【《电动汽车在回收处理技术优劣与发展偏好分析报告》7900字（论文）】

PAGE8电动汽车在回收处理技术优劣与发展偏好分析报告1.1退役车用动力电池回收处理技术对比在生产阶段，本研究基于2020年的能源结构和燃料消耗情况对LFP和NCM电池进行了评估，评估结果如表1.1所示。表1.1车用动力电池生产阶段能源消耗与等效碳排放数据车用动力电池生产阶段LFPNCM523能源消耗（MJ/t）煤11641.2913563.19电81325.2388717.88天然气7009.887591.35焦炭85.9271.98油残渣1461.601381.70汽油0.420.46柴油997.381121.42高炉煤气7.716.73焦炉煤气3.513.06总计102538.93112463.76等效碳排放（kg-CO2eq/t）15478.3216440.49在动力电池生产阶段，消耗能源主要来自于电能，占比分别为79.3%与78.9%。电能作为各项能源中碳排放因子较高的能源，随着未来发电方式的清洁化，能够对动力电池生产的碳排放降低起到重要作用。整体看来，每吨NCM523电池的生产比每吨LFP电池生产的能源消耗更高，相应地其能量密度也高于LFP电池。故其未来的发展空间与二者的技术发展潜力有较大相关。在使用阶段，本研究基于前述对使用阶段的电池循环的假设，对动力电池SoH从不同情况开始下降至80%期间消耗的能源（电能）和等效碳排放数据进行了评估计算，评估结果见表1.2。表1.2车用动力电池使用阶段能源消耗与等效碳排放数据车用动力电池使用阶段SoH起点（至80%）LFPNCM523能源消耗（MJ/t）100%325403.10401143.5195%235491.52290301.1990%151379.89186615.2185%73068.3090075.57等效碳排放（kg-CO2eq/t）100%51883.7263960.1095%37547.8146287.3990%24136.6829751.7685%11650.3414362.05在动力电池使用阶段，主要的能源消耗来自于电池充放电的电能消耗，在充放电深度DoD/C=SoH−20%的情况下，能源消耗量、等效碳排放量与下降的SoH大致成比例，初始SoH越高则每下降1%消耗的能源与等效碳排放越多。在回收处理阶段，本研究对三种回收处理技术分别进行评估计算。对梯次利用技术，本研究计算了对退役车用动力电池采用梯次利用技术过程的工艺投入和电池在电网服务期间的累积电吞吐量，评估计算结果见表1.3表1.3车用动力电池梯次利用阶段能源消耗与等效碳排放数据车用动力电池回收处理阶段-梯次利用LFPNCM523能源消耗（MJ/t）煤0.00.0电42.9252.91天然气19.3323.83总计62.2576.74节约能源（MJ/t）185289.55228376.86等效碳排放（kg-CO2eq/t）8139.7510031.34节约碳排放（kg-CO2eq/t）23398.6128838.82累积电吞吐量（MJ/t）251019.29309446.16在动力电池回收处理的梯次利用阶段，在物流运输及加工工艺上需要消耗分别为62.25MJ/t退役LFP电池和76.74MJ/t退役NCM523电池，单位质量所能承载的累积电吞吐量分别达到了251019.29MJ和209446.16MJ。此外，根据评估逻辑，梯次利用期间产生的效益可以用节约生产等效效果的铅酸电池的量进行评估，依照此方法进行计算，每吨LFP和NCM523电池可以替代3.87t和4.77t铅酸电池，节约的等效碳排放分别为19094.50kg−CO2对于修复再生技术，本研究依照确定的修复再生工艺流程，评估计算了LFP和NCM的修复再生流程的能源消耗及等效碳排放数据，如表1.4所示。表1.4车用动力电池修复再生阶段能源消耗与等效碳排放数据车用动力电池回收处理阶段-修复再生LFPNCM能源消耗（MJ/t）煤5238.225765.07电680.34748.77天然气653.99719.76总计6572.557233.60等效碳排放（kg-CO2eq/t）2250.722070.15表1.4所示数据为修复再生技术从退役车用动力电池到修复再生成的正极活性材料为止的流程中所消耗的能源和所等效排放的二氧化碳数据，所修复再生生成的正极活性材料可以再次投入车用动力电池的生产，并替代一次电池生产中的正极活性材料消耗。产出的翻新车用动力电池相关参数见表3.11。