《Journal of Cleaner Production》：Integrated techno-economic and environmental assessment of lithium-ion battery recycling in Chile
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本研究构建锂离子电池循环价值链评估框架，整合混合电动汽车销量预测、威布尔寿命模型、化学解析质量平衡及蒙特卡洛模拟。以智利为例，预测2045年退役电池达80kt/年，水冶金法使NMC 811电池制造成本降低46%，减排24.4%化石能源，78%硫氧化物，但用水增加。项目净现值中位数58.9亿美元，内部收益率56%-69%，为新兴市场提供可转移决策工具。
Bastian Binder | Ignacio Verdugo | Felipe Escudero | Rodrigo Demarco
智利瓦尔帕莱索，弗雷德里科·圣玛丽亚技术大学工业系，西班牙大道1680号，邮编110-V
摘要
电动汽车（EV）的全球快速扩张是交通脱碳的关键支柱，但同时也加剧了对关键材料供应、电池制造和报废（EOL）废物管理的压力。虽然锂离子电池（LIB）的回收已得到广泛研究，但大多数现有评估集中在成熟市场，并依赖于确定性方法，这限制了其在不确定性下的适用性。本研究开发了一个综合框架，用于评估循环锂离子电池价值链的技术、经济和环境可行性。该框架结合了混合EV采用预测、基于Weibull的EOL电池估算、化学解析的质量平衡，以及使用EverBatt平台进行的技术经济和环境模拟，并辅以蒙特卡洛风险分析。该方法应用于智利这一新兴EV市场的代表性案例。结果表明，到2036年EV的采用率将迅速达到50%，到2045年每年将产生超过80千吨的EOL电池。湿法冶金回收可将NMC 811电池的生产成本降低约46%，并将成本波动性降低37%。环境效益包括化石燃料使用量减少24.4%、二氧化硫排放量减少78%和温室气体排放量减少22.3%，但代价是水消耗量增加。提出的年处理80千吨的设施显示出稳健的财务表现，净现值（NPV）中位数为5.89亿至6.53亿美元，内部收益率（IRR）为56-69%。该框架为支持循环和低碳电池价值链的投资和政策决策提供了一个可转移的工具。
引言
交通运输仍然是全球能源和碳排放最密集的领域之一，约占全球温室气体排放量的23%（IPCC，2022年）。根据《巴黎协定》，到本世纪中叶实现净零排放需要对移动系统进行根本性变革，其中道路运输的电气化成为深度脱碳的基石策略（Horesh和Quinn，2024年；Franzò和Nasca，2021年）。EV销量呈指数级增长，2024年全球销量超过1700万辆（占新车的20%），预计2025年将超过2000万辆（国际能源署，2025年）。然而，这一转型也将环境和经济压力转移到了关键材料供应、电池制造和EOL管理方面，突显了通过循环和低影响回收过程闭合循环的战略重要性。
锂离子电池（LIB）是电动出行的技术支柱，由五个关键组件组成：正极、负极、隔膜、电解质和电流收集器（Yu等人，2023年）。它们的性能主要取决于正极化学成分，目前LFP、NMC和NCA主导着EV应用（Heineke和M?ller，2023年）。每种化学成分都涉及成本、能量密度、安全性和寿命之间的特定权衡。LFP电池具有较长寿命和较低成本下的热稳定性，NMC实现了能量和功率性能的平衡，而NCA则提供了最高的能量密度，但热稳定性较低。图1说明了这些关系，强调了正极选择如何影响车辆设计和回收潜力。正极配方的持续演变要求回收过程具有灵活性和适应性（Harper等人，2019年）。
LIB是通过电化学老化、机械应力和热循环而退化的复杂系统。安全拆卸对于降低火灾风险和避免金属释放到环境中至关重要。然而，这种富含镍、钴、锂和铝的组成使EOL电池成为高价值的二次资源。因此，回收代表了双重机会：减轻关键矿物的供应风险，同时减少提取和废物带来的环境负担（Liu等人，2019年；Jin等人，2022年）。在现有方法中，湿法冶金回收显示出最高的回收率（通常超过90%），并且由于温度条件温和和试剂的闭环使用，其温室气体排放量低于火法冶金（Du等人，2022年；Qing等人，2023年）。然而，该过程在水和化学品消耗方面仍然资源密集，需要针对具体情况进行优化以确保经济和环境可行性（Chagnes和Pospiech，2013年；Kallitsis等人，2022年）。
