在可再生能源转型背景下，锂离子电池对环境和资源影响的环境生命周期评估

《Journal of Energy Storage》：Life cycle assessment of environmental and resource impacts of lithium-ion batteries under renewable energy transition

　　

摘要

目前对锂离子电池（LIBs）的生命周期评估（LCA）依赖于现有数据，未能考虑到未来电网脱碳的影响。本研究开发了一个耦合的LCA和供应风险评估模型，以评估在中国可再生能源转型期间LiCo_xNi_yMn_1-x-yO₂（NCM）电池的环境影响和资源风险。情景分析进一步预测了未来电力结构优化将如何影响电池的环境和资源性能。结果表明，制造阶段是细颗粒物生成（75%）和矿产资源稀缺（98%）的主要来源。使用阶段是臭氧生成潜力的主要贡献者，而回收阶段则是海洋富营养化、陆地生态毒性和人类致癌毒性的核心源头。供应风险主要集中在锂（34.1%）、钴（28.9%）和石墨（27.9%）上，资源分布的地缘政治集中度是主要驱动因素。在清洁能源情景下，预计到2030年NCM的碳足迹将减少31.2%，而100%的可再生电网可以将生命周期排放量减少约43%。转向锂铁磷酸盐或下一代电池化学成分，结合可再生能源的部署，可能为缓解环境和资源压力提供一条潜在路径。本研究为电池行业提供了基准评估，并为减少LIB生命周期的环境和资源影响提供了参考。

引言

全球气候变化已成为人类生存和发展的重大挑战，加速能源系统的低碳转型已成为全球各国的共识[1]。政府间气候变化专门委员会（IPCC）明确指出，为了将全球变暖限制在1.5°C以内，到2030年全球二氧化碳排放量必须减少约45%，并在本世纪中叶达到净零[2]。交通运输部门占全球直接能源相关二氧化碳排放量的25%，其脱碳过程对于实现气候目标至关重要[3][4]。大规模部署电动汽车（EVs）被视为一种核心解决方案，而锂离子电池（LIBs）作为其核心动力来源，被推到了全球能源转型的前沿[5][6]。行业预测，全球电动汽车销量预计将从2022年的约1000万辆增加到2030年的超过4000万辆，这将直接推动年LIB需求从700 GWh激增至超过3000 GWh[7]。

对LIBs的这种巨大需求将对环境和资源产生严重影响。从环境角度来看，尽管LIBs在使用阶段有效地替代了化石燃料，但其上游制造过程通常能耗高且碳强度大[8]。此外，大量尾矿的产生、重金属渗漏以及矿物提取过程中的淡水消耗对周围生态系统构成了不可逆的威胁[9]。从资源角度来看，中国未来对钴和锰的需求预计将分别超过2022年的生产水平54倍和116倍[10]。按照目前的开采增速，几种关键矿物将面临短期生产瓶颈，而这些资源的高度地缘政治集中度进一步加剧了供应风险。例如，全球超过70%的钴产自刚果民主共和国（DRC），地缘政治风险严重削弱了钴供应的稳定性[11]。同时，与原矿提取相关的非生物资源枯竭潜力也在急剧增加。随着LIBs部署规模的不断扩大，它们的累积资源消耗和环境负担将会大幅上升。因此，全面量化LIBs的生命周期环境和资源影响是评估其真正可持续性的基本前提。

生命周期评估（LCA）是一种系统的环境管理工具，已被广泛用于评估电池的可持续性。基于LCA的生产环境影响评估表明，对于LiCo_xNi_yMn_1-x-yO₂（NCM）电池而言，镍、钴和锰生产过程中产生的颗粒物污染超过了碳排放，由此造成的人体健康损害占电池总影响的62%以上[12]。LIBs在使用过程中由电力驱动，从而避免了直接燃烧化石燃料的排放，使电动汽车的碳足迹低于内燃机车辆[13]。然而，碳排放减少的程度取决于电力结构，不同地区的差异明显。例如，中国西南部和南部的电动汽车具有最大的碳减排潜力，而东北部和北部的电动汽车表现较差[14]。尽管回收可以部分缓解原矿提取的影响，但当前的能力不足以满足大规模生产的需求。此外，传统的火法冶金能耗高且排放量大，而湿法冶金依赖于大量化学试剂，因此会产生显著的污染物排放[15][16][17]。随着可再生能源逐渐成为主导电力来源，与回收相关的全球变暖潜力（GWP）、酸化和富营养化影响均呈现出下降趋势[18]。总之，电池整个生命周期阶段的环境性能与能源结构密切相关。然而，当前的研究大多基于现有的技术水平和能源结构进行评估。在全球能源转型的背景下，缺乏关于未来能源结构动态下电池生命周期环境影响的评估，这阻碍了有效制定和实施能源政策的指导。

