综述：基于生命周期评估的锂离子电池回收路径研究：碳足迹与经济绩效视角

《Journal of Energy Storage》：Perspective of lithium-ion battery recycling pathway considering carbon footprint and economic performance based on life cycle assessment

　　

摘要 未来十年内大量退役锂离子电池（LIBs）的前景既令人担忧又至关重要，鉴于社会电气化进程之快。评估回收过程是可持续资源管理和发展目标的重要组成部分。利用废旧电池中已有的资源对于满足电池制造对原材料的需求至关重要。回收废旧电动汽车（EV）锂离子电池是一种环保的可回收物管理方法，但也带来了决策挑战。我们提出了一项案例研究，利用面向过程的生命周期评估方法优化退役电池处理途径，以提高经济和环保绩效。在寿命终止（EoL）阶段，评估了湿法冶金、火法冶金和直接回收，并考虑了电池剩余价值。对于镍钴锰酸锂（NMC）电池，直接回收产生的利润为 11.01 至 22.99 美元/千瓦时，而湿法冶金和火法冶金回收的利润分别为 -8.31 至 2.66 美元/千瓦时和 -8.59 至 2.41 美元/千瓦时。湿法冶金回收产生的磷酸铁锂（LFP）电池利润最高。电动汽车电池的碳足迹估计值为 49.2 至 81.1 千克二氧化碳当量/千瓦时（kg CO2eq/kWh），具体取决于寿命终止处理。我们的方法包括一种易于使用的评估工具，用于确定退役电动汽车废旧电池的最佳路线。

引言 20 世纪 90 年代初，锂离子电池（LIBs）取得了重大发展，这主要得益于其高能量密度、相对安全性和可充电性。这些优势推动了 LIB 技术的广泛采用和持续发展。因此，LIBs 迅速扩展，主要出现在便携式电子设备、储能系统和电动汽车中 [1], [2]。电动汽车占 LIB 消耗量的 90%，预计到 2040 年将占全球市场所有车辆的 58% [2], [3]。预计未来十年全球电池市场将达到 3600 亿至 4100 亿美元，电动汽车市场预计到 2030 年将占市场的 35% [6]。从商业角度来看，全球大约有 100 亿台便携式电子设备。2010 年代 LIB 市场从 120 亿美元增长到 500 亿美元，2024 年达到 770 亿美元，2031 年达到 1160 亿美元 [2], [4]。《巴黎协定》[8] 中几个国家承诺到 2030 年将排放量减少 45%，到 2050 年实现净零排放 [5], [6]，是推动这一快速增长的因素之一。因此，对原材料的需求量很大。一个基于磷酸铁锂（LFP）的 60 千瓦时电池每包需要 5.7 千克锂、41 千克铁和 25.5 千克磷。到 2050 年，仅预期的 LFP 电动汽车需求（占市场的 60%）每年就需要 72 万吨（Mt）锂 [7]。由于某些国家资源有限，原材料需求增长和供应短缺推高了价格。锂、钴和其他金属的全球储量有限且分布不均，其开采涉及高昂的能源和人力成本以及环境破坏 [8], [9]。

国际能源署（IEA）预测，到 2035 年，全球能源消耗量将每年增加 170 亿吨，导致二氧化碳（CO2）排放增加。尽管仍在使用非碳能源，但效率、节约和脱碳必须仍然是应对气候问题的主要优先事项。能源来源必须与电力系统相连，因为固定和交通部门对能源系统都至关重要。根据 IEA 数据，图 1 说明了到 2050 年各行业的能源需求和 CO2 排放 [10]。主要的能源消费者是建筑、工业和交通（图 1a），而电力行业、工业和交通导致了大量排放（图 1b）。然而，要实现 2050 年净零需求，2050 年排放必须降至零，并在 2030 年和 2040 年显著下降。

