中國電動自行車動力鉛酸蓄電池生命周期評價

劉巍，田金平，陳呂軍

（1.山東大學 環境科學與工程學院，山東 濟南 250100；2.清華大學 環境學院，北京 100084；3.浙江省水質科學與技術重點實驗室，浙江 嘉興 314000）

本研究基于鉛酸蓄電池產業鏈的廣泛調研，建立了鉛酸蓄電池從搖籃到墳墓的生命周期環境影響評價模型，分析了原材料生產、電池生產、運輸、使用和廢舊鉛酸蓄電池及含鉛廢物回收處理全生命周期的環境影響，識別環境影響的關鍵節點，提出改善鉛酸蓄電池生命周期環境影響的技術政策建議，以期為中國鉛酸蓄電池相關行業鉛污染控制提供方法支持和科學依據。

1.材料與方法

本研究選用電動自行車用動力鉛酸蓄電池為對象，采用ISO14040規定的LCA分析方法，主要包括目的和范圍定義、清單分析、環境影響評價及結果分析。

（1）目的和范圍定義

本研究的目的是評價中國電動自行車用動力鉛酸蓄電池全生命周期環境影響，識別其中關鍵過程和因素，提出相應的改進措施。評價功能單元定義為中國當前平均技術水平生產的1 kW·h的電動自行車用動力鉛酸蓄電池，用來參照各個過程的投入產出和環境影響。動力鉛酸蓄電池是近十幾年來中國增長最快，也是當前產量最多的鉛酸蓄電池，占鉛酸蓄電池總產量的份額超過40%。使用如此大規模的鉛酸蓄電池作為動力電池是中國特有的現象，而電動自行車又是動力鉛酸蓄電池的最大用戶，具有代表性。本研究的系統邊界涵蓋了原輔材料生產、電池生產、電池運輸、電池使用和電池回收處理階段（見圖1）。第一，原材料生產階段：包括電池生產過程所需要的原輔材料的開采、加工和運輸過程。第二，電池生產階段：包括鉛酸蓄電池零部件及電池生產組裝過程。電池生產過程的含鉛廢物進入電池回收處理環節。第三，電池運輸階段：特指鉛酸蓄電池作為產品出廠至達到用戶手中開始使用的運輸過程，主要涉及運輸過程中各種燃油的消耗。其他部分相關的運輸如原輔材料以及廢舊鉛酸蓄電池回收階段的運輸，已經被涵蓋在相應的原材料生產和廢舊鉛酸蓄電池回收處理環節。第四，鉛酸蓄電池使用階段：指用戶拿到電池后到電池報廢的使用過程。電動自行車用動力電池都是免維護密封閥控電池，所以主要涉及電耗。第五，電池回收處理階段：指廢電池回收再生鉛和塑料的生產過程，并假設回收的再生鉛和塑料重新返回市場或電池生產企業（閉環回收）。

圖1 鉛酸蓄電池LCA研究系統邊界

（2）清單分析

清單分析是LCA研究中最繁瑣的環節，需收集各相關環節的資源能源消耗、產品、環境排放及廢棄物等。本研究利用四川大學開發的LCA軟件（eBalance）輔助進行清單分析，軟件安裝有中國本土LCA數據庫（CLCD數據庫）和Ecoinvent數據庫。清單分析中盡可能地采用調研獲得的一手數據，力求反映當前中國技術水平下的鉛酸蓄電池生命周期環境影響，同時也采用了一些已有資料數據進行補充。

①原材料和電池生產

電池生產的主要原輔材料包含鉛及其他金屬、硫酸、隔板、外殼塑料和添加劑等。電池生產的原輔材料消耗、能耗和電池生產過程污染物排放通過企業調研的方式獲取，主要包括查閱企業相關物料消耗統計清單、生產BOM表、環境影響報告書、清潔生產報告和企業訪談等，涵蓋了天能、超威等大型動力電池企業的多個工廠。絕大部分原材料和能源生產的清單數據源自于CLCD的數據庫，個別采用Ecoinvent數據庫和文獻補充。鉛酸蓄電池生產主要原輔材料和能源消耗如表1所示。

