磷酸铁锂电池生命周期资源耗竭特征化研究_李晓龙.pdf

20240845Modern Chemical Research当代化工研究基础研究20240845Modern Chemical Research当代化工研究基础研究磷酸铁锂电池生命周期资源耗竭特征化研究李晓龙1,2 程佳怡1,2 黄蕾旭1,2 张端1,2 孙博学1,2*（1.北京工业大学材料科学与工程学院 北京 1001242.北京工业大学工业大数据应用技术国家工程实验室 北京 100124）摘要：磷酸铁锂（LFP）电池产量在我国处于领先地位，伴随着其产量的增加，资源耗竭潜力日渐增大，有必要对 LFP 电池的资源消耗强度进行评估。目前生命周期评价影响评价过程中有众多资源耗竭特征化方法。在本研究中，选取非生物资源耗竭潜值（ADP）、人为储量扩展的非生物资源耗竭潜值（AADP）、盈余矿石潜力（SOP）、热力学稀有度（TheRy）和累计需求（CExD）五种方法评价 LFP 电池的资源消耗情况。结果表明：LFP 电池生产过程的 ADP 值为 2.29E-01 kg Sb eq，其中 BMS 制备过程的贡献最高，占 85.24%，金为主要贡献资源；AADP 值为 2.38E-03 kg Sb eq，电池正极制备过程的贡献最高，占 50.75%，镉为主要贡献资源；SOP 值为 1.26E+01 kg Cu eq，电池负极制备过程和正极制备过程的贡献均较高，分别占 48.53%和 44.82%，锂和石墨为主要贡献资源；TheRy 值为 3.18E+03 MJ，电池正极制备过程的贡献最高，占 55.40%，铝和锂为主要贡献资源；CExD 值为 2.91E+02 MJ，电池负极制备过程的贡献最高，占 56.19%，铜为主要贡献资源。关键词：磷酸铁锂电池；生命周期影响评价；非生物资源耗竭潜力；盈余矿石潜力；热力学稀有度；累计需求中图分类号：X820.3 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2024.08.014Research on the Characterization of Life Cycle Resource Depletion of Lithium Iron Phosphate BatteriesLi Xiaolong1,2,Cheng Jiayi1,2,Huang Leixu1,2,Zhang Duan1,2,Sun Boxue1,2*(1.College of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing,1001242.National Engineering Laboratory for Industrial Big Data Application Technology,Beijing University of Technology,Beijing,100124)Abstract：Lithium iron phosphate(LFP)battery production is at the forefront in China.along with the increasing production of LFP batteries,the potential for resource depletion is growing.It is necessary to assess the resource consumption intensity of LFP batteries.Currently,there are various methods for characterizing resource depletion in the life cycle assessment impact assessment process.In this study,five methods were selected to evaluate the resource consumption of LFP batteries:abiotic depletion potential(ADP),abiotic depletion potential with anthropogenic resource extension(AADP),surplus ore po-tential(SOP),thermodynamic rarity(TheRy),and cumulative exergy demand(CExD).The results indicate:The ADP value of the LFP battery production process is 2.29E-01 kg Sb eq,with the highest contribution coming from the BMS preparation process,accounting for 85.24%,with gold as the main contrib-uting resource.The AADP value is 2.38E-03 kg Sb eq,with the highest contribution from the positive electrode preparation process,accounting for 50.75%,with cadmium as the main contributing resource.The SOP value is 1.26E+01 kg Cu eq,the contribution