从交通角度来看，电动汽车成为一种可行的脱碳选择。尽管如此，尽管电动汽车可以提供清洁电力，但电池制造却是极度碳密集型的。主要依赖原材料开采和精炼的 LIBs 约占电动汽车制造碳排放的 40% [11]。据报道，用新材料生产新电池所需的能量大约是回收的 9 倍，即每千克 LFP 正极约 36 兆焦（MJ）。此外，总体温室气体（GHG）排放约为每千克正极输入 4.8 千克，其中 2.3 千克来自能源需求，2.5 千克来自材料。此外，回收导致正极输入约为每千克 2.4 千克，过程排放 1.3，材料 0.8，能源使用 0.3 [12]。回收电池可以有效减少资源和生态挑战，同时通过减少 5-30% 的环境影响来促进可持续发展 [13]。电池回收减少了电动汽车产生的细颗粒物 17%，从而通过减少垃圾填埋废物和垃圾焚烧来改善空气质量。此外，回收材料显示出矿物质资源短缺潜力减少了 25%，凸显了其在减少原材料使用和阻止资源枯竭方面的重要性。

先前的研究表明，通过生命周期评估评估碳足迹、定价、经济和环保绩效的单独 LIB 回收途径具有实际应用价值。然而，仍有少数建议和调查（见表 1）解决了实施这些系统的挑战。最近的研究表明，城市采矿领域将有利可图。例如，从废旧 LIBs 中提取铜和铝便宜得多。与原材料开采 5500 美元和市场价格 7500 美元相比，通过城市采矿提取铜的标准成本约为 3000 美元。同样，城市铝采矿成本约为 1660 美元，低于 2200 美元的市场价格和 2500 美元的原材料开采成本。这些发现还表明，与原材料开采相比，城市采矿具有市场价值和经济优势。这些观点突出了城市采矿更广泛的经济优势，这超越了回收电子废物 [14]。已有一些举措旨在降低电池成本并减少 LIB 正极中钴的使用，包括回收和开发无钴电池。为了支持电动汽车增长和绿色能源目标，到 2039 年闭环回收可能满足钴年需求的 45.1% 至 59.3% [15]。此外，他们解释说，回收钴的可用性（占 2023 年总量的 5.2%，达到 1.15 万吨）预计到 2040 年将增长 16 倍。相比之下，每吨锂材料可以通过 250 吨锂矿石或 750 吨卤水开采提取。相比之下，浸出仅需 28 吨废旧 LIBs [2]。

寿命终止（EoL）电池的锂回收率可从 0% 到 80%。预计到 2030 年，二次回收来源将仅占锂产量的略高于 6% [22]。供应链的改进还包括减少进口依赖、回收稀缺原材料和减少某些商品的需求。根据世界经济论坛的预测，到 2030 年电池将以更低的成本制造，需要更少的原材料，产生更少的排放，并改善社会成果 [23]。随着退役 LIBs 预计到 2030 年底达到 1100 万吨 [24]，回收将是一个重要的考虑因素。全球金属回收市场预计将从 2021 年的 45.46 亿美元扩大到 2030 年的 228.05 亿美元，年均增长率为 19.6%，由于电动汽车和电池市场表现优异，41% 的市场将用于电动汽车。镍钴锰锂（NMC）、镍钴铝酸锂（NCA）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）和钛酸锂（LTO）预计到 2030 年将分别占北美电动汽车 LIB 回收市场份额的 57%、27%、13%、2% 和 1% [25]。回收材料的效率必须与原材料相当，且总加工成本必须降低，LIB 回收才能盈利。鉴于电池平均成本为 10-26.50 美元/千克，回收理想情况下应产生 2-6 美元/千克以维持盈利并保持与一次资源具有竞争力。预计技术进步将导致进一步的成本降低，增强 LIB 回收相对于一次资源的经济效率和竞争力 [26]。

