中国车用锂离子动力电池生命周期评价研究

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近年来中国新能源汽车产业蓬勃发展,作为新能源汽车核心零部件,车用锂离子动力电池逐渐成为众多研究者关注的焦点。当前,中国已成为全球车用锂电池第一生产制造大国,随着未来新能源汽车市场占有率不断提高,车用锂电池总体需求量仍将快速上升。而这一庞大需求将给我国资源、能源和环境等各方面带来巨大挑战。为有效应对这一困局,确保新能源汽车产业可持续发展,必须对车用锂电池开展生命周期评价研究,针对其各阶段资源、能源与环境等方面表现进行评估,识别其中的关键环节与关键因素,为进一步开展电池产品生态设计和绿色制造寻找着力点。然而,目前国内针对车用锂电池生命周期评价这一领域的研究尚处起步阶段,存在一系列不足,如缺乏本地化锂电池原材料与工艺过程生命周期基础数据;对电池从车用阶段退役后如何进行重制和二次使用,以及上述过程将对资源、环境带来何种影响等问题鲜有涉及;对报废锂电池回收处置与资源再生过程未做全面考虑等。此外车用锂电池在其全生命周期中可能带来何种外部生态效益?以往研究同样尚未无清晰结论。  针对上述问题,本文主要从以下几方面进行了研究:  (1)全面梳理了国内外已有车用锂电池生命周期评价相关研究情况,针对其存在不足,提出了构建符合中国国情的车用锂电池生命周期评价体系总体技术框架和技术路线。  (2)探讨了车用锂电池生命周期评价的若干关键技术问题。具体包括:确定了建模方法和数据获取原则;选择了生命周期影响评价模型与指标;对部分车用锂电池关键参数(如充放电效率、车辆运行阶段的质量能耗分担系数和循环寿命等)以及电池如何重制和二次利用等问题进行了分析和假定。  (3)构建了适用于生产、回收和运输等不同类型产品系统的通用单元过程模型;从我国锂电池产业链中选择具有代表性的企业收集了相关实景数据(即产品生产过程中的物料、能耗与排放清单),将实景数据代入模型后,逐一计算得到了锂电池材料与工艺的生命周期基础数据,并在此基础上构建了本地化的“中国车用锂离子电池生命周期基础数据库”。  (4)构建了包含重制与二次利用阶段在内的车用锂电池全生命周期影响评价模型,尤其针对回收处置阶段构建了完整覆盖报废电池包所有零部件和组成材料的计算分析模型,并确定了基于容量的主要功能单位和基于释放能量的辅助功能单位。选择了磷酸铁锂/石墨(LFP/C)、镍钴锰酸锂/石墨(NCM/C)和镍钴锰酸锂/钛酸锂(NCM/LTO)等三类车用锂电池产品作为研究案例,分别计算了其与典型纯电动乘用车(EPV)和纯电动客车(EB)平台搭配后的各项生命周期影响,并在此基础上开展了贡献分析和敏感性分析。  (5)设计了没有车用锂电池参与的、由“传统燃油汽车”与“燃气发电调峰”所组成的传统场景(场景1),和有电池参与的、由“电动汽车”与“可再生能源发电-储能系统调峰”所组成的新能源场景(场景2)。将场景2取代场景1后带来的能源节约或环境改善效应定义为电池的潜在生态效益。基于系统动力学软件平台Vensim构建了车用锂电池潜在生态效益动态评价模型,将不确定度较高的外部技术因素和部分电池参数作为动态变量纳入考量,创立若干子模块系统流图并输入相关数理方程。通过系统动态仿真和情景分析,评估了各类车用锂电池在“节能”、“降碳”和“减排”等方面可能带来的潜在生态效益。  本研究构建的本地化锂电池基础数据可为今后相关研究提供数据支持,生命周期评价结果可为企业开展车用锂电池生态设计和绿色制造等工作提供参考,相关研究结论还可为政府部门制定针对锂电池二次利用和报废回收等领域的支持政策提供依据。
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