二次电池电极材料环境影响计算系统*

郁亚娟　王聪　王冬　黄凯　陈博

(1.北京理工大学材料学院能源环境材料系　北京100081；2.北京林业大学环境科学与工程学院　北京 100083)



二次电池电极材料环境影响计算系统*

郁亚娟1王聪1王冬1黄凯2陈博1

(1.北京理工大学材料学院能源环境材料系北京100081；2.北京林业大学环境科学与工程学院北京 100083)

摘要以生命周期评价理论为基础，建立了电极材料电化学性能与环境影响的内在量化关联关系分析方法。基于Java语言，设计和编写了二次电池电极材料环境影响综合计算系统，协调考虑了二次电池的循环特性、电化学特征等，实现了环境影响评价过程中对材料质量需求的便捷计算，进而实现了整个评价操作过程的综合化、软件化和信息化，提高了评价效率。选用LiFePO4/C，LiFe0.98Ti0.02PO4/C，LiFe0.98Mn0.02PO4/C和FeF3(H2O)3/C 4种正极材料基于此系统进行了实例应用。

关键词电极材料电化学性能环境影响生命周期评价综合计算系统

0引言

近年来，经济发展和能源需求促进了电池行业的高速发展[1-2]。节能环保的要求、电池功能集成化的快速发展[3]、线性环境管理模式[4]向生态环境管理模式的逐步转变以及镍氢电池[5]和锂离子电池[6]在现代设备中的广泛使用[7]，进一步促进了二次电池行业的快速发展[8-9]。随着报废的二次电池逐年增多，尤其在国内目前针对废旧电池的处理回收技术和管理还比较落后的情况下，它们对人类和环境带来潜在或直接的危害[10]以及资源浪费[11]会日趋明显[12]。

鉴于电子产品的环境影响已成为社会的焦点[13]，二次电池电极材料中含有一定数量的重金属物质及其他有毒物质，具有潜在的环境危害性[14]，因此，对二次电池电极材料进行环境影响评价和优选是十分必要的。本研究基于Java语言，设计和编写了专门针对二次电池电极材料环境影响的综合评价软件(以下简称材料计算系统)。材料计算系统基于Eco-indicator 99(简记为EI99)体系[15]的生命周期评价数据库构建。该软件实现了评价过程中，在特定容量需求和一定循环次数下，每种电极材料四位一体的数据——平均放电比容量、质量需求、总(综合)环境影响值、平均放电比容量不确定性系数(质量需求的不确定性系数)的便捷计算，并能对计算结果存储、导出，从而实现了整个环境影响评价操作过程的软件化和信息化，提高了评价的效率。虽然我们已实现了二次电池的环境影响评价软件[16]，但该软件作为第一代二次电池环境影响评价软件具有一定的局限性，结合二次电池的生命周期评价方法[17]，特别需要强调的是二次电池具有多次循环充电、往复使用的特性。

1系统设计

材料计算系统的总体功能设计思路如图1所示，二次电池电极材料单位质量环境影响值EI(EI值以生态指标分数表示，它是代表某种材料、某个过程或者某一产品的环境影响相对负荷的一个单一数值，生态指标分数越高，对应环境相对负荷就越大，其衡量方式为每一分代表平均一个欧洲居民在一年中环境负荷的千分之一)可以通过集成了Eco-indicator 99体系及丰富的生命周期清单数据库的Simapro软件来计算得出；若输入的循环次数大于几种材料循环次数的最小值，系统会出现相应的提示。

图1　材料计算系统总体功能设计思路

为了使得出的各种材料质量需求的值比较大，以利于区别比较，在取定了容量需求和循环次数之后会用容量需求去除以单次平均放电比容量。另外，由于平均放电比容量与质量需求是线性关系，所以平均放电比容量的不确定性系数也就等同于质量需求的不确定性系数。

2系统实现

2.1程序语言

2.2系统功能

二次电池电极材料环境影响评价过程如图2所示，材料计算系统实现了图中方框内的功能要求。

图2　基于不确定性的二次电池材料环境影响评价实施步骤

材料计算系统实现了输入材料名称及相应单位质量环境影响值并存储，再在设定了统一的容量需求和循环次数后导入材料电化学性能数据进行计算，得出每种材料四位一体的数据，即平均放电比容量、质量需求、总(综合)环境影响值(最终的评价指标)、平均放电比容量不确定性系数(质量需求的不确定性系数)，并能对计算结果存储、导出。

通过比较总(综合)环境影响值即可筛选最优电极材料，实现电极材料的综合量化评估。在后续的评价分析中，在选定最优电极材料的基础上，通过设定总(综合)环境影响值 、平均放电比容量、循环次数3个中的任意2个为定量，另一个为变量，可以得到其他电极材料理论优化潜能，即综合性能被提升的难易程度。通过材料系统的应用，加快了两个方面的运算过程，即：①提取测试得到的电化学性能数据，确定一个标准的容量需求值，选定统一的循环次数，由这些得到每种材料的质量需求量；②确定系统边界，然后确定材料合成过程，再将系统边界内所涉及到的物质与Simapro数据库比对，对数据库中没有的中间反应物，采用回溯的方法，同时查阅文献获取相关数据以补充和简化清单分析，随后可通过Eco-indicator 99体系得到材料合成的物质流和相应的EI流，进而得出单位质量电极材料的EI值。在知道电极材料质量需求和单位质量电极材料EI值的基础上，可以得到综合EI值。

