基于目标距离法的锂离子动力电池环境影响评价.pdf

第 45 卷 第 4 期2023 年 7 月环 境 影 响 评 价Environmental Impact AssessmentVol.45,No.4Jul.,2023收稿日期:2022-10-28作者简介:杨明赫(1999),男,河北沧州人,在读硕士研究生,主要研究方向为车辆结构分析与设计制造,E-mail 1061722408 通讯作者:李柏姝(1969),女,辽宁康平人,博士,主要研究方向 为 产 品 生 命 周 期 设 计,E-mail Libaishu1207 基于目标距离法的锂离子动力电池环境影响评价杨明赫,李柏姝,蒋莹莹沈阳理工大学汽车与交通学院,沈阳 110159摘要:为实现汽车行业节能减排及绿色发展,应对锂离子动力电池进行环境影响评价。建立基于“中国政策目标距离”的生命周期环境影响评价体系,采用目标距离法确定环境影响评价指标的基准值和权重系数,并结合锂离子动力电池生命周期评价系统(LIB-LCA)对磷酸铁锂电池、镍钴锰酸锂电池、锰酸锂电池进行环境影响评价。结果表明:镍钴锰酸锂电池生命周期综合环境影响负荷最大,磷酸铁锂电池化石燃料与电力消耗最大,酸化和人体毒害是锂离子动力电池生命周期环境影响中主要的两种环境损害方式。关键词:目标距离法;锂离子动力电池;环境影响评价;全生命周期评价DOI:10.14068j.ceia.2023.04.008中图分类号:X820.3 文献标识码:A 文章编号:2095-6444(2023)04-0035-05Environmental Impact Assessment of Lithium-ion Power Battery Based on Target Distance MethodYANG Minghe,LI Baishu,JIANG YingyingShenyang Ligong University,Shenyang 110159,ChinaAbstract:In order to achieve energy conservation,emission reduction and green development of the automobile industry,environmental of impact assessment of lithium-ion power batteries should be carried out.Through establishing a life cycle environmental impact assessment system based on Chinas policy target distance,the target distance method is used to determine the baseline value and weight coefficient of the environmental impact assessment index,and combined with LIB-LCA,the environmental impact assessment of lithium phosphate battery,lithium nickel cobalt manganate battery and lithium manganate battery was carried out.The evaluation results show that Lithium nickel cobalt manganate battery life cycle comprehensive environmental impact load is the largest,lithium phosphate battery fossil fuel and power consumption is the largest,acidification and human toxicity are the main environmental damage in the life cycle environmental impact of lithium ion power battery.Keywords:target distance method;lithium-ion power battery;environmental impact assessment;full life cycle evaluation(LCA)我国于 2020 年提出 2030 年前实现碳达峰和2060 年前实现碳中和的愿景,体现了我国以实际行动践行负责任大国形象的减排理念。2018 年,我国对 中华人民共和国环境影响评价法 作出修正,在防治环境污染和生态破坏、防范环境风险、推进绿色低碳高质量发展等方面取得了良好效果1-2。