面向歐盟《電池和廢電池法規(guī)》動力電池碳足跡的減排路徑與情景

張 純,江婷婷,王 蒙,程云鶴

(1.中創(chuàng)新航科技集團股份有限公司,江蘇 常州 213200;2.安徽理工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,安徽 淮南 232000)

0 引言

隨著能源消費與環(huán)境污染問題逐漸被國際和國內(nèi)社會廣泛認知[1],溫室氣體排放和產(chǎn)品碳足跡已成為歐洲地區(qū)的關(guān)注焦點。2023年6月14日,歐洲議會通過歐盟《電池和廢電池法規(guī)》(簡稱新《電池法》),并于同年8月17日在歐盟正式生效。該法規(guī)引入了數(shù)字電池護照的概念,通過二維碼在線訪問電池的全生命周期數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包括電池的基本信息、價值鏈主體信息、可持續(xù)性與循環(huán)性信息、性能與耐久性信息以及碳足跡信息。根據(jù)法規(guī),從2024年7月1日起,動力電池及工業(yè)電池必須申報產(chǎn)品碳足跡,至少需要提供電池廠家信息、電池型號、原料(包括可再生部分)、電池碳足跡總量、電池不同生命周期的碳足跡、第三方認證報告以及能夠展示碳足跡的鏈接等信息[2-3]。從2025年2月18日起,電動汽車電池的碳足跡將強制執(zhí)行,而從2026年起,大于2 kWh的電池必須擁有電池護照才能進入歐盟市場[4]。

為了探究中國電池工業(yè)的生產(chǎn)水平和碳足跡現(xiàn)狀,突破歐盟貿(mào)易壁壘,提高國內(nèi)動力電池的出口競爭力,有必要對動力電池的碳足跡減排路徑進行梳理,故本文以中國領(lǐng)先的鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)的暢銷電池產(chǎn)品為研究對象,深入剖析當(dāng)前電池各環(huán)節(jié)的碳足跡水平,并分析在新《電池法》約束下的實際減排效果。

1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池是一種將化學(xué)能或物理能轉(zhuǎn)化為電能的儲存裝置,如圖1所示。在電池充電過程中,Li+從正極脫出并嵌入負極晶格;而在放電過程中,則相反,Li+從負極脫出并嵌入正極。由于鋰離子在正負極之間具有相對穩(wěn)定的空間和位置,電池的充放電過程具有較好的可逆性,從而保證了電池的循環(huán)壽命和工作的安全性。

圖1 鋰電池電化學(xué)原理Fig.1 Lithium ion battery electrochemical principles

在電池行業(yè)或企業(yè)內(nèi)部,通常Ni的質(zhì)量分數(shù)即為電池系數(shù),如常見的622電池和811電池也被稱為6系和8系電池,本文研究的NCM三元電池中Ni占56%,即電池系數(shù)為56%,被稱為5系電池,下文均以5系電池指代本文研究的電池對象。

2 LCA方法學(xué)與CFP建模

2.1 LCA方法學(xué)

生命周期評價(life cycle assessment,LCA)方法學(xué)用來評估產(chǎn)品或設(shè)施在整個生命周期中對環(huán)境的影響,國際標準化組織發(fā)布的ISO 14040提供了評價標準的“原則和框架”、“要求和指南”的大綱[5-6]。ISO 14067將環(huán)境因素中的碳足跡從上述標準中分離出來,形成了單獨的標準。

歐盟對環(huán)境影響的量化評估主要基于環(huán)境足跡核算方法(product environmental footprint,PEF),并由此延伸拓展出歐洲產(chǎn)品環(huán)境足跡類別規(guī)則(product environmental footprint categories rules,PEFCR)。其中,針對電池的PEFCR對電池全生命周期中的碳排放進行了詳細的數(shù)據(jù)測算和收集。

電池產(chǎn)品的生命周期碳足跡系統(tǒng)邊界可以分為“從搖籃到大門”(從資源開采到電池生產(chǎn))、“從大門到大門”(僅考慮電池制造)、“從搖籃到墳?zāi)埂?從電池生產(chǎn)到電池退役報廢的傳統(tǒng)全生命周期)以及“從搖籃到搖籃”(考慮電池材料回收和再制造的新型全生命周期)。

