综述：超级电容器的生命周期评估与生命周期成本核算：对环境与经济影响的全面分析与评价

首页今日动态人才市场新技术专栏中国科学人云展台
BioHot
云讲堂直播会展中心特价专栏技术快讯免费试用

生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏

生物通首页 > 今日动态 > 正文

《ChemSusChem》：Life Cycle Assessment and Life Cycle Costing of Supercapacitors: A Comprehensive Review and Assessment of Environmental and Economic Impacts

【字体：大中小】 时间：2025年09月26日 来源：ChemSusChem 6.6

编辑推荐：

　　中国超级电容器技术环境与经济评估研究综述：摘要中国超级电容器技术环境与经济评估研究综述：关键字

　　随着全球对可持续发展的关注日益增加，能源存储技术在推动更清洁、更可靠和更高效能源系统方面发挥着至关重要的作用。在锂离子电池（LIB）主导的市场中，电化学电容器（ECs）——通常称为超级电容器（SCs）——作为一种有前景的互补解决方案，正逐渐受到重视。SCs以其高功率密度、快速充放电能力、长循环寿命以及在宽温度范围内可靠运行等优势，成为诸如电力备份系统、电动汽车的再生制动系统以及工业应用中需要瞬时能量激增场景的理想选择。这些特性使得SCs在应对能源转型和可持续发展挑战方面展现出独特价值，特别是在减少对关键原材料的依赖和提升整体可持续性方面。

然而，尽管SCs的技术成熟度较高，但关于其在整个生命周期中的环境影响和经济可行性，目前的研究仍显不足。这主要是因为现有研究在系统边界和产品系统方面存在显著的异质性，使得对平均环境影响和成本表现的估算变得困难。此外，对于下一代SCs，如锂离子电容器（LICs）和钠离子电容器（SICs），其可持续性影响尚不明确，进一步凸显了研究空白。因此，需要更全面的可持续性评估，以及方法论上的统一性，以支持未来技术的发展。

为了全面评估SCs的可持续性，研究人员已经采用了一系列系统性方法，如生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCC）。LCA评估从原材料开采到产品报废阶段的环境影响，涵盖碳足迹、资源消耗和废弃物生成等多个方面。LCC则分析生产、运行和报废阶段的累积成本。这些方法为理解SCs设计选择和材料选择如何影响经济可行性和环境表现提供了重要的视角。然而，与LIBs相比，LCA研究在SCs领域仍相对有限。大多数现有研究集中在前驱体碳材料的生产上，而LIBs的研究则扩展到了整个系统层面。这种研究的不均衡性在下一代SCs如LICs和SICs中尤为明显，凸显了亟需填补的研究空白。

在这篇文章中，我们对SCs的LCA和LCC文献进行了全面回顾，涵盖了从传统EDLCs到新兴技术如SICs的所有世代。我们的分析综合了现有研究，指出了方法论的趋势，并评估了SCs技术的生命周期可持续性指标的整体研究格局。此外，我们还识别了需要进一步研究的关键领域，尤其是对于LICs和SICs等下一代SCs，因为目前关于它们的LCA研究非常有限。通过突出这些空白，我们希望激发未来研究的方向，从而更全面地理解SCs的可持续性特征。

在方法论方面，我们进行了广泛的文献检索，利用Google Scholar、Scopus和欧洲共同体研究与发展信息服务（CORDIS）等平台，寻找与SCs和混合电容器（Cap）的可持续性特征相关的研究，特别是那些提供SCs环境影响和成本效率定量分析的研究。LCA和LCC研究使用了不同的关键词组合，例如对于LCA研究，使用了“SC AND (LCA OR environmental impacts)”、“hybrid Cap AND (LCA OR environmental impacts)”等关键词，而对于LCC研究，则使用了“SC AND (LCC OR cost OR CAPEX)”、“hybrid capacitor AND (LCC OR cost OR CAPEX)”等。我们对2010年至2024年间发表的相关研究进行了筛选，其中涵盖了对SCs生产成本和环境影响的定量分析。此外，我们还记录了关于电动移动或静态电力系统中SCs生产描述的研究。

在LCA研究中，共有40个来源被纳入分析，包括学术论文、报告及其他相关出版物。值得注意的是，这些研究不仅涵盖了传统文献，还包含了欧盟框架计划资助项目的成果。例如，有16个欧盟项目关注SCs技术的开发或新型材料的探索，并对其可持续性进行了评估。然而，其中10个项目并未公开其LCA或环境评估的文献资料。只有三个项目提供了相关的信息，其中一项（AUTOSUPERCAP）的成果已经在学术平台上被识别，另一项（NETFICCIENT）则对用于可再生能源支持的SCs进行了初步的环境影响分析，第三项（HYHEELS）则对SCs与不同电池系统在汽车应用中的比较进行了评估。此外，有四个项目（EMPHASIS、GREENCAP、MUSIC和HEDAsupercap）于2023年开始，目前尚未发布相关研究结果。