随着我国电动汽车的市场占比不断增加,锂离子动力电池产量也在大幅度增长,虽然电动汽车占比的增加能够有效降低汽车行业所引起的环境问题,但锂离子动力电池产量的增加以及生命周期内所引发的环境问题和能源消耗也不可忽视。近几年,针对锂离子动力电池全生命周期环境影响评价的研究不断丰富,合肥工业大学的张城3进行了电动汽车动力电池绿色设计研究,研究过程中对电动出租车动力电池全生命周期环境影响进行 环 境 影 响 评 价第 45 卷了评价,结果表明:动力电池生产阶段的环境影响较明显。厦门大学的肖胜权4采用目标距离法以万元 GDP 作为基准,采用开发的机电产品全生命周期评价系统进行了动力电池环境效益研究,最终认为NMC 电池更具发展潜力;长安大学的马金秋5利用GaBi 软件对匹配磷酸铁锂电池(LFP)、镍钴锰酸锂电池(NMC)、锰酸锂电池(LMO)的纯电动汽车进行全生命周期评价(LCA)研究,研究结果表明:匹配LFP 电池的纯电动汽车资源耗竭环境影响综合值较高。结合文献分析,目前针对锂离子动力电池全生命周期评价的研究存在两方面的问题:一方面,在进行锂离子动力电池环境影响评价时所用方法及软件大多数都来自国外,不符合中国实际国情;另一方面,LCA 具有时效性,现有的基于中国国情的锂离子动力电池的环境影响评价研究时效已过,基础数据波动较大。为解决上述两方面问题,本文应用 SQL Server软件以及 Visiual Studio 软件中的 C#语言模块共同开发的锂离子动力电池全生命周期评价系统(LIB-LCA)以及由目标距离法确定的环境影响评价指标的基准值和权重系数,根据所匹配的某款纯电动汽车使用需求,对锂离子动力电池进行环境影响评价,为实现汽车行业节能减排及绿色发展提供建议。1 锂离子动力电池生命周期评价方法1.1 目标距离法目标距离法是指某种环境影响的严重性用该影响当前水平与目标水平之间的距离来表征,目标可以采用科学目标、政治目标和管理目标6。中国科学院的杨建新等6、山东大学的于利伟7、厦门大学的肖胜权4以丹麦 EDIP 模型方法为基础,结合目标距离法建立了适用于我国的生命周期环境影响评价体系,但由于 LCA 存在时间和空间上的局限性,上述评价体系中的基础数据已经产生了较大变动,其评价分析已不适应当前的环境现状。本文在上述评价体系的基础上,通过对国家政策、标准的解读以及行业报表统计数据的分析,以 2020 年为基准年、2025 年为目标年,搜集基础数据,建立了一套基于“中国政策目标距离”的生命周期环境影响评价体系。其中,基准年与目标年产生的各种环境影响物质的排放量数据来源于国家数据统计网站、政务部门发布的公报等。针对未查询到的数据,则根据国家提出的减排政策和减排目标,进行计算或合理估算。参考现有的特征化模型,特征化因子主要来自相关文献8-11。2020 年全国人口数量数据来自第七次全国人口普查公报。1.2 目标距离法环境影响评价体系的建立1.2.1 环境影响类型划分根据我国的环境现状,分析锂离子动力电池生产工艺及过程中产生的排放,在保证数据可获得性高、可操作性强的前提下,将环境影响按照危害对象种类分为生态系统质量和能量使用两大类,构成一个层次清晰、逐级展开的分类体系。其中生态系统质量主要考虑了全球变暖潜势(GWP)、酸化潜势(AP)、光化学烟雾潜势(POCP)、人体毒害潜势(HTP)、烟尘和粉尘 5 种环境影响评价指标;能量使用主要考虑电力和资源消耗,资源消耗中主要考虑化石燃料的消耗。1.2.2 环境影响物质划分通过收集的锂离子动力电池生命周期内的环境影响物质种类清单以及上述环境影响评价指标,环境影响物质的划分见表 1。表 1 环境影响物质划分Table 1 Division of environmental impact substances评价指标环境影响物质GWPCO2、N2O、CH4APSO2、NOxHTPCO、NOx、SO2POCPCO、VOC、NOx、CH4烟尘和粉尘PM2.5、PM10化石燃料煤、石油、天然气电力1.2.3 特征化、归一化及加权通过分类,将清单数据中的各种环境影响物质通过特征化因子计入相应的影响类型中去,得到各环境影响指标的总影响潜力,即特征化结果。采用 2020 年第七次全国人口普查数据12作为基准,计算相应的环境影响指标(化石能源、电力除外)归一化基准值。归一化结果表征所研究产品系统对基准区域同类影响总量的贡献。加权系数由归一化得到的基准年基准值与目标年基准值的比值确定。查询中国数据统计网站,查阅 “十四五”节63第 4 期杨明赫等:基于目标距离法的锂离子动力电池环境影响评价 能减排综合工作方案13中国能源革命十年展望(20212030)14以及相关文献15资料,获取基准年和目标年规定的相关环境影响物质排放量,根据目标距离法得到环境影响评价指标基准值和权重系数(见表 2)。