②電池運輸和使用

大宗電池原材料（鉛和硫酸）、電池成品和廢舊電池，一般采用大型柴油貨車公路運輸，其他材料采用中型貨車運輸。運輸重量按照電池和相關材料的重量計算，車輛運輸所需油耗信息利用eBalance軟件內置的數據庫查詢，運輸距離按照2015年全國貨物公路平均運輸距離估算。

電動自行車電池屬于免維護密封閥控電池，不需加酸維護，一般也不會泄漏。電池使用過程的電力消耗是使用環節的主要環境影響來源，而電池的電耗主要取決于電池的壽命和充電的效率。按照現行的國家產品質量標準，電動自行車電池的循環壽命要求在70%的放電深度下（depth of discharge，DOD）達到350次。調研表明在實驗室測試條件下，電池的循環壽命（100%DOD）確實能達到生產商宣稱的400甚至500次。然而，因用戶使用習慣和交通路況，電池的實際使用循環壽命遠低于測試循環壽命。一般而言，實際使用中，鉛酸蓄電池循環壽命大約在300次（80%DOD），平均使用1.5 A。充電的效率一般在80%～85%，本研究取82.5%，則1 kW·h電動自行車電池在使用階段需用電291 kW·h，按照電動自行車（4×12 V×20 Ah）行駛100 km電耗1.8 kW·h計算，相當于提供了電動自行車行駛14 500 km距離所需要的動力。

③廢鉛酸蓄電池回收處理

廢鉛酸蓄電池回收可分為火法和濕法冶煉。廢電池處理過程中的資源能源消耗數據主要參考幾家大中型再生鉛企業和文獻，污染物排放采用再生鉛企業調研數據。

生命周期污染物排放清單和后續的生命周期環境影響關系密切，因此在清單分析部分，給出幾種重要污染物在鉛酸蓄電池全生命周期和其中各個階段的排放量，如表2所示。

表1 1 kW·h鉛酸蓄電池生產原輔材料及能源消耗清單

（3）環境影響評價

環境影響評價是將生命周期清單（life-cycle inventory，LCI）利用環境影響評價方法和模型轉化成全生命周期環境影響結果。LCA研究中已有很多成熟的環境影響評價方法和模型，如Eco-Indicator99，CML2002，IMPACT2002+等，可評價不同類型的環境影響。

本研究選取了12個環境影響指標，分為3類：第一類是資源能耗類指標，綜合反映清單中資源能源消耗，包括一次能源消耗（primary energy demand，PED），水資源消耗（water use，WU），中國非生物資源耗竭潛值（Chinese abiotic resource depletion potential，CADP）。 第二類是最常見的幾種環境影響，分別是酸化潛值（acidification potential，AP），富營養化潛值（eutrophication potential，EP），全球變暖潛值（global warming potential，GWP），臭氧破壞潛值（ozone depletion potential，ODP）和光化學氧化潛值（photo chemical oxidation potential，PCOP）。第三類是毒性效應指標，含人體毒性潛值（human toxicity potential，HTP） 和 生 態 毒 性 潛 值（ecological toxicity potential，ETP），其中人體致癌毒性潛值又分為致癌性人體毒性潛值（carcinogenic HTP）和非致癌人體毒性潛值（non-carcinogenic HTP）。環境影響評價部分計算鉛酸蓄電池每個環節以及整個生命周期過程的各種環境影響指標。