对于冶金回收技术，本研究依照确定的冶金回收工艺流程，评估计算了LFP和NCM的冶金回收技术流程的能源消耗及等效碳排放数据，见表1.5，并给出了回收物质量与这些物质的量与对应的生产能源消耗及等效碳排放数据，见表1.6。表1.5车用动力电池冶金回收阶段能源消耗与等效碳排放数据车用动力电池回收处理阶段-冶金回收LFPNCM能源消耗（MJ/t）煤11.730.00电2266.658385.59天然气1521.224018.78总计3799.6112401.37等效碳排放（kg-CO2eq/t）4572.2112047.51表1.5中，计算评估了每回收1t退役电池，进行冶金回收过程的能源消耗量，由于NCM电池中主要回收Li、Ni、Co、Mn四种元素的物质，而LFP电池主要回收Li与Fe元素的物质，故其工艺流程复杂程度有较大区别，过程的能源消耗和等效碳排放差异较大。两种电池所产出的回收物质种类不同，见表1.6所示。表1.6车用动力电池冶金回收阶段产出物质等效能源消耗与碳排放数据每回收1t退役电池LFPNCM磷酸锂磷酸铁碳酸锂硫酸镍硫酸钴硫酸锰产量（kg）55.53218.54321.85681.10686.23686.43能源消耗（MJ）煤0.00315.430.000.000.004761.78电609.950.000.002342.143368.890.00天然气98.098618.97665.550.009137.507631.27焦炭0.000.000.000.000.000.00油残渣0.000.0010848.450.000.000.00汽油0.00343.120.000.000.006032.29柴油0.000.001797.00197.020.00930.60高炉煤气0.000.000.000.000.000.00焦炉煤气0.000.000.000.000.000.00总计9985.5647712.49等效碳排放（kg-CO2eq）12271.5834693.53在表1.6中，计算评估了每吨LFP和NCM电池能够通过冶金回收产出的物质种类及质量，以及生产等量、等类物质所需要投入的能源消耗和等效碳排放。这些等效的量可以视作冶金回收技术的效益水平。从整体角度出发，对于不同回收处理技术的车用动力电池而言，其全生命周期的能源消耗和等效碳排放数据见图1.1。图1.1不同回收处理技术的车用动力电池全生命周期能源消耗及等效碳排放对比（a）能源消耗（b）等效碳排放 从整体上说，车用动力电池全生命周期的三个阶段中，使用阶段为能源消耗和等效碳排放最高的阶段，其次为生产阶段。每吨LFP电池在使用阶段中会消耗325303.10MJ的能源，其中绝大多数为电能。由于我国清洁发电的占比仍然较低，因此使用阶段的等效碳排放达到了51883.72kg−CO2eq。而NCM电池的这两个参数分别也达到了401143.51MJ和63960.10kg−CO2eq。生产阶段两类电池的能源消耗和等效碳排放量比较接近，LFP和NCM电池生产的能源消耗量分别为102538.93MJ/t和112463.76MJ/t，而等效碳排放量分别为15478.32kg−CO2eq/t和16440.49kg−CO2eq/t。在回收处理阶段，三种回收处理技术的能源消耗量均较低，其中梯次利用技术尤其低。梯次利用技术的能源消耗量为62.25MJ/t，相比于修复再生技术的6572.55MJ/t和冶金回收技术的3799.61MJ/t而言几乎可以忽略。这是因为梯次利用的处理过程仅涉及物理处理过程，故能源消耗量低。但梯次利用技术的等效碳排放量较高，对LFP电池而言，梯次利用处理的等效碳排放为8139.75从全生命周期的维度上来看，对退役车用动力电池采用梯次利用技术时，所带来的等效节约收益能够弥补在生产过程中消耗的能源和排放的温室气体。评估计算各项技术综合来看的净能源消耗和净等效碳排放值，如图1.2所示。从能源消耗的方面来看，对于LFP电池和NCM电池而言，冶金回收技术的净能源消耗量大于修复再生技术大于梯次利用技术。LFP电池的冶金回收、修复再生和梯次利用技术的全生命周期净能源消耗分别为421756.08MJ/t、376613.87MJ/t以及242714.74MJ/t；NCM电池的冶金回收、修复再生和梯次利用技术的全生命周期净能源消耗分别为478299.17MJ/t、459488.82MJ/t以及285307.15MJ/t。从等效碳排放的角度来看，对于LFP和NCM电池而言，修复再生技术的净碳排放量大于冶金回收技术大于梯次利用技术。