退役动力电池回收再利用碳足迹研究*

徐加雷 余海军 谢英豪# 张学梅 吴奔奔

(1.广东邦普循环科技有限公司,广东 佛山 528137;2.广东省电池循环利用企业重点实验室,广东 佛山 528137;3.湖南大学机械与运载工程学院,湖南 长沙 410082)

我国新能源汽车行业发展迅速,2021年全年新能源汽车销售量达到352万辆,新能源汽车保有量达到784万辆[1]。动力电池是新能源汽车的动力核心。据中国汽车动力电池产业创新联盟统计,2021年我国动力电池装机量达到154.5 GW·h[2]。动力电池的使用寿命一般只有5～8年[3],动力电池正在逐渐形成退役市场,并且动力电池所涉及的LiPF6、LiAsF6、LiCoO2、LiMn2O4、炭黑、石墨等21种污染物被列入《电池工业污染物排放标准》(GB 30484—2013)、《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)、《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、《无机化学工业污染物排放标准》(GB 31573—2015)等国家污染物控制标准[4]。由此可见,退役动力电池回收再利用势在必行。

2020年中国在联合国大会上向世界宣布“双碳”目标后,各行各业对低碳的研究加快了进程。目前,退役动力电池回收再利用对温室气体的减排量研究还较少,而分析退役动力电池回收再利用过程中的碳足迹可以更好地指导企业针对性地减少温室气体排放,从而更好地实现“双碳”目标。目前,动力电池生产过程的碳足迹已有较多研究[5-6]。本研究以国内先进湿法回收企业湖南某电池回收再利用企业的实际生产情况为依据,尝试分析退役动力电池回收再利用的碳减排效果。

1 实验部分

1.1 系统边界的确认

本研究关注的是退役动力电池回收再利用阶段,以《温室气体 产品碳足迹 量化要求和指南》(ISO 14067:2018)为依据,对湖南某电池回收再利用企业的温室气体排放进行计算,最终形成退役动力电池回收再利用的碳足迹。

由于目前退役动力电池以低镍镍钴锰酸锂(NCM111)电池为主,但动力电池的生产已转向高镍镍钴锰酸锂(NCM811)电池,因此本研究通过回收NCM111电池的镍,以等量镍资源生产1 t NCM811电池的正极材料为目标,进行能源投入、原料和辅料投入以及产品产出分析,进而计算整个回收再利用过程的温室气体排放量。

退役动力电池主要靠电池回收网点从消费者手中回收,回收网点多为汽车销售服务4S店、汽车维修厂等,回收的退役动力电池经过包装运输至电池回收再利用企业进行再利用,退役动力电池的再利用主要包括电池包的拆卸、放电、拆解、热解、破碎、分选等工艺,分离出电池中的各种材料,再对正极进行浸出、萃取、沉淀得到前驱体产品,然后与锂盐混合后煅烧,最终得到正极材料。本研究的动力电池回收再利用生命周期范围从退役动力电池NCM111电池回收到制备得到NCM811电池的正极材料,整个系统边界如图1所示。

图1 退役动力电池回收再利用生命周期系统边界Fig.1 Retired traction battery recycling life recycle and resue system boundary

1.2 清单分析

在退役动力电池回收再利用的清单分析中,为方便计算,以制备得到1 t NCM811电池的正极材料列出清单,退役动力电池回收再利用的生命周期清单数据主要来源于湖南某电池回收再利用企业的实际生产数据,涉及能源投入、原料和辅料投入以及产品产出。具体的清单数据如表1所示。

表1 退役动力电池回收再利用清单数据Table 1 Retired traction battery recycling and reusing list data

正常使用原生材料生产1 t NCM811电池的正极材料清单数据参考文献[7],如表2所示。

表2 生产1 t NCM811电池的正极材料清单数据Table 2 Production of 1 t NCM811 battery cathode material list data

本研究只考虑从新能源汽车退役的动力电池,不包括电池生产时产生的残次品、电池电芯、极片以及检测报废的动力电池。退役动力电池回收网点大都在电池回收再利用企业的300 km范围内,本研究按中间值150 km计算,并根据卡车型号与耗油量计算出柴油用量[8]。运输过程中使用的包装箱为退役动力电池专用可重复利用包装箱,因此可以不考虑废旧动力电池包使用的温室气体排放。废渣、残渣和镍多为无机物,与温室气体排放几乎无关。

1.3 温室气体排放量计算方法

温室气体排放量计算依据国家发展和改革委员会的《省级温室气体清单编制指南(试行)》,计算方法如式(1)所示。

(1)

式中:Ce为温室气体排放量,kg,以CO2当量计;Ei为i原料、辅料、能源或产品的温室气体排放因子;Ai为i原料、辅料、能源或产品的消耗量。Ei和Ai的单位根据实际情况而定。

温室气体排放因子来源于联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)、国家电网、中国产品全生命周期温室气体排放系数库(CPCFFD)和ECoinvent数据库(以下简称ECoinvent),列于表3中。

表3 温室气体排放因子1)Table 3 Emission factors for greenhouse gases

2 结果与讨论

经计算得到,正常使用原生材料生产1 t NCM811电池的正极材料温室气体排放量为28.9 t;通过回收NCM111电池生产1 t NCM811电池的正极材料温室气体排放量达到39.8 t,但同时又可获得碳酸锂、硫酸锰、硫酸钴等其他产品,相当于温室气体减排量21.4 t,因此通过回收NCM111电池生产1 t NCM811电池的正极材料净温室气体排放量为18.4 t,相比正常使用原生材料生产1 t NCM811电池的正极材料减少温室气体排放36.3%。

具体分析正常使用原生材料和通过回收NCM111电池生产1 t NCM811电池的正极材料时原料、辅料和能源投入产生的温室气体排放量占比,结果分别如图2和图3所示。可以看到,正常使用原生材料生产1 t NCM811电池的正极材料温室气体排放量占比最高的前3项依次为硫酸镍、氢氧化钠和电,而回收NCM111电池生产1 t NCM811电池的正极材料温室气体排放量占比最高的前3项依次为电、氢氧化钠和碳酸钠。由于硫酸镍是高镍电池生产中必须的原料,硫酸镍无法减少使用。因此,正常使用原生材料生产NCM811电池正极材料的温室气体减排应关注电和氢氧化钠。

图2 原生材料制备时的温室气体排放分析Fig.2 Greenhouse gas emission analysis when using virgin materials

图3 回收NCM111电池制备时的温室气体排放分析Fig.3 Greenhouse gas emission analysis when recycling NCM111 battery

假设硫酸镍、氢氧化钠及NCM811电池的正极材料生产中能源投入全部转换为绿色能源,可以得到如图4所示的温室气体排放量,正常使用原生材料生产1 t NCM811电池的正极材料温室气体排放量减少到15.6 t,而通过回收NCM111电池生产1 t NCM811电池的正极材料净温室气体排放量减少到1.7 t,相当于分别减排46.0%、90.7%。

3 结 论

通过回收NCM111电池生产1 t NCM811电池的正极材料净温室气体排放量为18.4 t,比正常使用原生材料生产1 t NCM811电池的正极材料温室气体排放量减少36.3%,建议NCM811电池正极材料生产过程中关注氢氧化钠和电的温室气体减排,如能全部使用绿色能源,则正常使用原生材料和通过回收NCM111电池生产1 t NCM811电池的正极材料净温室气体排放量将相当于分别减少46.0%、90.7%,因此可以从退役动力电池回收再利用及绿色能源导入两个方面进行新能源汽车动力电池行业的温室气体减排。