2.結果與分析

（1）全生命周期環境影響

電動自行車用鉛酸蓄電池全生命周期環境影響評價結果如表3所示。

以下按3類環境影響，分析鉛酸蓄電池生命周期每個階段對環境影響的貢獻，識別電池生命周期環境影響的關鍵節點和污染因子。

（2）生命周期各階段環境影響貢獻

圖2顯示，一次能源消耗主要是電池使用過程電耗的間接消耗，占全生命周期一次能源消耗的83%。此外原材料生產和電池生產階段分別消耗了17%和11%的一次能源，回收處理階段由于回收了再生鉛和再生塑料而節約了12%的一次能源。淡水資源消耗集中在原材料生產（78%）和電池使用階段（54%），其中最重要的原材料是精鉛（37%）、精錫（19%）和外殼用ABS塑料（13%），電池生產階段水耗僅占5%。非生物資源消耗主要在原材料生產階段（699%）。因鉛酸蓄電池回收性良好，回收處理階段的資源回收相當于節約了很大部分非生物資源消耗（-599%）。

表2 1 kW·h動力鉛酸蓄電池全生命周期主要污染物排放清單

表3 1 kW·h動力鉛酸蓄電池全生命周期環境影響

圖2 鉛酸蓄電池生命周期各階段環境影響貢獻

幾種常見環境影響幾乎均源自于原材料生產和電池使用階段的貢獻，電池生產和運輸階段貢獻相對較少，電池回收處理階段對不同環境影響均有一定的削減作用。具體而言，原材料生產階段分別產生了42%，89%，17%，98%和117%的酸化、富營養化、全球變暖、光化學煙霧和臭氧層破壞潛值，原材料中的精鉛生產對上述環境影響潛值的貢獻分別為36%，86%，13%，68%和105%。AGM隔板和ABS外殼材料分別貢獻13%和14%的臭氧層破壞潛值。具體到各種環境影響的污染因子，酸化潛值的主要污染因子是SO2和NOx，電池使用階段電耗的間接排放是其主要來源。富營養化潛值的主要污染因子是NOx、NH3-N及磷酸鹽，三者排放最多的環節分別是電池使用階段電耗、電池回收階段預處理過程中純堿使用的間接排放及原材料生產階段中精鉛生產過程的直接排放。全球變暖潛值絕大部分由CO2貢獻，主要來自于電池使用階段電耗的間接排放。光化學煙霧主要污染因子是CO，主要產生于電池使用階段電耗的間接排放和原材料生產階段精鉛生產過程。臭氧層破壞主要成因是鹵化烴排放（Halon-1301和CFC-114等），主要產生于電池使用階段電耗的間接排放和精鉛生產過程。

在人體毒性和生態毒性指標中，非致癌人體毒性潛值和總人體毒性潛值在鉛酸蓄電池生命周期各階段的貢獻具有類似的分布，而致癌性人體毒性潛值和生態毒性潛值具有類似的分布。從表1也可看出，非致癌人體毒性潛值遠大于致癌人體毒性潛值，近似等于總人體毒性潛值。為此，進一步分析電池全生命周期各個過程產生的各種污染物對毒性潛值的貢獻。圖3顯示，鉛酸蓄電池全生命周期過程近96%的非致癌人體毒性潛值由大氣鉛排放貢獻，這也解釋了作為鉛酸蓄電池行業鉛污染排放最大的階段，即原材料生產和電池回收處理，是最主要的非致癌人體毒性潛值和總人體毒性潛值的產生階段。具體而言，原材料中精鉛生產過程鉛排放貢獻了126%的非致癌人體毒性潛值，電池回收處理階段的鉛排放貢獻了70%的非致癌人體毒性潛值，回收的再生鉛相當于抵消了112%的非致癌人體毒性潛值。此外，電池生產階段貢獻了全生命周期6%鉛排放的同時貢獻了12%的非致癌人體毒性潛值。

