力,这将不仅仅体现在环境和气候层面,还涵盖经济与社会维度,比如:提供更多的新型就业机会、激发传统产业创新、加速基础设施建设进程等等。由此可见,电动汽车行业的绿色、低碳及韧性发展对于加速推动2030可持续发展议程以及实现巴黎协定目标十分重要。该白皮书报告将聚焦新能源动力电池行业全价值链上的多重利益相关方以及其行动实践,从全生命周期角度对动力电池的回收、再利用和处置进行分析研究,并通过企业案例为企业和相关方提供实践参考,从而
10、推动低碳循环经济的可持续发展。企业通过践行全球发展倡议,以务实行动为导向,创新为驱动力,携手推动气候行动和绿色发展,并为可持续发展目标(SDGs)的加速实现作出积极贡献。联合国全球契约组织作为世界上最大的推进企业可持续发展的国际组织,将持续团结全球企业,发挥引领作用,动员更多的不同行业企业参与GDI for SDG项目中来,积极推动2030可持续发展议程。背景介绍45背景介绍电池特性与制造工艺电池全生命周期评价方法电池生命周期碳排放分析电池碳减排潜力探索总结与建议1.1新能源汽车增长带动动力电池产量激增交通运输是全球空气污染的主要来源之一。根据国际能源署(IEA)数据,交通运输使用的能源91%
11、来自石化产品,其消耗产生尾气污染,造成大量的二氧化碳(CO2)排放。2021年交通运输产生的CO2增长至77亿吨,约占全球CO2排放总量的21%1。交通运输部门脱碳,对于实现巴黎协定提出的温控目标十分重要。通过大力推广电能驱动的电动汽车,替代传统内燃机为驱动的燃油车可有效减少交通运输产生的CO2排放。以电动汽车为主的新能源汽车已成为世界各国汽车产业发展的趋势,各国正大力发展电动汽车,以迅速推动交通系统向清洁交通系统转变。全球电动车销售量呈现高速增长态势,2022年全球电动汽车总数达到2600万辆,与2021年相比增长了60%2(见图1)。欧洲新能源车也呈现快速增长的趋势。根据欧洲汽车制造商协会
12、(ACEA)的数据,2020年欧洲新能源汽车销量达到了137.4万辆,同比增长117%。中国新能源汽车市场总量居于国际领先地位,自2015年起保有量保持全球第一,2022年中国新能源汽车保有量约1310万辆,占汽车总量的4.10%3。插电式混动和纯电动汽车保有量(百万辆)来源:IEA4(图1)20102011201220132014201520162017201820192020202120223020100中国 欧洲 美国 其他1“Transport”(Paris:IEA,2022),https:/www.iea.org/re-ports/transport.Roland Irle,“Glo
13、bal EV Sales for 2022,”accessed March 2,2023,https:/www.ev- 经济参考报,“2022年我国新能源汽车保有量同比增长近七成,”n.d.,http:/ EV Outlook 2023”(IEA,n.d.),https:/iea.blob.core.win- Demand for Electric Vehicle Batteries Worldwide from 2020 to 2050,”accessed December 12,2022,https:/ “GGII:2022年中国锂电池出货量超650GWh,”accessed March
14、2,2023,https:/www.gg- 智研咨询-产业研究,“2021年中国动力电池回收现状分析:装车量走高,未来面临较大退役规模,”April 19,2022,https:/ Mordor Intelligence 的报告,2022年欧洲动力电池市场的装机量为233.4GWh,预计到2028年将达到438.4GWh,其中LFP因其高安全性、低成本和高循环寿命而受到欧洲汽车制造商的青睐,而NCM则因其高能量密度、高功率密度和高稳定性而受到欢迎。2016201720182019202020212022140160180200120100806040200电池装车量GWh6.319.9833.