隨著鋰離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和新《電池法》的頒布,廢舊電池的材料回收與再制造以及電池的碳足跡成為電池乃至新能源行業(yè)的熱點。本文將從電池生產(chǎn)的角度基于LCA分析框架,結(jié)合ISO 14067與PEFCR,并參考歐盟聯(lián)合研究中心發(fā)布的《電動汽車電池碳足跡核算指南——最終稿》,研究電池從“從搖籃到大門”階段的碳足跡。

2.2 CFP建模

產(chǎn)品碳足跡(carbon footprint of products,CFP)基于ISO 14040與ISO 14044標準的研究方法,評估產(chǎn)品生命周期中的碳排放變化情況。通常利用LCA分析軟件對產(chǎn)品進行建模分析,目前常用的商業(yè)軟件有GaBi、SimaPro、eFootprint等,它們內(nèi)置了眾多數(shù)據(jù)庫,提供了豐富的背景數(shù)據(jù)。對于實景數(shù)據(jù),則需要通過調(diào)研本土化數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

計算電池產(chǎn)品的碳排放主要涉及物質(zhì)流和能量流。其中,物質(zhì)流主要指原材料獲取階段的碳排放,能量流則指電池生產(chǎn)階段的能耗碳排放。因此電池產(chǎn)品的碳排放主要分為原材料獲取階段的碳排放和電池生產(chǎn)階段的碳排放。

本次研究以5系NCM動力電池為研究對象,使用GaBi軟件10.7版本分析電池產(chǎn)品“從搖籃到大門”階段的碳足跡(即從資源開采到電池生產(chǎn))。考慮電池通常以kWh作為能量單位,因此提前將電池物料生產(chǎn)的BOM表轉(zhuǎn)化為每kWh單位的用量。

在原材料碳排放因子中,正極前驅(qū)體、正極材料和負極材料使用建模計算的實景數(shù)據(jù),而正極集流體、負極集流體、隔膜、導(dǎo)電劑和殼體則使用調(diào)研獲得的實景數(shù)據(jù),其他材料因子使用GaBi軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫和Ecoinvent數(shù)據(jù)庫。

負極石墨制備工藝CFP建模如圖2所示,人造石墨負極材料大都以石油焦、針狀焦為原料,原料經(jīng)過粉碎、混料、石墨化、碳化、成品等工序制備而成。

圖2 石墨制備工藝CFP建模Fig.2 CFP modeling of graphite preparation process

正極前驅(qū)體制備工藝CFP建模如圖3所示,三元前驅(qū)體制備采用共沉淀濕法工藝,將硫酸鎳、硫酸鈷、硫酸錳配置成一定摩爾濃度的混合鹽溶液,加入氫氧化鈉配置成一定摩爾濃度的堿溶液,使用氨水作為絡(luò)合劑,再加入惰性氣體氮氣,避免金屬離子鎳和錳被氧化。再經(jīng)過配料、沉淀、洗滌、烘干、除鐵包裝,最終完成三元前驅(qū)體的制備[7]。

圖3 正極前驅(qū)體制備工藝CFP建模Fig.3 CFP modeling of positive precursor system preparation process

正極材料CFP建模如圖4所示,將鎳鈷錳三元前驅(qū)體材料、碳酸鋰(或氫氧化鋰)和其他輔材按照一定的配比進行高溫固相合成,通過反復(fù)混料、燒結(jié)、制粉等工藝流程,最終得到合格的鎳鈷錳酸鋰電池正極材料。

圖4 正極材料CFP建模Fig.4 Modeling of positive electrode material CFP

電芯生產(chǎn)制造工藝建模如圖5所示,分為制卷、制芯以及化成。制卷工藝包括正極合漿、正極涂布、正極輥切與負極合漿、負極涂布、負極輥切等。制芯工藝包括模切、卷繞、裝配。化成工藝包括干燥、注液、分選定容、OCV測試。

圖5 電芯生產(chǎn)制造工藝建模Fig.5 Cell manufacturing process modeling

2.3 碳足跡LCA分析

通過GaBi軟件建模計算得到5系電芯碳排放為112.7 kg CO2-eq/kWh(圖6),其中,正極部分碳排放占比最高達53%,負極占比17%,能耗階段排放主要分為電力消耗碳排放與天然氣(涂布烘箱,除濕)燃燒排放,共占比20%,其他裝配階段占比10%,見圖7。

