超越碳：基于资源的锂离子电池回收和再利用生命周期评估见解

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Beyond carbon: resource-based insights from the life cycle assessment of lithium-ion battery recycling and reuse

　　

向碳中和(CN)的推进正在推动汽车电气化和可再生能源设施的采用，从而增加了对锂离子电池的需求。然而，电池制造涉及CO₂排放，并消耗Li、Ni和Co等稀缺资源。回收和再利用废旧电池对于减少相关环境影响至关重要。在本研究中，研究人员重点关注CO₂排放和资源消耗，这影响着循环经济(CE)。使用总物质需求(TMR)——即所涉及物质的总量，代表每种资源类型的环境影响——作为资源消耗的指标，研究人员发现，在制造过程中，NMC532和LFP电池分别产生1396和931?kg TMR/kWh-cell，并且在使用后对这些电池的正极活性材料和铜进行直接回收可以分别减少599和313?kg TMR/kWh-cell。研究人员还发现，减少TMR有时会导致CO₂排放增加，这表明这两个因素在生命周期评估(LCA)中可能存在冲突。本文提出的LCA框架可以作为实用指南，为技术发展提供方向，以实现同时达成CN和CE的循环电池经济。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
随着汽车电动化和可再生能源设施的大规模部署，锂离子电池的需求急剧增长。然而，电池制造过程不仅产生大量CO₂排放，还消耗Li、Ni、Co、Cu等稀缺矿产资源。2023年生效的《欧洲电池法规》要求申报碳足迹(CFP)并设定回收材料最低含量，凸显了减少碳排放与实现资源循环的紧迫性。采矿活动的扩张导致森林砍伐、河流污染等环境风险，而资源供应可能在2030年后出现短缺。因此，如何在保障电池性能的前提下，同时降低碳排放和资源消耗，成为实现碳中和(CN)与循环经济(CE)的关键挑战。现有研究常单独评估碳排放或资源影响，缺乏将两者纳入统一框架的系统方法，尤其是两者可能存在冲突——降低资源消耗可能伴随碳排放上升，反之亦然。

**研究目的与意义**
研究人员提出了一种基于生命周期评估(LCA)的双指标框架，以CO₂排放和总物质需求(TMR)为评价依据，针对一代电池（从制造到回收再利用）进行量化分析。通过对比镍基(NMC532)和铁基(LFP)两种主流电池，揭示回收与再利用在碳排放和资源消耗上的权衡关系。该研究发表于《JOURNAL OF POWER SOURCES》，旨在为电池循环技术开发提供实践指南，推动同时实现CN与CE的电池循环经济。

**关键技术方法**
研究人员采用基于GREET2020数据集和TMR系数的计算方法，对电池制造、回收和再利用过程中的CO₂排放与TMR进行逐项核算。TMR被定义为从矿石到产品全过程中涉及的物质总质量（包括采矿废石等），用以表征资源开采的环境扰动规模。研究以NMC532电池（LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂正极/石墨负极）和LFP电池（LiFePO₄正极/石墨负极）为案例，数据来源于公开文献。回收过程考察了火法(Pyro)、湿法(Hydro)和直接回收(Direct)三种工艺，并额外评估铜(Cu)闭环回收的影响。关键参数包括制造良率0.87、收集率0.7、材料回收率0.9等，再利用环节设定再利用率0.7、性能比0.85、寿命比0.75。所有结果均以每千瓦时电池容量(kWh-cell)标准化。

**研究结果**

**3.1 制造阶段的TMR与CO₂排放**
通过材料与能量输入计算发现，NMC532电池制造的TMR为1396?kg TMR/kWh-cell，CO₂排放为66?kg CO₂ eq/kWh-cell；LFP电池分别为931?kg TMR/kWh-cell和45?kg CO₂ eq/kWh-cell。两种指标上LFP均低于NMC532，差异主要源于正极活性材料(CAM)类型。此外，铜(Cu)在两类电池的TMR中贡献显著，提示回收铜具有重要价值。