从制造到 EoL 管理，生命周期评估对于评估 LIBs 的环境影响至关重要。普遍共识是，与立即回收相比，重用电池能最大限度地减少其总体环境影响 [27]。此外，尽管 LIB 系统容量配置在实际部署中起着关键作用，影响经济 [28] 和环境优势 [29]，但往往被忽视。虽然符合应用目标可以提高效率和经济效益，但更大的容量可能会增加维护成本 [30]。电池容量的变化会影响排放 [29]。当前缺乏一致的评估方法，这突出了不同应用需求下退役 LIBs 回收研究的一个主要空白。

在 EoL 阶段，当电池不再适合重用时，回收提供了财务和环境效益。尽管回收能有效地管理废物材料，但面临着盈利和资源利用方面的挑战 [31]。回收使用湿法冶金、火法冶金和直接回收方法，以及各种退役选择 [33]，并组合这些技术以回收有价值的金属 [34]。健康状态（SoH）对各种回收技术性能的影响是回收途径优化中关键但常被忽视的因素 [35]。通过采用生命周期评估技术选择适当的再利用和回收组合，有可能为退役 LIBs 创造环保且经济可行的途径。然而，目前对于退役 LIBs 尚缺乏普遍适用且有效的途径考虑，这导致选择状态不理想、经济绩效减弱和温室气体排放升高。

本研究对当前 LIB 回收研究进行了深入评估，考虑了碳足迹和经济绩效，并弥补了知识空白。分析根据五个研究问题（RQ）组织：(1) LIB 原材料需求；(2) 退役 LIB 材料回收过程；(3) 碳足迹和碳定价的生命周期评估；(4) 回收技术和碳足迹的经济绩效；以及 (5) 未来研究的观点。本研究提供了有关技术突破、案例研究和未来研究方向的结构化信息，是能源存储和碳足迹技术领域学术界和专业人士有用的参考。

本研究的创新之处在于描述了一种退役电动汽车电池的回收途径评估技术，并通过解释全生命周期范围内的经济和环境效益证明其有效性，如图 2 所示。最初，调查了 LIB 原材料（正极、负极、电极和隔膜）以解决全球需求。我们评估了三种回收过程（湿法冶金、火法冶金和直接回收）对寿命终止阶段 SOH 水平在 40% 到 90% 之间的电池的影响。此外，针对不同 SOH（70%、80% 和 90%），我们重点研究 LIB 生命周期的碳足迹和经济绩效，使用常见的正极化学材料：NMC 和 LFP。最后，提出了一种退役 LIBs 回收的可持续废物管理战略。我们关于退役废旧 LIBs 经济和环保途径的决策可以从我们的工作中受益。

收集、处理、回收和处置产生的费用由电池制造商承担。电池制造商、生产商和市场参与者必须免费收集退役 LIBs。构成正极的经济有价值材料（占总成本的大部分）是回收 LIBs 的主要动力。目前仅回收钴（Co）、铜（Cu）、镍（Ni）、钢和铝（Al），基于回收可行性和净收益。石墨很少被考虑；然而，塑料被燃烧以回收能源，锂、钴和锰已使用基于溶剂的提取技术回收。鉴于过量的钴和镍浓度，大多数用于退役 LIBs 的行业回收方法仅专注于 NMC 和 LFP 化学。实施了稳健的回收程序，以从各种材料中回收 LIBs，通过最有效的收入来源优化处理成本，符合减少碳浓度的普遍趋势。

本研究考察了最先进的LIB（锂离子电池）回收工艺，综合考虑了碳足迹和经济表现，并与已有研究进行了比较以识别差距；结果如表2所示。本研究将学习曲线效应和碳定价纳入评估框架，以反映未来市场动态，这与传统的生命周期评估研究不同——后者在固定的经济和环境条件下评估回收系统。学习曲线捕获了湿法冶金、火法冶金和直接回收方法随时间推移的成本可行性，反映了随着综合处理能力和技术经验增加，回收成本的下降趋势。通过为每种回收工艺产生的温室气体排放赋予货币价值，碳定价能够将环境影响即时转化为财务成本。这一组合范式通过同时评估碳足迹、单位利润、技术成本演变和与碳相关的经济影响，为在未来政策和市场情景下比较回收方案提供了更现实的基础。通过提供一个考虑了技术学习和不断演变的碳约束的实用决策支持框架，用于选择可持续的LIB回收路径，这一集成方法在早期基于生命周期评估的研究基础上有所拓展。