圖6 電芯產(chǎn)品總碳排放Fig.6 Total carbon emissions of cell products

圖7 電芯碳排放結(jié)構(gòu)Fig.7 Carbon emission structure of cell

材料獲取階段包含正極材料、負極材料、電解液、外殼等原材料從搖籃到大門的階段。原材料碳排放結(jié)構(gòu)如圖8所示,在電芯產(chǎn)品碳排放中,原材料獲取階段的占比高達80.12%,其中正極材料在原材料排放中占比58%。

圖8 原材料碳排放結(jié)構(gòu)Fig.8 Carbon emission structure of raw materials

正極材料生產(chǎn)(32.9 kg CO2-eq/kWh)主要包含前驅(qū)體制備、混料、燒結(jié)、制粉、篩分除鐵、包裝等過程。正極材料碳排放結(jié)構(gòu)如圖9所示,其中前驅(qū)體制備過程的碳排放占比最大,占正極材料過程的85%。

圖9 正極材料碳排放結(jié)構(gòu)Fig.9 Carbon emission structure of cathode material

前驅(qū)體制備(18.18 kg CO2-eq/kWh)主要包含配料、沉淀反應(yīng)、洗滌、烘干及除鐵包裝等過程。正極前驅(qū)體碳排放結(jié)構(gòu)如圖10所示,其中硫酸鈷碳排放占比最大,占5系電池前驅(qū)體制備過程的65%。

圖10 正極前驅(qū)體碳排放結(jié)構(gòu)Fig.10 Carbon emission structure of positive precursor

3 電池降碳路徑方向

電池碳足跡減排的主要路徑包括提升電氣化率、節(jié)能改造升級[8]、提升可再生能源比例與循環(huán)再生材料的使用。

提升電氣化率的主要措施包括將物流運輸和轉(zhuǎn)運電氣化、涂布烘箱電氣化。節(jié)能改造方面,改進生產(chǎn)布局,實施烘箱余熱回收等措施[9]。此外,通過對5系電芯碳足跡的研究分析可知,正極材料在電芯總碳排放中占比最高,達到46.35%,而能耗(電力、天然氣)碳排放約占電芯總碳排放的20%。

由于電氣化率和節(jié)能改造具有項目特殊性,無法進行大范圍推廣,故本文主要針對可再生能源(綠色電力)與再生材料的研究。

3.1 可再生能源

可再生能源的使用可以從兩個方面來考慮,電池生產(chǎn)的能耗和供應(yīng)鏈可再生能源的使用比例。國內(nèi)常見的可再生能源主要有風(fēng)電、光電、水電。但值得注意的是水電尚未被歐盟認定為可再生能源。

3.2 循環(huán)再生材料

循環(huán)再生材料是指經(jīng)過一次生命周期循環(huán)后,通過制備工藝制成的再生材料。使用循環(huán)再生材料可以減少產(chǎn)品的碳足跡,其原理主要是通過將原材料經(jīng)過一次生命周期使用后,制備成再生材料,從而省卻了資源礦產(chǎn)階段的能源消耗。具體的減排原理和模型公式如下。

C原生=Cmaterial+Ctransport+Cproduction

式中,Cmaterial為原材料開采獲取階段能耗碳排放;Ctransport為運輸階段碳排放;Cproduction為原材料制備生產(chǎn)工藝能耗碳排放。

C再生=Crecycle+Cregeneration

式中,Crecycle為回收材料工藝能耗碳排放,Cregeneration為再生材料制備工藝能耗碳排放。

則回收材料減排量為:

C=C原生-C再生。

電池正極材料的回收方法主要包括火法回收、濕法回收和直接回收。這些方法在回收工藝、回收產(chǎn)物和能耗方面各不相同。

火法回收[10]使用高溫熔煉去除黏結(jié)劑和隔膜等有機材料,通過碳還原劑生產(chǎn)含有鎳、鈷、銅的金屬合金。該方法過程簡單,無需預(yù)處理,是目前成熟的商用回收方法。然而,該回收方法的高能耗過程會導(dǎo)致大量的碳排放。

