退役動力電池回收再利用碳足跡研究*

徐加雷 余海軍 謝英豪# 張學梅 吳奔奔

(1.廣東邦普循環科技有限公司,廣東 佛山 528137;2.廣東省電池循環利用企業重點實驗室,廣東 佛山 528137;3.湖南大學機械與運載工程學院,湖南 長沙 410082)

我國新能源汽車行業發展迅速,2021年全年新能源汽車銷售量達到352萬輛,新能源汽車保有量達到784萬輛[1]。動力電池是新能源汽車的動力核心。據中國汽車動力電池產業創新聯盟統計,2021年我國動力電池裝機量達到154.5 GW·h[2]。動力電池的使用壽命一般只有5～8年[3],動力電池正在逐漸形成退役市場,并且動力電池所涉及的LiPF6、LiAsF6、LiCoO2、LiMn2O4、炭黑、石墨等21種污染物被列入《電池工業污染物排放標準》(GB 30484—2013)、《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)、《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)、《無機化學工業污染物排放標準》(GB 31573—2015)等國家污染物控制標準[4]。由此可見,退役動力電池回收再利用勢在必行。

2020年中國在聯合國大會上向世界宣布“雙碳”目標后,各行各業對低碳的研究加快了進程。目前,退役動力電池回收再利用對溫室氣體的減排量研究還較少,而分析退役動力電池回收再利用過程中的碳足跡可以更好地指導企業針對性地減少溫室氣體排放,從而更好地實現“雙碳”目標。目前,動力電池生產過程的碳足跡已有較多研究[5-6]。本研究以國內先進濕法回收企業湖南某電池回收再利用企業的實際生產情況為依據,嘗試分析退役動力電池回收再利用的碳減排效果。

1 實驗部分

1.1 系統邊界的確認

本研究關注的是退役動力電池回收再利用階段,以《溫室氣體 產品碳足跡 量化要求和指南》(ISO 14067:2018)為依據,對湖南某電池回收再利用企業的溫室氣體排放進行計算,最終形成退役動力電池回收再利用的碳足跡。

由于目前退役動力電池以低鎳鎳鈷錳酸鋰(NCM111)電池為主,但動力電池的生產已轉向高鎳鎳鈷錳酸鋰(NCM811)電池,因此本研究通過回收NCM111電池的鎳,以等量鎳資源生產1 t NCM811電池的正極材料為目標,進行能源投入、原料和輔料投入以及產品產出分析,進而計算整個回收再利用過程的溫室氣體排放量。

退役動力電池主要靠電池回收網點從消費者手中回收,回收網點多為汽車銷售服務4S店、汽車維修廠等,回收的退役動力電池經過包裝運輸至電池回收再利用企業進行再利用,退役動力電池的再利用主要包括電池包的拆卸、放電、拆解、熱解、破碎、分選等工藝,分離出電池中的各種材料,再對正極進行浸出、萃取、沉淀得到前驅體產品,然后與鋰鹽混合后煅燒,最終得到正極材料。本研究的動力電池回收再利用生命周期范圍從退役動力電池NCM111電池回收到制備得到NCM811電池的正極材料,整個系統邊界如圖1所示。

圖1 退役動力電池回收再利用生命周期系統邊界Fig.1 Retired traction battery recycling life recycle and resue system boundary

1.2 清單分析

在退役動力電池回收再利用的清單分析中,為方便計算,以制備得到1 t NCM811電池的正極材料列出清單,退役動力電池回收再利用的生命周期清單數據主要來源于湖南某電池回收再利用企業的實際生產數據,涉及能源投入、原料和輔料投入以及產品產出。具體的清單數據如表1所示。

表1 退役動力電池回收再利用清單數據Table 1 Retired traction battery recycling and reusing list data

正常使用原生材料生產1 t NCM811電池的正極材料清單數據參考文獻[7],如表2所示。

表2 生產1 t NCM811電池的正極材料清單數據Table 2 Production of 1 t NCM811 battery cathode material list data

本研究只考慮從新能源汽車退役的動力電池,不包括電池生產時產生的殘次品、電池電芯、極片以及檢測報廢的動力電池。退役動力電池回收網點大都在電池回收再利用企業的300 km范圍內,本研究按中間值150 km計算,并根據卡車型號與耗油量計算出柴油用量[8]。運輸過程中使用的包裝箱為退役動力電池專用可重復利用包裝箱,因此可以不考慮廢舊動力電池包使用的溫室氣體排放。廢渣、殘渣和鎳多為無機物,與溫室氣體排放幾乎無關。

1.3 溫室氣體排放量計算方法

溫室氣體排放量計算依據國家發展和改革委員會的《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》,計算方法如式(1)所示。

(1)

式中:Ce為溫室氣體排放量,kg,以CO2當量計;Ei為i原料、輔料、能源或產品的溫室氣體排放因子;Ai為i原料、輔料、能源或產品的消耗量。Ei和Ai的單位根據實際情況而定。

溫室氣體排放因子來源于聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)、國家電網、中國產品全生命周期溫室氣體排放系數庫(CPCFFD)和ECoinvent數據庫(以下簡稱ECoinvent),列于表3中。

表3 溫室氣體排放因子1)Table 3 Emission factors for greenhouse gases

2 結果與討論

經計算得到,正常使用原生材料生產1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量為28.9 t;通過回收NCM111電池生產1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量達到39.8 t,但同時又可獲得碳酸鋰、硫酸錳、硫酸鈷等其他產品,相當于溫室氣體減排量21.4 t,因此通過回收NCM111電池生產1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量為18.4 t,相比正常使用原生材料生產1 t NCM811電池的正極材料減少溫室氣體排放36.3%。

具體分析正常使用原生材料和通過回收NCM111電池生產1 t NCM811電池的正極材料時原料、輔料和能源投入產生的溫室氣體排放量占比,結果分別如圖2和圖3所示。可以看到,正常使用原生材料生產1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量占比最高的前3項依次為硫酸鎳、氫氧化鈉和電,而回收NCM111電池生產1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量占比最高的前3項依次為電、氫氧化鈉和碳酸鈉。由于硫酸鎳是高鎳電池生產中必須的原料,硫酸鎳無法減少使用。因此,正常使用原生材料生產NCM811電池正極材料的溫室氣體減排應關注電和氫氧化鈉。

圖2 原生材料制備時的溫室氣體排放分析Fig.2 Greenhouse gas emission analysis when using virgin materials

圖3 回收NCM111電池制備時的溫室氣體排放分析Fig.3 Greenhouse gas emission analysis when recycling NCM111 battery

假設硫酸鎳、氫氧化鈉及NCM811電池的正極材料生產中能源投入全部轉換為綠色能源,可以得到如圖4所示的溫室氣體排放量,正常使用原生材料生產1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量減少到15.6 t,而通過回收NCM111電池生產1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量減少到1.7 t,相當于分別減排46.0%、90.7%。

3 結 論

通過回收NCM111電池生產1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量為18.4 t,比正常使用原生材料生產1 t NCM811電池的正極材料溫室氣體排放量減少36.3%,建議NCM811電池正極材料生產過程中關注氫氧化鈉和電的溫室氣體減排,如能全部使用綠色能源,則正常使用原生材料和通過回收NCM111電池生產1 t NCM811電池的正極材料凈溫室氣體排放量將相當于分別減少46.0%、90.7%,因此可以從退役動力電池回收再利用及綠色能源導入兩個方面進行新能源汽車動力電池行業的溫室氣體減排。