表 2 环境影响评价指标归一化基准值和权重系数Table 2 Normalized benchmark and weight coefficient of environmental impact assessment index评价指标2020 年基准值2025 年目标值权重系数GWP9.171039.861039.3010-1AP6.184.471.38HTP7.055.101.38POCP2.652.231.19烟尘和粉尘30.7029.601.04权重系数1,表明基准年人均影响潜力大于目标年人均影响潜力,符合政策削减目标;权重系数=1,表明基准年人均影响潜力等于目标年人均影响潜力,目标年的排放水平与基准年持平;权重系数LFPLMO。从图 4 可以看出,NMC 生产阶段的生命周期环境影响负荷明显大于其他两类。结合表 2、表 3、图 2 进行分析可知:NMC 材料生产阶段中产生的SO2气体量明显高于其他两类动力电池,SO2气体是引起 AP 和 HTP 的主要物质,因此 NMC 材料生产阶图 2 锂离子电池材料生产阶段清单数据归一化结果Fig.2 Normalized results of production stagelist data of lithium-ion battery materials段造成的 AP 和 HTP 与 LFP、LMO 相比较高;基于“中国政策目标距离”方法得出的 AP 和 HTP 两种环境影响评价指标的权重系数较高,最终导致 NMC83第 4 期杨明赫等:基于目标距离法的锂离子动力电池环境影响评价 图 3 锂离子电池全生命周期清单数据归一化结果Fig.3 Normalized results of full life cycle list data of Lithium-ion battery图 4 锂离子电池各阶段环境影响负荷Fig.4 Environmental impact load at each stage of lithium-ion battery图 5 能量使用特征化结果Fig.5 Results of energy usage characterization生产阶段的生命周期环境影响负荷以及综合环境影响负荷最高;LFP 材料生产阶段中产生的 CO2气体量明显高于 NMC、LMO,CO2是导致 GWP 的主要物质。所以,LFP 材料生产阶段造成的 GWP 高于NMC、LMO,但是 GWP 的基准值虽然较大,权重却较小,最终导致 CO2这一因素对 LFP 生产阶段的生命周期环境影响负荷以及综合环境影响负荷的影响不大。由图 4 可知,3 种锂离子电池各个阶段生命周期环境影响负荷大小排序均为:生产阶段使用阶段报废阶段。结合图 2 和图 3 对比分析可得,材料生产阶段清单数据归一化结果对整个生命周期清单数据归一化结果贡献率超过 50%,并且两者结论保持一致,表明材料生产阶段的环境排放量对锂离子电池整个生命周期的环境排放总量起决定性作用,因此锂离子电池生产阶段的环境影响负荷高于其他阶段。在能量使用方面,由表 3 可知,NMC 材料生产阶段的化石燃料消耗量最高,与环境影响结果分析中的 NMC 材料生产阶段 SO2排放量最高相互印证。由图 5 可知,LFP 化石燃料以及电力消耗量均为最高,主要是由于在等额定容量下,LFP 比能量低,质量大,而装配、使用阶段、报废阶段的电力消耗量均与质量有关,质量越大,电力消耗量越高;同时,由于我国目前火力发电依旧占据主导地位,LFP 化石燃料消耗量高。4 结束语本研究运用基于“中国政策目标距离”的方法确定 GWP、AP、HTP、POCP、烟尘和粉尘 5 种环境影响评价指标的基准值以及权重系数。权重系数表明:GWP 目标年的削减目标为降低排放速度,烟尘和粉尘目标年的排放水平与基准年几乎持平,AP、HTP、POCP 目标年的削减目标为降低排放总量。同时,运用 LIB-LCA 的前台操作模块对 LFP、NMC、LMO 三类锂离子动力电池进行环境影响物质排放和能量消耗计算,并基于上述目标距离法确定的基准值及权重系数对数据清单进行归一化以及加权处理。结果表明,NMC 生命周期综合环境影响负荷最大,LFP 化石燃料与电力消耗最大;3 种锂离子电池生命周期清单数据归一化结果显示,酸化和人体毒害是锂离子动力电池生命周期环境影响中主要的两种环境损害方式。参考文献(References):1匡舒雅,曹颖.在环境影响评价中考虑温室气体排放的可行性分析J.环境影响评价,2021,43(5)9-14.2赵海珍,吕晓君,李伟,等.环境影响评价法适用存在的主要问题与对策建议J.环境影响评价,2023,45(1)26-29.(下转第 45 页)93第 4 期李晓慧:预防环境风险作为企业环境合规制度目的的可行性研究 raina20211116A0EJ8Y00,2022.12.23.5冀洋.企业合规刑事激励的司法限度J.比较法研究,2023,186(2)186-200.6赵万一,苏志猛.