锂离子电池放电技术的技-环境与生态效率评估：一种回收决策框架

《Sustainable Production and Consumption》：Techno-environmental and eco-efficiency assessment of lithium-ion battery discharge techniques: A framework for recycling decision-making

　　

摘要

向电动出行的转型加剧了对锂离子电池（LIB）高效且可持续回收途径的需求。电池的电放电路径对于回收工艺的工业化放大至关重要，以实现可持续发展目标（SDG）和循环经济的目标。然而，科学文献中缺乏关于LIB电放电技术的环境、技术和经济绩效指标的综合分析信息。为弥补这一空白，本研究提出了一个决策框架，整合了技术环境（TE）、生态效率（Eco）和全局指数（GI）指标，以支持LIB放电技术的比较评估和排序。通过三种LIB化学体系、六种电解液和四种操作配置的组合格式，对十八种电化学放电场景进行了评估。放电实验在22 ± 1 °C的受控实验室条件下进行，持续7小时，最低电压限制为1.5 V。采用原始实验数据评估放电效率、环境影响和运营成本。采用生命周期评估（LCA）方法，使用ReCiPe 2016H中点方法，在摇篮到大门的产品系统下评估工艺的环境绩效。将环境影响指标与效率和运营成本指标相关联，分别计算TE和Eco值。综合分析所提出的GI识别了绩效场景，并揭示了指标间的协同关系。按相关性降序排列，识别出的环境热点为LIB放电过程中的电力消耗和电解液消耗。此外，开发了一个图形决策支持矩阵，以促进场景解释和技术选择。所提出的框架为比较LIB放电技术以及与回收工艺设计、技术选择和可持续废物管理政策相关的决策提供了实用方法。

章节片段

缩略语列表

A	所有因素	LMO	锰酸锂
def	放电效率指标	LOP	土地利用
E	中间得分	M	牺牲金属
Eco	生态效率	MEP	海洋富营养化
EOFP	光化学臭氧形成，生态系统	METP	海洋生态毒性
EoL	寿命终结策略	MgSO?	硫酸镁
FC	固定成本	MgSO?.7H?O	七水硫酸镁
FEP	淡水富营养化	MnSO?	硫酸锰
FeSO?	硫酸亚铁	MnSO?.H?O	一水硫酸锰
FeSO?.7H?O	七水硫酸亚铁	Na?SO?	硫酸钠
FETP

废旧LIB回收的电化学放电技术

LIB的电化学放电依赖于在电池端子和导电溶液之间建立外部电路，其中储存的残余能量通过电极-电解液界面处的氧化还原反应耗散。该过程通过溶液内的离子传导和外部电路中的电子传导同时推进，逐步降低电池电压至安全水平，以便后续拆解和处理。

材料

每个实验方案使用1.0 L放电溶液，由Milli-Q水和以下试剂浓度配制而成：FeSO?·7H?O（0.5 mol·L^?1）、KCl（0.25 mol·L^?1）、MgSO?·7H?O（1.0 mol·L^?1）、MnSO?·H?O（0.5 mol·L^?1）、NaHCO?（1.5 mol·L^?1）和Na?SO?（1.5 mol·L^?1）。所有试剂均为分析纯（纯度≥99%），由Synth?供应，未经进一步纯化即使用。分析了三种不同正极化学体系的LIB：LCO（LiCoO?）、NMC（LiNiMnCoO?）和OCC（其他

结果与讨论

共进行了二十四次测量。对于每种浓度的六种盐溶液，将三个具有不同正极化学体系（LCO、NMC和OCC）的电池浸入其中，并评估了磁力搅拌、溶液循环、向反应介质中添加牺牲金属以及同时应用这三种效应的影响。整个实验过程中，系统温度未显示出发自环境条件的明显偏差（< 2.0 °C）。

结论

本研究系统评估了十八种场景，代表了从LIB中放电残余电能以供回收的不同技术，符合SDG和循环经济的原则。该分析整合了技术、环境和经济维度，并通过一个全局指标进行综合。分析揭示了明显的绩效梯度，并识别了适用于回收工业化实施的更优配置。

CRediT作者贡献声明

Mirian Paula dos Santos：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式化分析，数据管理，概念化。Carla Rafaelli Martins：可视化，调查，形式化分析。Jozue Vieira Filho：写作 – 原稿撰写，验证，资源。Ivan Aritz Aldaya Garde：可视化，资源，调查。Lana Sobral Vieira Escada Monteiro：写作 –

未引用参考文献

Barros等人，2024a

Barros等人，2024b

欧盟委员会 – 联合研究中心 – 环境与可持续研究所，2010

Gaines，2014

Hauschild和Huijbregts，2015

Huang等人，2025

Iturrondobeitia等人，2022

Ji等人，2023

Ji等人，2025

Liu等人，2024

Rouhi等人，2025

Schulz-M?nninghoff和Evans，2023

Singhal等人，2025

Sitcharangsie等人，2025

Son等人，2025

Song等人，2026

Sphera Solutions GmbH和LBP-GaBi，斯图加特大学，2011

Spindlegger等人，2025

Teah等人

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

Mirian Paula dos Santos|Carla Rafaelli Martins|Jozue Vieira Filho|Ivan Aritz Aldaya Garde|Lana Sobral Vieira Escada Monteiro|José Augusto de Oliveira