上述功能的实现，以建立二次电池电极材料的电化学性能与其环境影响的量化关联(如式(1)、式(2)、式(3)所示)为基础。这一量化关联是指：一方面，对于一种电池电极材料，可以通过生命周期评价得到单位质量的材料对环境的影响值，即Eco-indicator 99体系里的EI值，根据EI值，可以了解到它的环境友好程度；另一方面，对于一种电极材料，其电化学性能的主要表征为放电比容量以及循环性能，其中循环性能又包括循环次数和循环衰减程度，如果它具有较高的放电比容量以及较多的循环次数和较低的循环衰减程度，那么在满足一定外界容量需求的情况下对它的数量需求会相应较少，较少的使用量也意味着一方面的环境友好。因此，这一量化关联是在Eco-indicator 99的基础上建立的，用以实现电极材料的综合评价优选。

(1)

式中，Ci表示循环次数为i时电极材料的放电比容量，Ctotal表示循环次数为k时前k次的放电比容量之和。

mr=Cr/Ctotal

(2)

式中，Cr表示外界容量需求，mr表示在一定容量需求下相应的电极材料的质量需求。

EIc=mr×EIm

(3)

式中，EIm表示通过Simapro操作得到的单位电量电极材料的EI值，EIc表示在Cr下电极材料的EI值，是评价的最终指标。

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2.3系统安装与界面实现

在分别安装jdk.exe，mysql.exe，mysql-front.exe，tomcat之后，按路径E:/tomcat6/bin(以本软件所安装电脑为例)找到startup.bat文件并双击打开。打开浏览器，在地址栏输入127.0.0.1:8080/material并按回车键，出现材料计算系统的登陆页面，登入系统后，会出现有计算结果显示、查询、添加新的计算的功能界面。

3系统应用

3.1材料输入与保存

在本系统的编程和安装运行实现完成以后，可以选取一定实例进行计算。拟取4种正极材料LiFe0.98Ti0.02PO4/C，LiFe0.98Mn0.02PO4/C，LiFePO4/C，FeF3(H2O)3/C为计算对象进行实例应用。在首页点击“系统管理”，进入“系统管理”界面，点击“材料管理”之后点击“添加”，会出现材料及其单位质量环境影响值添加界面，再进行相应的添加并保存(为了跟后续需要导入的Excel表格的工作表名字对应，材料名称都去掉“/C”以进行简化)。对4种正极材料的输入都完成以后，材料名称和相应数据会在材料列表中显示并用于后续计算。接着点击“首页”，然后点击“新实验”，会出现材料的实验数据添加及最终计算界面。

3.2材料计算与输出

在材料的实验数据添加及最终计算界面自定义实验名称，实验数据选取分别以4种材料名字命名的4个Excel文件“材料数据.xlsx”(电化学性能数据)，再输入功能需求值“10 000”，限定次数“50”，然后点击“计算”，会出现如图3所示的计算结果。

图3　统一的容量需求和循环次数下电极材料的计算结果

这个界面中，显示了每种材料四位一体的计算结果。通过比较总环境影响值即可筛选最优正极材料，总环境影响值越小，其环境友好性越好。

在此页面点击“导出”，会出现如图4所示的下载页面，最终结果可以Excel表格的形式导出。

图4　计算结果导出页面

4结语

鉴于目前还没有进行二次电池电极材料环境影响综合评价的软件，本研究在建立了正极材料电化学性能与环境影响的内在量化关联关系分析方法的基础上，基于Java语言编写了二次电池电极材料环境影响综合计算系统。本系统以生命周期评价(LCA)理论为基础，选用Eco-indicator 99体系作为评价的标准体系，其环境影响评价的结果具有可靠性。本系统实现了二次电池电极材料环境影响评价过程中对材料质量需求的便捷计算，进而与Simapro软件一起实现整个评价框架操作过程的软件化和信息化，提高了评价的效率。文中以4种正极材料为对象展示了材料计算系统的主要功能，证实了系统的可行性。本系统将环境保护与软件技术相结合，希望有助于基于计算机技术的环境保护和污染防治。下一步研究中可尝试取得国外大型软件生产商的许可，将材料计算系统与一些商业化LCA软件通过COM接口连接，从而更加完善结果分析，加强评价结果输出的层次化和多样化。

参考文献

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Design and Construction of Comprehensive Environmental Impact Computing System for Electrode Materials of Rechargeable Batteries

YU Yajuan1WANG Cong1WANG Dong1HUANG Kai2CHEN Bo1

(1.DepartmentofEnergy&EnvironmentalMaterials,SchoolofMaterialsSciences&Engineering,BeijingInstituteofTechnologyBeijing100081)

AbstractThis article has established a quantified association between electro-chemical performance and comprehensive environmental impact for the electrode materials of rechargeable batteries based on the methodology of Life Cycle Assessment (LCA). A comprehensive environmental impact computing system for the electrode material of rechargeable batteries is designed and constructed in Java. The software can realize the convenient and fast calculating for the masses of materials which is needed in the process of environmental impact assessment and balance the software’s function between cycle performance and electric characteristics. Also, almost all the assessment procedures can be conducted through the software which will improve the efficiency of assessment. Four types of positive pole materials, LiFePO4/C, LiFe0.98Ti0.02PO4/C, LiFe0.98Mn0.02PO4/C, FeF3(H2O)3/C, are taken as examples to be applied.

Key Wordselectrode materialelectrochemical performanceenvironmental impactlife cycle assessmentcomprehensive computing system

*基金项目：国家自然科学基金(51474033，41301636)，国家科技支撑计划(2012BAD15B05)。

作者简介郁亚娟，女，1978年生，博士，硕士生导师，副教授，主要研究方向：环境材料评价与管理。

(收稿日期：2015-04-17)