Nature Communications｜考虑经济和环境功能的退役锂离子电池再利用和再循环途径决策
政务
2024-09-07 09:27
中国
转自：地球平衡与稳态
退役电动汽车（EV）电池的再利用和再循环提供了一种可持续的废物管理方法，但也面临着决策方面的挑战。基于基于过程的生命周期评估方法，我们提出了一种在经济和环境方面优化退役电池处理途径的策略。该策略适用于各种容量配置的再利用方案，包括储能系统、通信基站和低速汽车。考虑到电池在报废阶段的剩余价值，对水冶、火冶和直接回收进行了评估。就优化途径而言，与不重复使用的湿法冶金回收相比，磷酸铁锂（LFP）电池的利润提高了 58%，排放减少了 18%。镍锰钴氧化物（NMC）锂电池的利润提高了 19%，排放量减少了 18%。尽管 NMC 电池的直接回收回报更高，但 LFP 电池通过回收前的再利用提供了更优越的长期效益。我们的策略采用了一个易于使用的评估框架，以确定电动汽车电池退役的最佳途径。在本研究中，我们提出了针对退役电动汽车电池的再利用和回收途径决策策略，通过对整个生命周期（即从摇篮到坟墓 (CTG)）的经济和环境效益进行分析，证明了该策略的有效性，如图 1 所示。我们重点研究了两种主要的正极化学类型，即镍锰钴氧化锂（NMC）和磷酸铁锂（LFP），并考虑了不同的退役 SOHs（70%、80% 和 90%）和不同的再利用方案（ESS、CBS 和 LSV）容量配置。我们还评估了三种回收技术（湿法冶金、直接回收和火法冶金回收）对不同 SOH 水平（40%、50%、60%、70%、80% 和 90%）的电池在 EOL 阶段的影响。最终，我们为退役锂电池的再利用和回收开发出了一条优化途径，以实现可持续废物管理。我们的研究成果对退役锂离子电池的经济和环境路径决策具有有益的影响。我们专注于经济绩效和碳足迹，作为考虑用户和回收商盈利能力的各种情景的分析指标。正的经济绩效值表示利润，负值表示财务损失。经济性能由电池购买成本（负值）、电池维护成本（负值）和系统运行收入（正值）组成。选择碳足迹来展示和比较生命周期环境影响。关于新电池和SLB的定价模型、维护模型、考虑电池退化的操作模型以及碳足迹计算的描述，请参见“方法”部分。图2说明了在复用阶段，ESS、CBS和LSV情景中，NMC和LFP SLB在不同初始SOH水平下的经济性能。LFP和NMC电池的三种电池回收技术所产生的经济性能如图3所示。图3a-d表明，对于所有方法，由于活性材料损失减少，单位电池利润随着SOH的增加而提高，从而导致更少的投入（直接回收）或更有价值的产出（湿法冶金和火法冶金回收）。对于NMC电池，直接回收是最有利可图的，因为SOH从40%增加到90%，这是由于其简单性和回收的NMC材料的高价值。直接回收的利润范围为11.01美元至22.99美元/千瓦时电池，而火法冶金和湿法冶金回收的收益率分别为-8.59美元至2.41美元和-8.31.08美元至2.66美元/千瓦时电池。对于LFP电池，湿法冶金回收是最有利可图的，其次是直接和火法冶金回收。与NMC相比，LFP回收利润随SOH变化的波动较小，LFP的成本和收入均小于NMC。因此，在EOL阶段选择回收技术应考虑电池类型和SOH。前面的分析分别独立探讨了再利用和回收阶段的经济和碳足迹效益。鉴于它们在电池退役途径中的连续位置，有必要进行整体分析，以通过共同考虑再利用和回收来确保全面理解。图4显示了整个生命周期内的单位电池利润和碳足迹，包括翻新，再利用和EOL阶段。回收阶段采用最经济的技术，NMC直接回收，LFP湿法回收。在图4a中，NMC SLB的经济效益对于具有更宽SOH再利用间隔的ESS和CBS更大，表明延迟再利用使利润最大化，而LSV显示出负面性能。对于NMC电池，最高的生命周期效益为66美元。67/kWh电池，这是通过CBS使用后直接回收实现的，从90%到40%SOH。利润最低的是− 59.26美元/kWh的电池，使用直接回收的LSV废旧电池，SOH为90%至40%。![]()
整个生命周期对于可持续性和成本效益至关重要。在这里，我们为不同的电池类型和SOH水平设计了优先级路径。图5说明了最佳途径，我们将其与传统途径（电动汽车使用后直接退役）进行比较，以评估其有效性。在图5a中，NMC电池的传统途径涉及新电池、EV使用和EOL时的湿法冶金回收。图5 b提供了详细信息，从97美元/kWh的新电池成本开始。首次用于电动汽车将用户成本提高到157美元/kWh电池。最后，电池在90% SOH下退役，并使用湿法冶金回收进行回收。相比之下，优化的途径在第一次使用阶段之后发散。该过程包括翻新、再利用和回收。用户需要购买90% SOH的SLB，在翻新阶段将成本增加到176美元/kWh。然后在CBS-Rur地区使用SLB，在那里它们表现良好，直到它们降解到SOH的40%，将成本降低到103美元/kWh电池。最后，电池到达EOL阶段，并通过直接回收进行回收，导致电池的最终生命周期成本为91美元/kWh，比传统途径低43美元/kWh。图五：比较传统的、优化的和其他途径，以获取退役电动汽车（EV）电池，考虑各种条件，包括阴极材料类型和首次使用阶段后的健康状态（SOH）总之，我们的研究表明，ESS是最好的选择，再利用的总利润，而CBS导致的平均每日利润。直接回收对NMC电池最经济，湿法冶金回收对LFP电池最经济。当使用直接回收技术时，这两种化学品的碳足迹最小。具有80%SOH的退役EV LFP电池的优化途径产生156美元/kWh的经济利润，并通过CBS再利用和湿法冶金回收实现0.15 kg CO2-eq/kWh生命周期电力输送减少碳足迹。具有80% SOH的NMC电池导致38美元/kWh电池的利润，并且CBS再利用和直接回收的生命周期电力输送减少0.14 kgCO2-eq/kWh。到2025年全球报废规模为150 GWh，最大再利用和回收利润将达到13美元。60亿，假设市场份额为45%的LFP和55%的NMC电池50。我们的战略是一个普遍适用的评估框架，用于确定各种类型，利用场景和回收方案的SLB的最佳退役途径，在可预见的未来推进可持续发展行业。我们已经证明了电池报废途径在实现经济和环境可行性双重目标方面的有效性。通过在整个生命周期中进行经济和环境评估，合理管理退役电动汽车电池，考虑不同的再利用应用和回收技术，从电动汽车退役时具有不同的SOHs，可以合理地解释这种成功。我们强调，我们的评估策略通过简化数据管理，降低计算成本和提高标准化来改进传统的LCA计算。它简化了灵敏度分析和不确定性评估，同时提高了结果的代表性。在这里，我们进一步讨论了退役途径决策策略的普遍适用性，其对电池再利用和回收决策的影响，以及未来对潜在方法改进的考虑。Ma, R., Tao, S., Sun, X. et al. Pathway decisions for reuse and recycling of retired lithium-ion batteries considering economic and environmental functions. Nat Commun 15, 7641 (2024).【知识转载，翻译难免有误，详细查看原文，侵权联系删除】投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com