LFP电池的修复再生、冶金回收和梯次利用技术的全生命周期净等效碳排放量分别为60380.81kg−CO2eq/t、59659.66kg−CO2 图1.2不同回收处理技术的车用动力电池全生命周期净能源消耗及净等效碳排放对比1.2退役车用动力电池回收处理路线选择依照本研究所设计的7种回收处理路线（见图3.6），对每种处理路线的能源消耗和等效碳排放量进行评估计算，并以服务年限等作为辅助的评估标准，对这些路线产生的效益进行对比，对于LFP电池，结果如表1.7所示。在本研究中，对于回收路线做了如上设计，但实际上可能的回收处理路线远不止于此。梯次利用后可进行修复再生，修复再生后可进行梯次利用及修复再生，当电池状态已不足以进行梯次利用或修复再生时、进行梯次利用或修复再生的收益低于冶金回收时，进行冶金回收。由于修复再生后的翻新动力电池的SoH相比于一次电池有所损失，具体表现为正极活性材料能量密度的下降，损失的SoH与经历的循环次数成正比，因此当修复再生及梯次利用经历的循环次数达到一定次数时，修复再生也无法使电池的SoH恢复到一次电池的80%，不再能用于电动汽车。因此修复再生及梯次利用的次数存在上限，本研究中对此不做讨论。表1.7LFP电池各类回收处理技术路线设计及其能源消耗、等效碳排放等数据表序号1234路线B2U-RECRGR-RECB2U-RGR-RECRGR-B2U-REC能源消耗181765.46258442.22258501.47258506.77能源节约195275.1168255.74253545.29260401.00净能源消耗-13509.65190186.484959.18-1891.23等效碳排放40203.4145645.6753785.4354086.60节约碳排放35673.1921960.6945359.3046225.05净等效碳排放4530.2223681.988426.137861.55年限6.417.8910.1410.10（续表）序号567路线RGR-RGR-RECB2U-RGR-B2U-RECRGR-B2U-RGR-REC能源消耗330520.42258569.02330581.97能源节约128681.91445690.55320827.17净能源消耗201838.51-187121.539757.80等效碳排放58531.7062226.3566975.62节约碳排放32005.1969623.6656269.55净等效碳排放26529.52-7397.3110706.08年限11.2312.3513.44（a）表中能源消耗相关数据单位为：MJ/t，碳排放相关数据单位为kg−CO（b）B2U表示梯次利用，RGR表示修复再生，REC表示回收利用；（c）路线中用简称与连线表示经历回收处理技术的先后，并省略生产与使用阶段的描述；例如：“RGR-B2U-REC”表示先后经历的阶段为“生产、使用、修复再生、使用、梯次利用、冶金回收”。根据表1.7所示的数据，可以发现在不同的回收处理路线的对比下，其能源消耗和等效碳排放数据表现出较大的差异。对比路线1与路线2，可以发现梯次利用对能源消耗的节约作用十分突出，而修复再生付出的能源消耗巨大；同样二者在等效碳排放上，修复再生的净排放量也远大于梯次利用。但这不能说明修复再生的能源消耗和等效碳排放指标高于冶金回收。计算各技术路线的年均净能源消耗和年均净等效碳排放值，并加入路线0：直接进行冶金回收，评估结果如表1.8、图1.3。对比路线0和2，可以发现先进行修复再生再进行回收时的年均净能源消耗与净等效碳排放指标均低于直接进行回收。对比路线1和3、路线4和7可以发现，在经历梯次利用后，直接进行冶金回收和修复再生并使用后再进行冶金回收相比，二者的年均净等效碳排放值相差不大，但经历修复再生会使得能源消耗大大增加。对比路线2和4可以发现，在经历修复再生后，进行梯次利用可以使得年均能源消耗和年均等效碳排放值下降，因此尽量进行梯次利用是取得更大效益的良好策略。对比路线2和路线5可以发现，重复进行修复再生的次数越多，年均能源消耗和年均等效碳排放值越低，因此尽量多次进行修复再生也是取得更大效益的良好策略。综上所述，要使LFP电池取得良好效益的最优化策略，有以下两点：（1）在可能进行梯次利用的时候选择进行梯次利用，（2）尽可能多地进行修复再生。依次逻辑，梯次利用应与修复再生交替进行（因梯次利用后无法直接梯次利用），则路线6应为最优化路线。按照表1.8的数据，路线6的年均能源消耗和年均等效碳排放值均是各路线中最低的，因此以上结论得到了验证。