**3.2 生命周期评估**
研究人员对制造、回收和再利用全过程的TMR和CO₂排放进行了五部分核算（A-制造增量、B-回收增量、C-回收减量、D-再利用增量、E-再利用减量）。
- **仅回收正极相关材料时**：三种回收工艺均能使TMR净减少（C > B），再利用也能显著降低TMR（E > D）。直接回收(Direct)的TMR减量最大。但在CO₂排放方面，火法和湿法回收的增量(B)超过减量(C)，导致CO₂净排放增加；而NMC532的直接回收可同时降低CO₂和TMR，但LFP的直接回收CO₂减量较小，可能微弱增加排放。
- **同时回收铜时**：铜回收大幅增强了TMR减量（NMC532增加150?kg TMR/kWh-cell，LFP增加168?kg TMR/kWh-cell），但对CO₂减量的提升效果很小。这表明铜回收对降低资源消耗效果显著，但对碳排放影响有限。

**3.3 TMR与CO₂排放的权衡**
将TMR和CO₂排放绘制于二维图中，直观展示两者可能出现的冲突：火法和湿法回收降低TMR的同时增加CO₂排放；直接回收NMC532可同时降低两者，但LFP的直接回收在降低TMR时可能升高CO₂。比较两种电池，NMC532电池在回收中获益更大，LFP电池获益较小。若在回收前进行再利用，当性能比高于约0.8且寿命比高于约0.5时，再利用能同时减少TMR和CO₂排放。提高收集率、延长电池寿命、发展诊断技术是进一步优化的关键。

**总结讨论与结论**
研究指出，上述结果受技术进步和参数设定影响，应视为相对趋势而非绝对优劣。敏感性分析表明，收集率、性能比和寿命比是重要调节变量。电池追溯性和诊断技术对于提高收集率和再利用比例至关重要。该LCA框架可作为技术开发指南，指导在降低碳排放和减少资源消耗之间取得平衡。

**研究结论**（翻译自原文Conclusion）
基于前期报告[29]的计算方案和条件，研究人员计算了NMC532和LFP电池在制造、回收和再利用过程中的TMR和CO₂排放增量与减量，评估了回收和再利用的效果，并额外评估了铜的闭环回收。得出以下结论：
1) NMC532电池制造的TMR为1396?kg TMR/kWh-cell，CO₂排放为66?kg CO₂ eq/kWh-cell；LFP电池分别为931?kg TMR/kWh-cell和45?kg CO₂ eq/kWh-cell。LFP电池的制造TMR和CO₂排放均低于NMC532，差异主要源于CAM类型。
2) 铜对NMC532和LFP电池制造的TMR均有显著贡献。
3) 仅对CAM进行直接回收时，NMC532和LFP电池的TMR减量分别为449和145?kg TMR/kWh-cell。
4) 在阴极相关材料之外回收铜可增强TMR减量，铜回收对NMC532和LFP电池的TMR增量减量分别为150和168?kg TMR/kWh-cell。
5) 本研究中考虑的火法和湿法回收工艺可降低TMR，但增加CO₂排放，表明TMR与CO₂排放可能相互冲突。
6) 直接回收NMC532电池可同时减少CO₂排放和TMR，但直接回收LFP电池在降低TMR的同时有时会增加CO₂排放。
7) 在减少CO₂排放和TMR方面，回收NMC532电池比回收LFP电池更有效。
8) 在减少CO₂排放和TMR方面，再利用NMC532和LFP电池均有益处。敏感性分析表明，当性能比高于约0.8且寿命比高于约0.5时，再利用可同时减少TMR和CO₂排放。
上述结果随技术进步和计算参数变化而可能调整，分析精度仍有提升空间，因此应视为相对趋势和未来研究方向。但研究结果为确定技术开发优先级提供了有用指导。利用此LCA方法作为技术开发指南，将推动进一步降低CO₂排放和TMR的技术进步，以支持锂离子二次电池的循环社会。