15、122.240.520.238.924.474.379.8110.4183.81516.33LFP电池NCM电池LFP和NCM电池装车量(GWh)8(图3)俞立严:“性能提升拉动装车量 LFP电池跑赢NCM电池,”上海证券报,August 20,2022.8背景介绍电池特性与制造工艺电池全生命周期评价方法电池生命周期碳排放分析电池碳减排潜力探索总结与建议发展形势与展望780.2%38.9%60.9%LFP电池NCM电池其他来源:中国汽车动力电池产业创新联盟1.2政策及市场双轮驱动,电池碳足迹正逐渐成为全球贸易的焦点之一尽管电动汽车在行驶阶段产生的直接排放量几乎为零,但其主要动力来源电池,在其生
16、产和制造过程伴随着大量能源消耗,加之动力电池生产和使用的快速增长带来了资源短缺和能源消耗的问题,也会导致显著的温室气体排放和环境影响,所以需要格外关注电池生命周期各阶段的碳排放。生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)是从定量和定性两方面分析不同产品生命周期过程对环境影响的方法,综合评定产品生命周期过程中的温室气体排放、水资源消耗、能源消耗等方面对环境的影响。随着电动汽车的快速增长和国际社会对全球气候变暖问题的关注,电池全生命周期的碳排放正成为各国政府、企业和研究机构关注的焦点。一些国家正在逐步将产品生命周期评估和碳足迹纳入国际绿色贸易的必要考虑因素。产品碳足迹(Ca
17、rbon Footprint of Products,CFP)是LCA中环境影响评价的一种,是衡量某产品在其生命周期中直接或间接产生的温室气体排放量。如欧盟针对出口到欧盟的汽车电池制定碳足迹限值法规。2022年12月9日,欧盟委员会同意欧洲议会和欧洲理事会发布新电池欧盟电池与废电池法规提案(COM 2020/798 final),并于2023年1月18日达成三方最终协议,8月17日,正式生效,该法案贯穿电池从原材料、制造、消费到回收成新产品的整个生命周期。欧盟电池与废电池法规要求,容量超过2kWh的可充电工业电池、轻型运输工具电池、电动汽车电池、汽车SLI电池和便携式电池,必须提供碳足迹声明和
18、标签,以及电池数字护照,以披露包括容量、性能、用途、化学成分、可回收内容物等信息。法案要求2025年2月,在欧盟成员国上市或投入使用的电动汽车电池必须提供碳足迹声明,2026年8月起必须标识碳足迹性能等级标签,2028年2月,欧盟会对电动汽车电池设定最大排放阈值。背景介绍电池特性与制造工艺电池全生命周期评价方法电池生命周期碳排放分析电池碳减排潜力探索总结与建议发展形势与展望2022中国各类动力电池累计产量占比9绿色贸易限制加大了世界各国动力电池产业对于出口产品碳足迹的关注。做好产品碳足迹核算、全生命周期碳排放管理进而降低产品碳足迹,不仅是企业应对绿色贸易壁垒对企业出口的紧迫要求,也会是企业增强
19、其产品竞争力、获得更多下游买家及消费者青睐的必要手段。背景介绍电池特性与制造工艺电池全生命周期评价方法电池生命周期碳排放分析电池碳减排潜力探索总结与建议发展形势与展望1.3电池回收关注度日渐高涨电池回收被认为是减少与电池生产相关环境影响的最佳方法,它可能会降低约50%的材料生产能源需求,全面降低对环境的污染9。退役动力电池资源价值丰富,从资源利用的角度,高效回收利用这些金属资源,能够降低和缓解对矿产资源过度开采和进口的依赖,减少对于锂(Li)、镍(Ni)、钴(Co)等矿产资源的过度开采,能够对全球新能源汽车产业的可持续发展起到促进作用,同时也能大幅削减动力电池全生命周期的碳排放总量10。另一方
20、面,废电池中的重金属和化学物质如果不能妥善处理,会渗入地下导致水污染和生态系统破坏,同时还可能通过食物链传递,危害人类身体健康。从长远的角度来看,整个动力电池回收市场潜力巨大。电动汽车动力电池的使用寿命通常只有5至8年,电池组的持续使用造成电动汽车续航能力锐减,大量老旧动力电池将很快面临退役,尤其是早期电动汽车使用的低镍(95%)回收。现阶段利用火法-湿法联合回收技术回收有价金属。优美科(Umicore)公司P所采用的ValEas工艺,针对NCM电池回收,该工艺主要将火法回收技术的产物进一步采用湿法提纯,尽管回收过程中不可避免的产生新“三废”,但该方法对反应对象的要求较低,又可以减少浪费金属元