LCA研究的系统边界和功能单位（FU）定义对于研究的可比性至关重要。在24项研究中，有13项主要关注电极材料的生产，而只有4项具体探讨了SCs的使用阶段。例如，2015年Weil等人对SCs在电动汽车中的应用进行了LCA研究，而2020年Cossutta等人则对石墨烯和活性炭在SC应用中的性能进行了比较。2022年Hatzfeld等人研究了SCs的整个生命周期，评估了其在整个系统中的环境影响。在系统边界方面，16项研究采用了“从摇篮到工厂”（cradle-to-gate）的视角，而6项研究则涵盖了从生产到报废的整个生命周期（cradle-to-grave）。另外，有两项研究采用了“从工厂到工厂”（gate-to-gate）的视角，专注于制造过程的影响，而不考虑更广泛的生命周期阶段。

尽管“从摇篮到工厂”的系统边界在理解供应链和制造阶段的环境影响方面具有普遍价值，但为了全面评估产品的可持续性，仍需关注整个生命周期。系统边界的定义虽然依赖于研究目标和数据可用性，但其选择会显著影响研究结果的代表性。例如，一些研究可能忽略使用阶段或报废阶段的环境影响，从而导致对产品总环境足迹的不完整理解。使用阶段可能涉及能源消耗和排放，这些在SCs的早期生命周期阶段可能未被计入。如果使用阶段的性能因设计不合理或系统退化而下降，可能会掩盖SCs相对于其他系统的内在环境优势。此外，报废管理涉及处理和回收过程，这些也可能对SCs的总体可持续性产生重大影响。因此，忽略回收相关的环境影响，如材料回收率和再加工所需能源，可能会导致对产品环境影响的片面理解。

为了提高SCs LCA的准确性和相关性，未来的研究应采用涵盖所有阶段的综合生命周期方法，从原材料开采、制造、使用到最终报废或回收。这种全面的视角将有助于更准确地理解SCs的可持续性表现，并支持其设计和应用的更好决策。在功能单位（FU）的选择上，LCA中的FU可以根据研究目标、范围和评估技术的特定应用而有所不同。常见的FU包括能量交付单位、存储容量、电容、功率容量、寿命能量总和等。例如，Cossutta等人将FU定义为包含五个电容单元的SC机架，每个单元的电容为5 F。而Glogic等人则定义了1 F的FU，Jiang等人则选择了5 F的FU。此外，还有九项研究采用电极材料的质量作为FU。例如，Wang等人将FU定义为生产1000 kg活性炭电极材料，而De等人则将1 kg Na?Ti?O?作为SICs电极材料的FU。

基于质量的FU对于比较生产方法和筛选电极材料特别有用，尤其是在技术开发的早期阶段。相比之下，基于服务的FU（如在特定电压、温度、工作周期或功率范围下交付的Wh或F）则更适用于表示设备或应用的性能。为了使研究结果在不同研究之间具有可比性，作者应报告FU的操作条件（电压范围、电解质、温度、工作周期和报废标准）。否则，仅以F或Wh为单位表达的数值将难以进行可靠比较。

在数据来源方面，LCA研究通常依赖于原始数据和次级数据。原始数据是专门为研究收集的，例如通过调查、实验或直接观察，而次级数据则包括文献、数据库或之前进行的LCA。次级数据在建模背景过程（如电力混合和供应链）方面往往更高效且成本更低。在本综述中，23项研究包含了原始数据。这些研究主要关注电极材料生产相关的环境影响，例如Weil等人、Sharma等人、Li等人、Glogic等人、Wang等人和Zhang等人。其中，Sharma等人将原始数据归一化为每千克材料生产的FU，而Wang等人则研究了生产1000 kg活性炭电极材料的影响。

在一些研究中，如Jiang等人和Glogic等人，原始数据被归一化为1 F和5 F的FU。Glogic等人收集了实验室规模生产活性炭电极材料的能源消耗和材料输入数据，并进一步建模了假设的工业规模场景，以比较不同规模下的环境影响。Cossutta等人则通过实验室和模拟工业生产的数据，比较了石墨烯和活性炭电极材料的环境表现。这种双阶段方法提供了对规模效应的深入见解。