of negative electrode preparation process and pos-itive electrode preparation process is higher,accounting for 48.53%and 44.82%respectively,lithium and graphite are the main contribution resources.The TheRy value is 3.18E+03 MJ,with the highest contribution from the positive electrode preparation process,accounting for 55.40%,with aluminum and lith-ium as the main contributing resources.The CExD value of 2.91E+02 MJ,with the highest contribution from the negative electrode preparation process,ac-counting for 56.19%,with copper is the main contributing resource.Key words：lithium iron phosphate batteries；life cycle impact assessment；abiotic resource depletion potential；surplus ore potential；thermodynamic rarity；cumulative exergy demand生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种用于评价产品或服务相关环境因素及其整个生命周期环境影响的工具1。LCA 技术框架可归纳为四个组成部分：目的与范围的定义、清单分析、影响评价以及结果解释，其中，影响评价中矿产资源耗竭的评价研究充满争议，用什么样的度量标准进行评价，科学界没有达成一致意见。矿产资源是人类赖以生存的重要物质基础，正确、全面地对产品的矿产资源消耗状况进行评价，不仅是 LCA 研究体系自我发展和完善的需要，也是提高资源有效利用率、促进可持续发展的依据。目前，国际上矿产资源耗竭特征化方法模型多达 27 种，这些方法模型没有统一的使用标准，各种方法模型都可以被使用。动力电池的主要原料为锂、钴、镍、铝、铜等金属矿产资源，尽管国内金属储存量较高，但相关矿产资源的海外依赖度同样处于较高水平2。磷酸铁锂（Lithium Iron Phosphate Battery，LFP）电池具有循环性能强、成本低和安全性高等多方优势，其产量和装车量在我国一直处于领先地位。伴随着动力电池产量增加，其资源耗竭潜力日渐增大。目前，部分学者20240846Modern Chemical Research当代化工研究基础研究20240846Modern Chemical Research当代化工研究基础研究对动力电池的资源耗竭环境影响进行了研究，李响等3采用 CML-IA baseline 评价方法计算了 LFP 电池、锰酸锂电池（Lithium Manganese Oxide Battery，LMO）和三元锂电池（Nickel Cobalt Manganese Battery，NCM）三种动力电池的非生物资源耗竭潜值，结果得出：在匹配同一款电动汽车的条件下，LFP 电池的资源消耗最大。刘书如4采用 CML-IA baseline 评价方法计算了电动汽车装配不同锂电池的矿产资源消耗特征化结果，结果得出：装配钛酸锂整车全生命周期消耗的矿产资源最多，装配磷酸铁锂整车占装配碳酸锂整车消耗的 94.84%，矿产资源耗竭主要体现在原材料获取阶段和回收再生利用阶段。Mart 等5计算了纯电动汽车和电动汽车金属的热力学稀有度指标，结果得出：纯电动汽车的热力学稀有度是电动汽车的 2.54倍，产生这个结果的主要原因在于金属钴的使用比例。综上可发现，多数研究着眼于使用一种方法比较不同类型动力电池的资源耗竭特征化结果，缺乏分析对比使用不同方法计算一种动力电池的结果差异。本研究基于生命周期评价方法，对 LFP 电池开展资源耗竭环境影响评价，通过应用多种特征化方法量化其环境负荷，旨在为分析动力电池资源耗竭问题提供决策参考和科学依据。1.研究对象和研究方法（1）系统边界与功能单位。本研究以 LFP 电池为研究对象，研究目的在于分析多种资源耗竭特征化方法量化的 LFP 电池资源耗竭环境影响，因此研究的系统边界为 LFP 电池的原材料获取阶段、生产制造阶段和装配阶段，系统边界如图 1 所示。本文 LFP 电池中以每 1 kWh 容量为功能单位，确保不同 LCA 研究之间具备可比性。（2）主要数据来源。本研究选取的 LFP 电池系统的具体参数如表 1 所示。产品生命周期清单数据包括前景数据和背景数据。产品的生产活动水平数据为前景数据，LFP 电池的主要组成部件为正极材料、负极材料、隔膜、电解液、壳体和电池管理系统，各部件所占电池比例数据来源于国内文献2-6，其中，电池管理系统（Battery Management System，BMS）整体组成较为复杂，包括若干个温度模块、电流采集模块等，本研究主要考虑 BMS 主要部件电阻器和晶体管。背 景数据就是输入原料、能源及输出的污染物排放数据，本研究中铜的生产清单数据来源于李昊的研究成果7，原铝的生产清单数据来源于丁宁的研究成果8，石墨负极材料的生产制备数据清单来源于张琪琪的研究成果9。