近年来，中国风能和光伏发电的安装容量持续增长，而电网的平均碳排放因子稳步下降[1]。一方面，使用阶段的间接排放显著减少；另一方面，电池制造和回收过程中使用的电力结构也变得更加清洁，表明这两个阶段的碳足迹有可能降低[19][20]。然而，现有的LCA研究依赖于当前或历史静态电网数据，未能反映未来电网脱碳的动态过程。在中国“双碳”战略的推动下，可再生能源在电力结构中的占比正在迅速增加。忽视能源结构动态变化对LIBs评估结果的影响将导致在工业技术路径选择和产能部署方面的战略误判。

因此，本研究重点关注在中国广泛使用的NCM电池，不仅对其生命周期碳足迹进行了评估，还系统地评估了全面的环境影响（包括资源稀缺性、人类毒性和生态毒性）。通过将其与关键原材料的供应风险分析相结合，本研究实现了环境和资源风险的协同评估。识别出了电池生命周期中的环境和资源热点，从而指导制造和回收过程的优化，以及能源基础设施的布局。此外，通过将当前政策、清洁能源和100%可再生能源情景嵌入电池LCA模型，量化了能源结构转型对电池生命周期环境性能的影响。另外，还预测了在不同技术发展和能源结构下的未来碳足迹、供应风险和关键金属需求。为制定环境政策和关键金属供应链策略提供了前瞻性科学依据。

本研究的其余部分结构如下：第2节描述了所使用环境和资源评估方法以及具体情景；第3节研究了电池的全谱环境影响和资源供应风险，以及它们在可再生能源情景下的环境和资源性能；最后第4节提出了结论。

章节摘录

研究目的

本研究旨在构建一个基于动态能源情景的生命周期评估模型，以精确量化在中国能源结构优化背景下LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂（NCM111）电池的多维环境影响和资源供应风险。它系统地识别并指出了整个生命周期中环境和资源负担最重的关键阶段和热点。

环境影响结果

图3显示了NCM111电池的生命周期GWP、平流层臭氧消耗（SOD）和电离辐射（IR）情况。制造阶段的这三个指标中数值最高，分别占生命周期总量的51%、61%和52%。电池制造过程中的矿物提取、加工和组装通常直接或间接依赖于化石能源，产生二氧化碳和甲烷等温室气体。

结论

本研究采用LCA与ESSENZ相结合的模型，系统评估了在向可再生能源转型的背景下NCM111电池的生命周期环境负担和资源供应风险。通过建立不同的能源情景，探讨了能源结构优化对电池环境和资源性能的潜在影响。结果表明，不同电池阶段的和环境热点存在差异。

CRediT作者贡献声明

陈全伟：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查研究、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。赵芳：调查研究、数据整理。赖鑫：撰写——审阅与编辑、资金获取、正式分析、概念化。 Chen俊杰：可视化、正式分析。朱志成：数据整理。张文添：调查研究。刘福：监督、资源协调。李宁：资源协调。黄云锋：调查研究。宋小龙：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52277223、52577238、52277222和42471331）、上海理工学院科学研究基金（EGD25QD03）、上海浦江计划（23PJD062）和上海市科学技术发展基金（22ZR1444500）的支持。

陈全伟|赵芳|赖鑫|陈俊杰|朱志成|张文添|刘福|李宁|黄云锋|宋小龙|韩学兵|郑月秀

上海理工学院智能制造与控制工程学院，上海，201209，中国