在环境影响评估方法方面，研究者们采用了多种方法，包括ReCiPe、CML、ILCD、USEtox、IMPACT 2002+和TRACI等。这些方法覆盖了不同的环境问题，提供了对产品或过程潜在环境影响的互补视角。例如，ReCiPe方法涵盖了18种影响类别，包括气候变化、臭氧层破坏、人类毒性、生态系统质量和资源消耗等。在本综述中，气候变化潜力（GWP）是最常报告的影响类别，出现在22项研究中。其他常见类别包括陆地酸化潜力（18项研究）、人类毒性（17项研究）和化石资源枯竭潜力（16项研究）。此外，还有其他影响类别在综述中被提及，如资源消耗、能源使用和废水排放等。

在SCs的环境影响方面，研究表明其性能和材料选择密切相关。例如，Luanwuthi等人比较了油棕榈叶、Sesbania和滤饼作为前驱体材料的环境影响，发现油棕榈叶具有最低的GWP（12.1 kg CO?-eq/kg AC），因为其高比电容（237.6 F/g），从而减少了材料需求。相比之下，滤饼虽然在每千克AC的GWP上最低（11.5 kg CO?-eq），但其电化学性能较差（7.3 F/g），导致每1 F的材料和能源需求更高。Petri等人使用富含木质素的生物消化器废料进行AC生产，并通过KHCO?回收和能源回收显著降低了GWP，达到基线情况的75%。Wang等人研究了工业规模生产高孔隙率AC的环境和经济影响，分析了从原料建立到工厂内加工的整个供应链。

在前驱体材料的选择上，研究者们发现不同的前驱体对环境影响和电化学性能有显著影响。例如，Luanwuthi等人通过比较油棕榈叶、Sesbania和滤饼作为前驱体材料，发现油棕榈叶的环境影响最低，因为它具有较高的比电容，从而减少了材料需求。然而，滤饼虽然在每千克AC的GWP上最低，但其电化学性能较差，导致每1 F的材料和能源需求更高。Petri等人通过使用木质素丰富的生物消化器废料进行AC生产，并结合KHCO?回收和能源回收，显著降低了GWP。Wang等人则研究了工业规模生产高孔隙率AC的环境和经济影响，分析了从原料建立到工厂内加工的整个供应链。

在激活方法的选择上，研究者们发现不同的激活方法对环境影响有显著影响。例如，Wang等人发现，使用KOH激活且不回收的AC生产会导致较高的GWP（62,780 kg CO?-eq/吨AC），而回收KOH可将该值降低75%（15,400 kg CO?-eq/吨AC）。蒸汽激活虽然不使用有害化学品，但其GWP最低（10,200 kg CO?-eq/吨AC），但生产效率略有下降。Zhang等人（2022）强调了酸预处理和KOH激活的环境权衡，发现HNO?处理的污泥结合KOH/C比例为3:1的AC具有出色的电化学性能（287 F/g）和显著的资源消耗和毒性风险降低（超过90%）。

在工艺优化方面，研究者们指出，能量回收、化学回收和使用可再生能源是减少环境影响的关键策略。Petri等人通过结合KHCO?回收、乙醇回收和使用100%可再生能源，将GWP从63.3降低到15.9 kg CO?-eq/kg AC，这是最可持续的路径。Luanwuthi等人和Wang等人强调了回收和能量回收在减少环境负担中的重要性。这些发现强调了需要将材料效率、化学回收和可再生能源相结合，以提高AC生产对SC应用的可持续性。

在敏感性分析方面，研究者们指出，敏感性分析有助于量化模型假设或条件变化对结果的影响。通过敏感性分析，可以识别出对总影响具有最大影响的系统元素或参数。这不仅增强了研究的稳健性和可靠性，还为利益相关者和决策者提供了关键信息。在本综述中，45%的研究进行了与SCs相关的敏感性分析。一些研究评估了生产阶段和使用阶段的电力混合变化，如Zimmerman等人、Cossutta等人、Sharma等人和Melzack等人。例如，Cossutta等人在对石墨烯和AC在SC应用中的LCA研究中，展示了通过更换电力混合（如从欧盟电力混合到挪威电力混合）可以显著减少温室气体（GHG）排放。Wang等人则指出，使用KOH而不回收会导致显著的环境影响，并且可能带来人类毒性风险。因此，KOH的回收再利用被视作一种可行的策略，可以为AC生产带来经济和环境上的双重效益。

在LCC研究方面，本综述共纳入41个来源，包括学术论文、全球报告和市场分析。其中，34篇论文提供了足够的数据用于分析。这些研究主要关注SCs与其他能源存储系统（如铅酸电池或锂离子电池）的成本比较。然而，关于SCs、LICs和SICs的经济性信息仍然有限或完全缺失。在欧洲背景下，发现了8个欧盟资助的项目，其中大部分集中在开发低成本材料上。然而，大多数项目并未提供关于成本分析的信息。只有AUTOSUPERCAP项目的结果已在学术平台中被识别，而其他四个项目（POSEIDON、GREENCAP、MUSIC和HEDAsupercap）则于2023年启动，截至2024年，尚未发现其他相关项目。