生产和使用阶段消耗的电力、天然气等能源生产与材料运输背景数据取自北京工业大学Sino-center 数据库。由于本研究只考虑资源耗竭环境影响，因此 LFP 电池生命周期阶段所产生的污染物排放暂不考虑。图 1 系统边界表 1 电池包与配套车型参数参数名称单位数量车重kg2380电池质量kg600每百公里耗电量kWh/100km19.5充电行驶里程km300电池容量kWh57总里程km200000电池充放电效率%90能量密度Wh/kg95LFP 电池的生产阶段主要包括电池材料的生产、电芯的生产和电池系统的生产。系统部分由于缺乏实际数据，通过参照国内其他研究中的物料构成进行等比例换算后获得。生产 1 kWh 的 LFP 电池的清单见表 2。表 2 生产阶段物料、能耗、运输服务清单类型名称单位数量物料磷酸铁锂kg2.41E+00石墨kg1.05E+00聚偏氟乙烯kg5.11E-02碳纳米管kg1.45E-01N-甲基吡咯烷酮kg1.25E+00铝箔kg6.02E-01铜箔kg9.04E-01隔膜kg6.10E-01六氟磷酸锂kg2.83E-01碳酸乙烯酯kg7.98E-01碳酸二甲酯kg7.98E-01电芯铝壳kg2.80E-01BMSkg1.58E-01冷却系统kg1.68E-01模组组件kg8.05E-01电池包箱体kg4.37E-01能源电力kWh1.20E+02天然气m32.67E+00运输服务柴油运输tkm2.17E+0020240847Modern Chemical Research当代化工研究基础研究20240847Modern Chemical Research当代化工研究基础研究（3）资源耗竭特征化方法。本研究采用非生物资源耗竭潜值（Abiotic Depletion Potential，ADP）、人为储量扩展的非生物资源耗竭潜值（Anthropogenic Stock Extended Abiotic Depletion Potentials，AADP）和盈余矿石潜力（Surplus Ore Potential，SOP）、热力学稀有度（Thermodynamic Rarity，TheRy）、累计需求（Cumulative Exergy Demand，CExD）五种方法作为 LFP 电池资源耗竭环境影响评价工具。各方法所含特征化因子数据来源于文献调研及SimaPro 9.0 软件数据库10-11。各方法所包含的资源种类各不相同，表 3 给出了矿产资源耗竭特征化因子分类及数量。可以看出，SOP和 CExD 方法的特征化因子既包括了较多的金属及类金属资源，也包括了一定数量的矿物资源，其余方法侧重于评估金属及类金属资源的环境影响，五种方法中只有 ADP 和 SOP 方法涉及了少量非金属资源。表 3 不同特征化方法的资源种类及数量方法名称金属及类金属/个非金属/个矿物/个合计/个ADP499058AADP330033SOP4542675TheRy470653CExD860371232.结果与讨论（1）LFP 电池资源耗竭环境影响。ADP、AADP、SOP、TheRy 和 CExD 五种方法计算的 LFP 电池资源耗竭特征化结果如表 4 所示。表 4 LFP 电池资源耗竭特征化结果方法名称数量单位ADP2.29E-01kg Sb eqAADP2.38E-03kg Sb eqSOP1.26E+01kg Cu eqTheRy3.18E+03MJCExD2.91E+02MJ由 ADP 和 AADP 方法结果可知，加入了人为储量后，LFP 电池的非生物资源耗竭潜值大幅降低，说明LFP 电池生产所消耗的资源在社会上存在大量可回收利用的储量。TheRy 方法相比于 CExD 方法，由于在TheRy 方法的参考环境下资源处于完全耗散的状态，若想开采某一资源则需消耗更多值，因此，TheRy方法的结果远高于 CExD 方法的结果。SOP 方法由于单位不与其他方法统一，无法在数值上与其他方法比较。（2）LFP 电池生产过程的环境影响贡献分析。五种方法下 LFP 电池各生产过程对资源耗竭特征化结果的贡献如图 2 所示，五种方法得出的结果差异较大。除 ADP 方法结果外，其余四种方法的结果中，电池正极制备过程均有明显贡献，其中，在 AADP 和 TheRy 方法的结果中贡献度超过 50%，在 SOP 方法的结果中占44.82%。电池正极的资源耗竭主要体现在正极材料磷酸铁锂以及正极集流体铝箔的制备过程消耗了大量的锂和铝资源。电池负极制备过程在五种方法中的贡献都在 10%以上，其中在 CExD 和 SOP 方法中的贡献最高，为 56.19%和 48.53%。电池负极制备消耗的资源主要是石墨以及铜。BMS 制备过程在 ADP 方法的结果中有显著贡献，占 85.24%，由于本研究只考虑了 BMS系统中的电阻器和晶体管，因此该过程产生资源耗竭环境影响的主要是硅和一些贵金属。图 2 不同方法下 LFP 电池各生产过程的环境影响贡献图 3 使用不同方法计算的 LFP 电池的资源耗竭环境影响贡献（3）不同资源种类的环境影响贡献分析。图 3 为每 1 kWh 容量 LFP 电池的资源耗竭特征化结果，在五种方法结果中影响贡献都较小的资源汇总为“其他资源”。从图 2 可以看出，ADP 方法的结果中，金的环境影响最高，达到 79.37%，铜贡献了少量的影响，占14.41%；AADP 方法的结果中，产生环境影响的主要为镉和铜，分别占 52.28%和 27.70%；SOP 方法的计算结果中，锂和石墨环境影响较高，分别占 41.32%20240848Modern Chemical Research当代化工研究基础研究20240848Modern Chemical Research当代化工研究基础研究和 40.52%；TheRy 方法的计算结果中，铝、锂和石墨贡献了较多的环境影响，分别占 33.69%、33.04%和18.05%；CExD 方法的结果中，铜的环境影响最高，占59.90%，其次为金，占 17.64%。