全球范围内，监管框架正在朝着EPR（生产者责任延伸）方向发展，以确保电池的妥善收集和回收（He和Sun，2022年）。欧盟的电池法规和类似的亚洲政策设定了明确的收集和回收目标，而新兴经济体仍在定义实施路径（Su等人，2025年）。在智利，生产者依法负责电池的EOL管理（环境与可持续发展部，2022a）。鉴于智利作为主要锂生产国的有利地位及其对发展本地增值制造的日益关注，建立国内回收生态系统不仅是环境上的必要之举，也是战略性的工业机会（Dünhaupt等人，2025年）。
准确预测未来的电池废物对于设计可行的回收基础设施至关重要。估算EOL流量需要将EV销售的市场扩散模型与电池寿命的概率分布联系起来。尽管新兴市场的长期数据有限，但结合逻辑（S曲线）和多项式项的混合预测方法能够有效捕捉短期销售动态和长期饱和趋势（Islamovic和Lind，2021年）。将这些预测应用于Weibull寿命函数，可以估算不同车辆类别的随机退役模式（Fallah等人，2021a），从而生成电池废物产生、组成和质量的全面预测。
尽管在生命周期评估和回收技术方面取得了进展，但仍存在显著的知识空白。大多数研究集中在成熟经济体（中国、欧盟和美国），并采用确定性技术经济方法，忽略了金属价格、资本支出和政策激励的不确定性（Chen和Hsieh，2023年；Bl?meke等人，2022年）。此外，很少有研究将EV采用模型与EOL电池预测和随机技术经济分析相结合，这对于量化波动性商品市场的投资风险至关重要。正如Kallitsis等人（2022年）所强调的，将财务指标与生命周期分析相结合对于平衡循环制造中的环境和经济目标至关重要。
此外，诸如“电池护照”之类的数字可追溯性机制的兴起有望提高数据透明度、材料流动跟踪和EPR合规性。然而，将其整合到技术经济或回收链模型中仍处于早期阶段（Berger等人，2022a；King等人，2023年）。通过实现特定化学成分的可追溯性和性能监控，这些工具可能会很快改变回收系统的建模和监管方式，特别是在数据稀缺的地区，如拉丁美洲。
在这项研究中，我们提出了一个全面且可转移的框架，该框架结合了EV销售预测、基于Weibull的EOL估算、化学解析的质量计算以及在价格不确定性下的湿法冶金回收技术经济分析。分析利用了阿贡国家实验室的EverBatt模型（Spangenberger，2019年）来模拟闭环回收和再制造过程，并将其与蒙特卡洛模拟相结合，以量化投资风险和财务稳健性。虽然该方法是在智利这一锂资源丰富、政策活跃但数据有限的新兴经济体中展示的，但该框架可推广到其他追求可持续移动转型的国家。结果有助于设计基于证据的回收策略，使工业竞争力与环境责任保持一致。
部分摘录
EV预测模型
电动汽车销量的预测采用了结合多项式回归和S曲线动态的混合建模方法，既保证了短期准确性，也保证了长期稳定性。这种组合使模型能够捕捉到市场的早期惯性以及技术扩散过程中的典型饱和行为（Islamovic和Lind，2021年）。
通用预测函数
案例研究：应用于智利市场
为了验证和具体化所提出的建模框架，将其应用于智利的电动出行领域，作为一个代表性的新兴市场案例。智利因其加速的EV采用、作为主要锂生产国的战略地位以及最近实施的电池EPR法规而成为一个理想的测试环境。这些特点使该国处于矿产供应、工业发展和环境政策的交汇点，提供了独特的
EV销售预测
使用方程（2）和智利的历史EV销售数据（图5），为2015-2045年期间制定了全国销售预测。分析的起始年份对应于最早的EV销售记录（），而最终年份（）反映了在国家政策目标下的市场全面电气化的预期时间框架（能源部，2021年）。
尽管当前政策预计到2035年将实现向电动出行的完全转型，但更多实证证据表明
结论
本研究开发了一个综合的技术经济和环境框架，用于评估新兴电动出行市场中循环锂离子电池回收和制造系统的可行性。通过结合EV采用预测、基于Weibull的EOL估算、质量流量分析和随机财务评估，该框架为在不确定性下评估循环价值链提供了一个可转移的工具。
应用于智利背景，结果
CRediT作者贡献声明
Bastian Binder：撰写——原始草案、可视化、方法论、数据整理。Ignacio Verdugo：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草案、验证、监督、方法论、概念化。Felipe Escudero：撰写——审阅与编辑、验证、形式分析、概念化。Rodrigo Demarco：撰写——审阅与编辑、验证、形式分析、概念化。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了DeepL来提高语言清晰度。使用该工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对其负全责。
资金
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