在LCC研究中，系统边界和功能单位的选择对研究的可比性至关重要。在34项研究中，大部分研究采用了基于系统组件或基于整个系统的边界。例如，Wang等人在2022年研究了AC生产中的投资成本和运营成本，并评估了不同生产规模下的经济可行性。他们的研究发现，不同生产规模下的投资成本差异显著，且所有场景均产生了正的净现值（NPV），最低的销售价格范围为10.50至13.40 USD/kg。在电池组层面，有11项研究分析了投资成本。例如，Carter等人研究了两种300个SC电池组（1700-2600 F）在电动汽车中的应用，发现至少需要将电池寿命延长50%才能实现成本效益。Wieczorek等人则研究了混合电池组（包含222个SC电池和13至38个并联电池）在电动城市公交车中的应用，发现SCs可以降低电池尺寸和初始ESS价格，以及运营成本。

在LCC研究中，系统应用、边界和生命周期阶段是分析的核心。虽然投资成本是常见的评估指标，但SCs的报废成本很少被提及。此外，对于成本分析，研究的发表年份是一个关键因素，因为技术成熟度、用户需求和更广泛的经济社会条件都会显著影响研究结果。这些动态使得跨研究的直接比较变得复杂，也突显了需要统一环境和成本评估方法的必要性。

总体而言，目前关于SCs的LCC研究仍显零散，且高度依赖于方法论的选择。缺乏统一的系统边界和功能单位，使得跨研究比较和与替代储能技术的比较变得困难。此外，SCs的经济性高度依赖于具体应用，例如在以kWh为单位的成本评估中，它们可能显得不具竞争力，但在以kW或循环次数为单位的高功率、短时间应用中，它们可能表现出更强的优势。这反映了应用在成本分析中的重要性。然而，目前的研究很少系统性地整合这些应用驱动的指标，或考虑退化、回收和第二生命周期等场景，这些都会影响生命周期成本。因此，需要通过标准化和应用导向的LCC方法来填补这些空白，从而实现更可靠的经济评估，并支持SCs的大规模部署。

综述中提到的挑战，特别是阻碍跨研究比较和提取SCs整体环境影响和成本的困难，也突显了需要进一步研究以统一边界并重新计算成本和影响的必要性。这可以通过将已发表的生命周期清单（LCI）调整为共同的参数和边界（如电力混合和系统组件），并使用单一、明确的功能单位作为比较的基础来实现。在解释结果之前，区分生产规模和技术成熟度水平是至关重要的，因为这些因素直接影响研究结果。即使在统一之后，由于缺乏对可比系统级别的分析（如活性材料、电极或特定应用），研究仍可能面临限制和不确定性。因此，通过引入新的评估和可重复的模型，扩大证据基础仍然具有重要意义。

为了提高SCs研究的可比性，研究应注重透明度，包括电力混合（国家和年份）、背景数据库或软件以及生产规模（实验室、试点和工业）的说明。此外，应在相关情况下使用前瞻性电网场景。敏感性分析应涵盖电力混合、规模扩大收益和材料或热量回收，以及报废建模，以增强研究的代表性。对于成本评估，明确研究范围（如CAPEX、OPEX、更换和报废）至关重要，包括时间戳和价格假设（年份、地理和货币），并提供标准化值（如€/kW、€/kWh）和特定生命周期内的总成本（TCO）。测试工作周期和退化耦合场景也应被纳入研究，以实现更稳健和可比的评估，从而更好地指导SCs的可持续设计和部署。

通过统一边界和功能单位，以及采用标准化的评估框架，可以更有效地进行跨研究比较，并提取关于SCs环境和经济影响的更全面的图景。这不仅有助于改进现有的研究方法，还为未来的可持续性评估提供了方向。此外，透明的数据来源和详细的分析方法能够增强研究的可重复性和可追溯性，为后续研究提供基础。在综合考虑SCs的生命周期阶段和应用场景的基础上，研究者们可以更准确地评估其环境和经济影响，从而为技术发展和政策制定提供依据。

综上所述，SCs作为一种具有高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命的储能技术，其可持续性评估仍然面临诸多挑战。为了全面理解SCs的环境和经济表现，需要更多的研究来填补当前的空白。这些研究应采用统一的方法论，涵盖从原材料提取到最终报废的整个生命周期，并结合具体应用场景进行分析。此外，研究者们应关注不同SCs技术（如LICs和SICs）之间的环境影响比较，以及它们与基准技术（如电池）的可持续性权衡。通过这些努力，可以为SCs的可持续发展提供更坚实的理论基础和实践指导。

热点排行

新闻专题

联系信箱：

粤ICP备09063491号