本研究的贡献在于：提供了一种综合性的LIB回收路径生命周期评估方法，同时考虑了碳足迹和经济表现。该贡献包含五个步骤。

• 首先，我们提出了LIB的全球原材料需求。
• 其次，我们介绍了三种废旧LIB回收技术。
• 第三，我们提出了LIB回收材料碳足迹及碳定价的生命周期评估。
• 第四，我们分析了三种回收技术在整个电池生命周期中的经济和环保性能及其碳足迹。
• 第五，我们提出了未来研究的展望方向。

## 分析框架

本系统性文献综述遵循一种结构化的多阶段方法论，符合公认标准，以最大限度地减少偏差并提供方法论上的严谨性。这一综合方法由六个连续阶段组成，如图3所示。

### RQ1：LIB原材料需求

LIB包含多种电化学过程，涉及多个组件，如正极、负极、电解质和隔膜。电池材料通常由正极25%–30%、负极15%–30%、电解质10%–15%、电池外壳18%和隔膜3%–4%组成[38]。本研究考虑了不同的化学成分组，即铁基和锰基化学体系，以及具有标准化学计量比的NCA（镍钴铝酸锂）、NMCRQ2中等镍和高镍化学体系。

### RQ2：材料回收工艺

已建立了三种材料回收方法；湿法冶金和火法冶金方法现已在商业环境中使用。直接材料回收的商业应用正在考虑之中。该方法的假设工艺流程图如图4所示。

### 碳足迹

图6展示了2020年电动汽车适用LIB的全球生产碳排放量加权平均生命周期评估，按EoL（寿命终结）处理方式和技术类型分类。鉴于SESS（储能系统）应用中LIB的碳足迹估计值相当，讨论重点集中在电动汽车应用上。以全球电池化学成分采用情况和生产产能作为权重因子，结果表明电动汽车电池组的碳足迹为……

### RQ4：电池生命周期中三种回收技术的经济表现和碳足迹

对于成本效益和可持续性而言，全生命周期至关重要。在此，我们提供了一条针对不同电池类型和SOH（健康状态）比率进行优化的路径。理想方法如图5所示，我们通过将其与传统路径或使用废旧LIB的电动汽车进行对比来评估其有效性。湿法冶金回收在寿命终结时使用废旧LIB，是图7所示传统NMC电池路径的一部分。

### RQ5：结论与展望

本研究评估了经济和碳足迹影响。该评估将用于衡量碳足迹的生命周期评估系统与TEA（技术经济分析）相结合。电动汽车电池的碳足迹估计值为49.2至81.1 kg CO?eq/kWh，具体取决于寿命终结处理方式。已制造的LIB具有最大的生命周期碳足迹。与燃烧相比，回收电池可以降低其碳足迹，具体取决于所使用的回收工艺。研究人员必须解决……

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**CRediT作者贡献声明**

Nabeel Al-Qirim：撰写—审阅与编辑、资源、经费获取、形式分析、数据管理。
Mohammad Kamrul Hasan：撰写—初稿、可视化、资源、方法论、经费获取、形式分析、数据管理、概念构思。
Hussam Al Hamadi：撰写—审阅与编辑、软件、方法论、经费获取、形式分析。
A.K.M. Ahasan Habib：撰写—初稿、可视化、验证、方法论、数据管理、概念构思。

**资助声明**

本工作得到了阿联酋技术创新学院的支持。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

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Nabeel Al-Qirim | Mohammad Kamrul Hasan | Hussam Al Hamadi | A.K.M. Ahasan Habib | Shayla Islam

阿联酋迪拜，宰德大学，技术创新学院