民法典视野下公司合规制度的法律实现J.山东大学学报(哲学社会科学版),2022,254(5)94-108.7郭华.企业合规整改行刑衔接的协调机制J.华东政法大学学报,2022,25(6)38-49.8陈瑞华.论企业合规在行政和解中的适用问题J.国家检察官学院学报,2022,30(1)3-22.9陈瑞华.企业合规制度的三个维度:比较法视野下的分析J.比较法研究,2019,163(3)61-77.10 金自宁.风险行政法研究的前提问题J.华东政法大学学报,2014,92(1)4-12.11 韩康宁.风险回应型生态环境法典:科学不确定下的预防原则表达J.理论月刊,2022,492(12)94-108.12 吕忠梅.中国环境法的转型:从后果控制到风险预防J.中国环境监察,2019,38(Z1)37-39.13 陈瑞华.有效合规管理的两种模式J.法制与社会发展,2022,28(1)5-24.14 最高检推广“涉案企业合规改革”有何深意N.河北法制报,2022-04-08(01).15 杨解君.实现碳中和的多元化路径J.南京工业大学学报(社会科学版),2021,20(2)14-25,111.16 陈海嵩.“双碳”目标下的企业环境合规及法律机制构建J.东方法学,2023,91(1)133-143.17 尹云霞,李晓霞.中国企业合规的动力及实现路径J.中国法律评论,2020,33(3)159-166.18 陈瑞华.企业合规的基本问题J.中国法律评论,2020,31(1)178-196.19 尹云霞,庄燕君,李晓霞.企业能动性与反腐败“辐射型执法效应”:美国 FCPA 合作机制的启示J.交大法学,2016,16(2)28-41.20 陈瑞华.合规监管人的角色定位:以有效刑事合规整改为视角的分析J.比较法研究,2022,181(3)28-43.21 孙国祥.刑事合规的理念、机能和中国的构建J.中国刑事法杂志,2019,188(2)3-24.22 李玉华.企业合规本土化中的“双不起诉”J.法制与社会发展,2022,28(1)25-39.(上接第 39 页)3张城.电动汽车动力电池绿色设计方法研究D.合肥 合肥工业大学,2019.4肖胜权.基于全生命周期评价的动力电池环境效益研究D.厦门 厦门大学,2019.5马金秋.匹配不同动力电池的纯电动汽车全生命周期评价研究D.西安 长安大学,2019.6杨建新,王如松,刘晶茹.中国产品生命周期影响评价方法研究J.环境科学学报,2001(2)234-237.7于利伟.基于目标距离原理的产品生命周期影响评价方法研究D.济南 山东大学,2009.8IPCC.IPCC Sixth Assessment Report Climate Change 2021R.Swiss Interlaken Intergovernment-al panel on Climate Change(IPCC),2007.9WENZELH,HAUSCHILDM,ALTINGL,et al.Environmental assessment of products volume 1 Methodology,tools,and case studies in product J.The International Journal of Life Cycle Assessment,1999,4(1)6-6.10 胡志远.燃料乙醇生命周期评价及多目标优化方法研究D.上海 上海交通大学,2004.11 DERWENTRG,JENKIN ME,SAUNDERSSM.Photochemical ozone creation poten-tials for a large number of reactive hydrocarbons under European conditionsJ.Atmospheric Environment,1996,30(2)181-199.12 国家统计局.第七次全国人口普查公报(第二号):全国人口情况J.中国统计,2021(5)7-8.13 中华人民共和国国务院.国务院关于印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知J.中华人民共和国国务院公报,2022(5)46-52.14 煤炭资讯网.中国能源革命十年展望(20212030)EBOL.(2021-06-18)2022-08-27.http newshtml2021-6-18677301.shtml.15 谢和平,吴立新,郑德志.2025 年中国能源消费及煤炭需求预测J.煤炭学报,2019,44(7)1949-1960.16 李书华.电动汽车全生命周期分析及环境效益评价D.长春吉林大学,2014.17 张驰.基于全生命周期的纯电动汽车设计决策方法D.沈阳沈阳理工大学,2021.18 刘书如.锂离子动力电池及纯电动汽车生命周期评价对比研究D.西安 长安大学,2021.54