从结果可以看出，铜和金在五种方法的结果中都贡献了较为明显的环境影响，铜有明显贡献的原因主要是铜箔的制造消耗了大量的铜资源。铜在 CExD 方法结果中占主导位置，说明 LFP 电池制造过程所需的金属铜在生产过程中消耗了较高的值。而对于金来说，尽管 LFP 电池中金的用量很少，但是金在 ADP 方法 中贡献度高达 79.37%，这是由于金在地壳中的丰度相对较低，导致其具有较高的耗竭潜力。由于 AADP 方法是在 ADP 方法的基础上在储量的估算值中加入了人为储量，导致铜、金和银三种金属元素的 AADP 方法中的耗竭潜力大幅降低，而金属镉存在于产品中可供回收利用的存量较少，即人为储量较少，使得其在 ADP 和 AADP 两种方法中的耗竭潜力几乎相同，因此导致其成为 AADP 方法中环境影响占比最高的金属元素。金属锂作为 LFP 电池正极材料中主要使用的金属元素，其在 SOP 方法的结果中占主导地位，在 TheRy方法的结果中有较高的环境影响，而在 ADP 和 AADP 方法中的环境影响贡献均小于 1%，这是由于锂的储量相对丰富，但是锂的开采及加工难度较高，具有较高的热力学稀有性，并且持续的开采会对未来金属锂的生产制造产生较大影响。从结果可知，同一种矿产资源在不同的方法中所体现出的环境影响可能会有较为明显的差距。石墨是 LFP 电池负极材料中主要使用的矿物，但是由于只有 SOP 和 TheRy 方法提供了石墨的特征化因子，因此只在这两种方法中具有明显的环境影响，由此可以看出，某一种资源的特征化因子的缺失会对特征化结果造成一定的影响。3.结论（1）使用 ADP、AADP、SOP、TheRy 和 CExD 五种方法计算 LFP 电池的资源耗竭特征化，结果分别为2.29E-01 kg Sb eq、2.38E-03 kg Sb eq、1.26E+0 kg Cu eq、3.18E+03 MJ 和 2.91E+02 MJ。由于各方法基于不同的观点和假设，因此无法直接比较结果的大小，也无法说明使用哪一种方法是最优的，可根据看待资源耗竭问题的角度，选择适当的方法进行评估。（2）对 L FP 电池各部件生产过程资源耗竭环境影响贡献进行分析，忽略一种方法结果中贡献小于 1%的部件生产过程。结果表明：BMS 制备过程在 ADP 方法的结果中贡献最高；电池正极制备过程在 AADP 和TheRy 两种方法的结果中贡献均为最高；电池负极制备过程在 SOP 和 CExD 方法的结果中贡献最高。（3）对不同资源种类的环境影响贡献进行分析，结果表明：ADP 方法的结果中，金为产生主要环境影响的资源；AADP 方法的结果中，镉为产生主要环境影响的资源；SOP 方法的结果中，锂和石墨为产生主要环境影响的资源；TheRy 方法的结果中，铝和锂为产生主要环境影响的资源；CExD 方法的结果中，铜为产生主要环境影响的资源。各方法所包含的资源个数与结果的主导资源不同，可根据产品消耗的资源种类选择合适的方法进行资源耗竭环境影响的评估。【参考文献】1陈莎,刘尊文.生命周期评价与型环境标志认证(第1版)M.北京:中国质检出版社,2014:2-5.2马金秋.匹配不同动力电池的纯电动汽车全生命周期评价研究D.陕西:长安大学,2019.3李响,李柏姝.电动汽车锂电池生命周期环境效益评价J.辽宁:沈阳理工大学学报,2021,40(05):90-94.4刘书如.锂离子动力电池及纯电动汽车生命周期评价对比研究D.陕西:长安大学,2021.5IGLESIAS-MBIL M,VALERO A,ORTEGO A,et al.Raw ma-terial use in a battery electric car-a thermodynamic rarity assessmentJ.Resources,Conservation and Recycling,2020,158:104820.6殷仁述.中国车用锂离子动力电池生命周期评价研究D.湖南大学,2018.7李昊.金属铜生产的全生命周期分析研究D.北京工业大学,2017.8丁宁.典型铝合金的生命周期评价D.北京工业大学,2012.9张琪琪.石墨电极材料的生命周期评价D.北京工业大学,2018.10SCHNEIDER L,BERGER M,FINKBEINER M.Abiotic re-source depletion in LCAbackground and update of the an-thropogenic stock extended abiotic depletion potential(AADP)modelJ.The International Journal of Life Cycle Assessment,2015,20(5):709-721.11SEABRA D,CALDEIRA-PIRES A.Destruction mitigation of thermodynamic rarity by metal recyclingJ.Ecological Indicators,2020,119:106824.【基金项目】国家重点研发计划“稀土永磁产业链全生命周期评价和工艺反馈研究”（项目编号：2022YFB3505204）【作者简介】李晓龙（1999-），男，汉族，北京人，硕士在读，研究方向：材料生命周期工程。【通讯作者】孙博学（1985-），男，满族，内蒙古锡林郭勒人，博士，副教授，研究方向：材料生命周期工程。