SSB锂离子与二次电池生命周期评估：环境影响与石墨回收的比较分析

2026-02-27 08:58:00

摘要

作为化石燃料运输工具的替代品，电动汽车的生产需要对可充电电池相关的环境影响进行全面评估。本研究采用生命周期评价（LCA）方法，重点比较四种新兴及商用电池类型（包括锂硫电池（Li-S）、镁硫电池（Mg-S）、钠离子电池（Na-ion）和镍氢电池（NiMH））在生产与回收阶段的环境影响。分析了温室气体(GHG)排放、土地利用、核能需求以及广泛影响类别等关键生态指标。结果表明，镁硫电池在多重性向影响类别中表现出最低的环境足迹和最高的稳健性，而镍氢电池对燃料费排放和核能需求的贡献最大。锂离子电池(LIBs)正极材料系统的对比分析进一步强调了正极生产带来的不成比例环境负担。研究结果还表明，材料创新（特别是正负极设计的优化）与回收工艺的改进，对于降低电池技术的生态足迹和实现低碳交通目标至关重要。

引言

为实现能源生产的深度脱碳，二次电池已成为电化学能源在交通运输和建筑应用领域的重要候选方案^[[1], [2], [3], [4]^]从化石燃料驱动的内燃机车辆转向使用可再生能源电力的电动汽车(EVs)，对降低二氧化碳排放具有关键作用₂交通运输领域的排放[5]。电动汽车在个人出行中的广泛应用得益于电池技术的进步，这对降低温室气体排放、减少对原油的依赖、改善空气质量以及增强能源安全至关重要[6]。在各种电池类型中，锂离子电池（LIBs）已获得全球瞩目，特别是随着插电式混合动力汽车和纯电动汽车使用量的增加。这归因于其卓越的特性，包括高能量密度、紧凑尺寸、强大容量（范围从10千瓦时至85千瓦时）、极低自放电率以及无记忆效应[6,7]。然而，这些优势导致对原材料（尤其是电池生产所需金属）的需求激增[8]。因此，锂离子电池的制造及报废处置现已成为车辆全生命周期中能源消耗与环境排放的重要贡献源[6]。
电动汽车（EV）电池组的高效运行由电池管理系统（BMS）调控，该系统在续航里程、充电时长、电池寿命和安全性方面确保最优性能[6,9]。然而，电池组的长期使用可能导致显著容量衰减、单次充电续航降低、过充/过放、单体电压不均衡[9]、行驶里程受限[10]、功率与能量密度不足[11]，以及有机溶剂与氟化盐使用引发的安全隐患等问题[12]。这些问题削弱了电动汽车的长期可持续性，并加剧其环境影响。因此，锂离子电池（LIBs）往往难以满足车辆驱动的严苛要求。关键诱因在于"老化机制"——内部组件退化导致剩余容量掉落和内阻增加，最终降低电池整体性能[10]。此外，材料和制造工艺的选择——其因电池化学体系差异而显著不同——对生产与废弃处置阶段的全生命周期环境影响具有决定性作用。为应对电动汽车普及率的提升，近年来锂离子电池（LIB）的开发与部署呈现快速扩张态势，全球动力电池装机容量从2019年起以约18.9%的增速增长，至2023年已达180 GWh[13]。中国市场的动力锂离子电池装机容量同样呈现显著增长趋势。
考虑到电池运行机制，必须考察其在生产、使用和报废整个生命周期中对温室气体排放、制造阶段能源消耗以及原材料枯竭的贡献[14]。这些因素不仅影响环境，还引发公共卫生担忧。温室气体排放与环境恶化对气候变化的加速作用日益显著，对人类社会可持续发展构成重大风险[15]。国际能源署报告显示，2020年全球温室气体排放量已达约315亿吨且持续攀升。鉴于此，各国政府正将减排与加强环境监管列为优先政策事项[16]。多国已承诺在既定时间框架内实现碳中和目标，例如法国、德国等欧盟成员国将目标设定于2040至2050年间，而美国则以2050年为限[17]。中国作为锂离子电池(LIBs)的主要生产国，已承诺在2030年前实现碳排放达峰，并于2060年达到碳中和目标[18]。研究表明，锂离子电池在全生命周期内对温室气体(GHG)排放具有显著贡献。因此，评估锂离子电池的环境足迹与碳影响至关重要，特别是在中国碳中和目标的背景下[19]。鉴于电池生产与部署规模的快速扩张，全面评估温室气体排放及相关环境指标，对促进锂离子电池技术的可持续发展具有重大意义。
本研究评估了各类电池技术及回收过程对环境的影响与可持续性。所提出的研究分析了锂硫(Li-S)、镁硫(Mg-S)、钠离子(SIB)和镍氢(NiMH)电池的生态足迹。选择这些电池体系是因为它们作为锂离子技术的潜在替代方案，在当前电池研究中具有重要价值。尽管这些化学体系在新能源汽车市场的占有率仍有限（除镍氢电池在某些混合动力车辆中的应用外），但其因采用储量丰富的材料、较低环境影响或具有前景的能量密度而日益受到关注。例如，锂硫（Li–S）和镁硫（Mg–S）电池采用硫基正极可提供高理论容量，而钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富正成为具有成本效益的储能体系。已在混合动力电动汽车中商业化的镍氢（NiMH）电池，为环境比较提供了成人化的参照基准。此外，研究还对比了镍钴锰（NCM）、镍钴铝（NCA）和磷酸铁锂（LFP）电池生产过程中的温室气体排放量。此外，生命周期评价（LCA）方法亦被用于评估废石墨回收与再生的生态影响，结果表明湿法冶金与火法冶金工艺相结合时能产生显著的环境效益。
为清晰呈现本研究的科学路径与研究逻辑，方案1展示了整体概念框架。该框架从研究动机与指导性问题出发，逐步呈现目标设定、方法步骤、对比分析及最终成果的演进过程。研究采用的结构化工作流程包括：（i）界定研究范围与目标；（ii）运用SimaPro软件（CML–IA V3.04版本）开展生命周期背包清单与影响评价；（iii）执行不确定性与敏感性分析；（iv）通过结果解读识别关键环境热点与可持续性见解。总体而言，该图式通过可视化方式串联研究问题、方法与成果，确保生命周期评价（LCA）实现研究目标的路径得到透明化呈现。