圖4顯示鉛酸蓄電池的致癌人體毒性潛值主要由鉻和鉛兩種重金屬污染物貢獻，其中水體六價鉻排放貢獻了65.4%，大氣鉛排放占30.8%。鉻盡管排放量遠小于鉛，但其致癌效應卻遠超過鉛。精鉛生產過程的廢水鉻排放貢獻了365%的人體致癌毒性潛值，但是電池和含鉛廢物回收的再生鉛相當于減少337%的人體致癌毒性潛值。對于鉛排放也是類似的，原生鉛生產過程的鉛排放產生了40%的人體致癌毒性潛值，再生鉛冶煉過程也產生了23%的人體致癌毒性潛值，但是回收的再生鉛的鉛減排效果相當于減少了36%人體致癌毒性潛值。此外，原料中的精銅生產和電池使用過程電耗也由于鉻排放貢獻了16%和5%的人體致癌毒性潛值，電池生產過程鉛排放貢獻了4%人體致癌毒性潛值。

圖5顯示（水生）生態毒性潛值的污染因子主要是鉻、鋅、鉛和鈷等金屬污染物（僅列出貢獻超過3%的污染物），絕大部分均來自于精鉛生產，此外精錫生產也貢獻了一部分的鋅排放。精鉛生產過程的六價鉻、鋅、鉛和鈷的排放分別貢獻了151%，171%，22%和45%的生態毒性潛值，而回收再生鉛相當于抵消了精鉛生產過程中的諸多金屬污染物，鉻、鋅、鉛和鈷污染物的減排分別抵消了135%，153%，20%和40%的生態毒性潛值。此外，電池使用過程耗電的間接鉻排放貢獻15.7%和5.0%的生態毒性潛值，電池生產過程鉛排放貢獻了6%生態毒性潛值。

圖3 各過程不同污染物對人體非致癌毒性潛值貢獻

圖4 各過程不同污染物對人體致癌毒性潛值貢獻

圖5 各過程不同污染物對生態毒性潛值貢獻

（3）靈敏度分析

靈敏度分析是LCA結果分析的重要環節。靈敏度系數表示某一清單數據變化1%時，引起的LCA結果的變化率，可用來確認生命周期評價中的關鍵過程和參數，進而改善關鍵數據質量和進行LCA結果不確定性分析。表4列出了所有大于10%的靈敏度系數相關的清單數據（黑體顯示）。對LCA結果影響較大的清單數據包括：原材料中的精鉛、精錫和AGM隔板的消耗；電池生產階段中能耗及鉛排放量；電池使用階段的電耗；電池回收處理階段中鉛排放和再生鉛的回收率。本研究原材料消耗、電池生產能耗和污染排放、回收階段鉛回收率和鉛排放等數據主要來自于多家代表性企業的現場調研的一手數據，有較高可信度。電池使用階段電耗可能存在一定的不確定性，其是基于電動自行車電池循環壽命為300次（80%DOD）的假設，因此進一步分析了電池壽命減半情景下對LCA結果的影響。

電池壽命減半，相當于在實際使用中需要2 kW·h電池才能滿足原來1 kW·h電池正常循環壽命電池（評價功能單元）提供的相同電能。可直接用表4中的靈敏度系數計算出LCA結果變化。為方便表達，LCA結果對比中評價的功能單元統一提供1 kW·h電能，如表5所示。電池壽命減半，很多環境影響指標都變化顯著，尤其是資源消耗及毒性類的環境影響，而和能耗相關的環境影響則變化相對較小。因為電池壽命縮減，意味著需要更多精鉛等資源消耗，也將產生更多重金屬排放。

表4 清單數據的靈敏度系數

表5 不同壽命下鉛酸蓄電池LCA結果比較（提供1 kW·h電能）

3.討論

基于上述分析，本研究提出改善動力鉛酸蓄電池生命周期環境影響的建議，也可供其他電池參考。

一是，盡可能延長鉛酸蓄電池的壽命。靈敏度分析表明電池的使用壽命是決定其全生命周期環境影響的一個非常關鍵的參數，電池壽命的提高基本能減少非使用電耗所引起的所有環境影響。優化設計電池極板材料、提高電池制造工藝水平以及一些特殊添加劑的使用都可提高電池壽命。此外，用戶的使用習慣也影響電池的實際使用壽命。智能化充電器的使用可避免電池因過充過放而縮短壽命，同時也可節約使用電耗。