濕法回收[11-12]是將廢舊鋰電池中的金屬從固態(tài)材料轉(zhuǎn)移到浸出液中,其工藝類型主要包括無機酸浸、有機酸浸、堿浸、還原性浸出和強化浸出。常用的有機酸包括檸檬酸、蘋果酸、草酸、乙酸和抗壞血酸,并且在不同的研究中都表現(xiàn)出較好的金屬浸出效果。

直接回收法[13],也被稱為是物理直接修復(fù)法,即用鋰的工藝形式對正極材料進行修復(fù)再生。

考慮火法回收的高能耗過程會直接產(chǎn)生大量的碳排放,以及目前直接回收法的技術(shù)路線尚不夠成熟,本文采取以濕法回收路徑研究正極再生材料的減排水平。同時,水電的綠色可再生能源屬性在新《電池法》中尚未明確,故選用GaBi軟件數(shù)據(jù)庫內(nèi)置的中國風(fēng)電平均碳排放因子進行計算。

4 情景分析

4.1 情景設(shè)定

新《電池法》對循環(huán)材料的使用有明確要求,規(guī)定電池需要使用回收利用的物質(zhì)作為原材料,并設(shè)定了最低回收比例。根據(jù)該法規(guī),從生效8年(2031年)開始,回收比例要求為ω(鈷)≥16%,ω(鉛)≥85%,ω(鋰)≥6%,ω(鎳)≥6%;生效13年(2036年)后,回收比例為ω(鈷)≥26%,ω(鉛)≥85%,ω(鋰)≥12%,ω(鎳)≥15%。故以6%、12%、15%、16%、26%等不同質(zhì)量分數(shù)的正極再生材料替換原材料作為研究對象,并結(jié)合不同比例的可再生能源,研究多種情景下電芯的碳足跡減排水平。

4.2 結(jié)果分析

將正極再生材料和可再生能源的替換情況代入。建模的模型中,整理輸出的具體數(shù)據(jù)見表1。由表1可知,以再生材料制備工藝能耗不變?yōu)榍疤?首先,在使用可再生能源的情況下,5系電芯產(chǎn)品碳足跡排放最低可以減少2.73%,最高可減少13.69%;其次,僅使用正極再生材料減排時,5系電芯產(chǎn)品的碳足跡排放最低可減少1.81%,最高可減少7.86%。此外,在正極再生材料與可再生能源結(jié)合使用的情況下,5系電芯產(chǎn)品的碳足跡排放最低可以減少4.55%,最高減少21.55%。

表1 多情景模式下減排百分比預(yù)測表 %Table 1 Prediction table for emission reduction percentage under multi scenario mode

5 結(jié)論與展望

新能源汽車產(chǎn)業(yè)是中國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要路徑之一,動力電池低碳化發(fā)展不僅關(guān)乎中國實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標,也是突破歐盟貿(mào)易壁壘的重要手段,本文以5系電池為例,基于新《電池法》要求,探索電池碳足跡減排路徑,得到如下幾個結(jié)論。

(1)動力電池碳排放減排的關(guān)鍵在于正極材料,正極材料的碳排放占電芯原材料總碳排放的58%,其中正極前驅(qū)體在正極材料碳排放中的占比高達85%;其次是能耗碳排放,占總碳排放的20%。

(2)在使用可再生能源的情況下,5系電芯產(chǎn)品碳足跡排放最低可以減少2.73%,最高可減少13.69%;其次,僅使用正極再生材料減排時,5系電芯產(chǎn)品的碳足跡排放最低可減少1.81%,最高可減少7.86%。

(3)在正極再生材料與可再生能源結(jié)合使用的情況下,5系電芯產(chǎn)品的碳足跡排放最低可以減少4.55%,最高可減少21.55%。

動力電池的碳足跡減排不單單是電池制造企業(yè)的減排,更需要供應(yīng)鏈上下游產(chǎn)業(yè)鏈及新能源行業(yè)的協(xié)同減排。

目前我國動力電池產(chǎn)業(yè)還存在含“碳”高和碳管理體系不健全的問題;行業(yè)碳排放監(jiān)測、核算、披露、評價等碳管理體系制定尚處于起步期,國內(nèi)上游電池的原材料產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)品的碳管理不夠重視[14];產(chǎn)業(yè)鏈碳足跡核算標準與方法缺失,對標新《電池法》,我國對動力電池“碳足跡、再生材料含量、相關(guān)方義務(wù)、電池標簽”等相關(guān)管理措施仍存在缺失[15]。