21、素29。2.火法冶金电池拆解粉碎分离提纯高温冶炼火法冶金流程图(图 22)26 https:/www.Gem.Com.Cn/Gb/Index.html2728 Guannan Qian et al.,“Value-Creating Upcycling of Retired Electric Vehicle Battery Cathodes,”Cell Reports Physical Science 3,no.2(2022):100741.29 https:/www.Umicore.Cn/Zh-s/39背景介绍电池特性与制造工艺电池全生命周期评价方法电池生命周期碳排放分析电池碳减排潜力探索总结
22、与建议发展形势与展望提高电池的回收率,能够有效降低电池生产带来的碳排放。使用回收技术、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碳排放下降。本报告针对容量为74kWh,包含188个电芯的NCM811电池包,量化火法冶金、湿法冶金和直接物理回收碳排放情况,由于火法-湿法联合回收技术数据缺失,未包含在内。在回收阶段,负碳排放表明对电池总碳排放产生了改善效果,绝对值越大则对生产阶段环境影响的减少越显著。不同的回收技术对电池在生产阶段的环境影响消减程度各有不同。事实上,梯次利用技术产生的再生产品,如电池包,代替了整个电池生命周期从原料开采、电池材料制造、电芯生产
23、到电池系统生产的过程,对于电池全生命周期碳排放的抵消最大,综合表现最好。一般跳过梯次利用阶段,直接比较火法、湿法等相关回收方式的碳排放(图23)。在剩余的几种回收技术中,火法回收过程的碳排放量最高,为5.11kgCO2-eq/kWh。通常火法回收使用温度超过1000的高温冶炼,碳排放来自冶金过程中消耗的化石能源,会产生许多直接和间接的碳排放。此外,负极中的石墨无法通过火法回收,石墨在高温环境下热解会产生碳排放。尽管火法冶金需消耗化石能源,碳排放大于湿法回收,但在整体对环境影响方面是优于湿法冶金的30。一般火法回收不太彻底,回收的价值产出不高,电池企业多采用火法、湿法联合回收方式。湿法冶金碳排放
24、量为2.9kgCO2-eq/kWh,比火法降低47.6%。与火法冶金相比,湿法冶金仅需要在低温条件下进行多步化学处理,没有火法高温处理的高能耗、高碳排放的过程,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循环利用,但通常包括10多个主要步骤,会产生相当数量的有毒气体和废液。“物理法”碳排放量为3.65kgCO2-eq/kWh,比火法回收法降低28.6%。由于物理法回收的产品可以直接用于电池生产的材料,减少了材料再生步骤和二次污染,显著降低动力电池生产阶段的能耗。在对正极材料修复中使用热处理过程,该过程的能源消耗是主要来源碳排放。5.4.2回收方式碳排放评价不同回收方式碳排
25、放比较(针对NCM811)(图 23)12010060804020-20-40-600kgCO2-eq/kWh火法回收物理法湿法回收回收碳排原始碳排抵消碳排放数据来源于公开文献 王琢璞,“新能源汽车动力电池回收利用潜力及生命周期评价,”2018,https:/doi.org/10.27266/ki.gqhau.2018.000656.3040背景介绍电池特性与制造工艺电池全生命周期评价方法电池生命周期碳排放分析电池碳减排潜力探索总结与建议发展形势与展望对各回收技术碳减排潜力比较,火法冶金对于锂电池再制造的碳减排潜力相对有限,使用火法回收材料比用原材料生产的电池低4.8%的碳排放;使用湿法冶金回
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