二是，提高資源利用效率，減少有毒材料使用，鼓勵發展新電池技術。電池技術的進步使得行業平均鉛消耗和外殼材料均在不斷下降，鉛酸蓄電池鉛用量繼續下降的空間將逐漸變小，如何減少電池生產過程的廢次品率和含鉛廢物是提高鉛資源效率的關鍵。此外，鉛酸蓄電池領域的一些新技術，如炭鉛電池（儲能）、膠體電池、雙極性電池等，均能提高電池性能，減少鉛消耗量。電池材料的無鎘化是中國鉛酸蓄電池發展的重要趨勢，是近幾年鉛酸蓄電池行業推進的一項重要清潔生產舉措。未來應重點推進電池產品的生態設計，大力發展新的低成本高性能的清潔能源和電池技術，壓減鉛酸蓄電池的市場份額。

三是，完善廢舊鉛酸蓄電池和含鉛廢物的回收和管理，優化回收利用模式和技術，提升鉛再生回收率。廢舊鉛酸蓄電池回收再生鉛和塑料能大大減少自然資源的開采和相關過程能耗，環境效益明顯。中國再生鉛回收率還有很大提升空間，再生鉛冶煉過程的污染控制水平也可進一步改善。鉛酸蓄電池企業應加強產品生產者責任延伸制度管理，鼓勵企業回收自己生產的廢舊鉛酸蓄電池，同時必須對電池生產的含鉛廢物的最終處理處置負責到底。此外，一些電池回收利用模式也可優化，例如有些廢舊鉛酸蓄電池回收企業和電池生產商密切合作，直接從電池回收鉛合金返回給電池制造商，是一種很高效的回收利用模式。近幾年，從廢舊鉛酸蓄電池直接回收高純度鉛粉的濕法回收技術也取得很大進展，是一種新的鉛酸蓄電池高效回收再利用模式，可大幅減少再生鉛冶煉過程的資源能源消耗和污染排放。一些性狀良好的廢舊和廢次鉛酸蓄電池的修復再利用，相當于延長了電池壽命，也具有很好的環境經濟效益。同時需強調的是，必須規范回收處理過程，防范二次污染。

4.結論

第一，在鉛酸蓄電池全生命周期中，原材料生產階段（特別是精鉛生產）是金屬資源消耗的主要階段，從而也貢獻了主要的資源消耗類環境影響；使用階段消耗大量電能，從而也是能源及其相關排放影響（如GWP，AP，EP等）的主要貢獻者；盡管廢舊鉛酸蓄電池和含鉛廢物回收處理過程產生了一部分鉛排放，但是回收的再生鉛等資源相當于抵消很大一部分原材料生產的環境影響；電池生產過程貢獻12%的鉛排放，對其他環境指標也有一定貢獻；電池運輸階段在大部分環境影響中的貢獻都可忽略。

第二，靈敏度分析表明，對LCA結果影響較大的清單數據有：原材料階段的精鉛、精錫和AGM隔板的消耗；電池生產階段中能耗以及鉛排放量；電池使用階段電耗；電池回收處理階段的鉛排放量和再生鉛及塑料的回收率。電池使用壽命下降對絕大部分鉛酸蓄電池的環境影響均較大，但不影響電耗相關的環境影響。

第三，減少鉛酸蓄電池生命周期環境影響的主要措施有：提高鉛酸蓄電池的壽命；提高資源利用效率，重視電池產品生態設計，減少電池生產鉛消耗以及其他重金屬的使用，鼓勵發展新電池技術；完善廢舊鉛酸蓄電池和含鉛廢物的回收和管理，優化回收再利用模式和技術，提高鉛再生回收率，減少回收處理過程產生的二次污染。

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