表1.8LFP电池各类回收处理技术路线年均净能源消耗、年均净等效碳排放技术路线序号01234567年均净能源消耗41281.2-2107.824116.1489.3-187.517976.0-15148.1725.8年均净等效碳排放4757.7706.83003.3831.3778.22362.8-598.8796.3（a）表中能源消耗相关数据单位为：MJ/t，碳排放相关数据单位为kg−CO图1.3LFP电池各类回收处理技术路线年均净能源消耗、年均净等效碳排放同样对于NCM电池，可以计算得到结果如表1.9所示。根据表1.9所示的数据，可以发现在不同的回收处理路线的对比下，其能源消耗和等效碳排放数据表现出较大的差异。对比路线1与路线2，可以发现梯次利用对能源消耗的节约作用十分突出，而修复再生付出的能源消耗巨大；同样二者在等效碳排放上，修复再生的净排放量也远大于梯次利用。但这不能说明修复再生的能源消耗和等效碳排放指标高于冶金回收。计算各技术路线的年均净能源消耗和年均净等效碳排放值，并加入路线0：直接进行冶金回收，评估结果如表1.10、图1.4。对比路线0和2，可以发现先进行修复再生再进行回收时的年均净能源消耗与净等效碳排放指标均低于直接进行回收。对比路线1和3、路线4和7可以发现，在经历梯次利用后，直接进行冶金回收和修复再生并使用后再进行冶金回收相比，二者的年均净等效碳排放值相差不大，但经历修复再生会使得能源消耗大大增加。对比路线2和4可以发现，在经历修复再生后，进行梯次利用可以使得年均能源消耗和年均等效碳排放值下降，因此尽量进行梯次利用是取得更大效益的良好策略。对比路线2和路线5可以发现，重复进行修复再生的次数越多，年均能源消耗和年均等效碳排放值越低，因此尽量多次进行修复再生也是取得更大效益的良好策略。表1.9NCM电池各类回收处理技术路线设计及其能源消耗、等效碳排放等数据表序号1234路线B2U-RECRGR-RECB2U-RGR-RECRGR-B2U-REC能源消耗200446.36272691.44272768.18272765.72能源节约276089.33107537.72335911.58328606.52净能源消耗-75642.97165153.72-63146.40-55840.80等效碳排放50557.2852645.9062680.2462359.14节约碳排放63532.3543365.5872201.4071281.56净等效碳排放-12975.079280.32-9521.16-8922.41年限6.947.9010.6710.45（续表）序号567路线RGR-RGR-RECB2U-RGR-B2U-RECRGR-B2U-RGR-REC能源消耗336151.83272842.46336226.11能源节约165448.57556983.38386517.37净能源消耗170703.26-284140.92-50291.26等效碳排放63337.3272393.4873050.56节约碳排放51760.12100120.3879676.10净等效碳排放11577.20-27726.89-6625.54年限11.2513.2213.80（a）表中能源消耗相关数据单位为：MJ/t，碳排放相关数据单位为kg−CO（b）B2U表示梯次利用，RGR表示修复再生，REC表示回收利用；（c）路线中用简称与连线表示经历回收处理技术的先后，并省略生产与使用阶段的描述；例如：“RGR-B2U-REC”表示先后经历的阶段为“生产、使用、修复再生、使用、梯次利用、冶金回收”。表1.10NCM电池各类回收处理技术路线年均净能源消耗、年均净等效碳排放技术路线序号01234567年均净能源消耗36631.8-10898.620901.0-5915.7-5343.015175.5-21485.3-3641.5年均净等效碳排放1399.0-1869.51171.6-892.3-853.71029.2-2096.6-480.1（a）表中能源消耗相关数据单位为：MJ/t，碳排放相关数据单位为kg−CO综上所述，要使LFP电池取得良好效益的最优化策略，有以下两点：（1）在可能进行梯次利用的时候选择进行梯次利用，（2）尽可能多地进行修复再生。依次逻辑，梯次利用应与修复再生交替进行（因梯次利用后无法直接梯次利用），则路线6应为最优化路线。按照表1.10的数据，路线6的年均能源消耗和年均等效碳排放值均是各路线中最低的，因此以上结论得到了验证。图1.4NCM电池各类回收处理技术路线年均净能源消耗、年均净等效碳排放1.3车用动力电池回收产业发展预测依据本研究所涉及的产业数据研究，基于郝瀚老师课题组的相关研究信息，内容为对2020-2100年中国各类动力电池的年装机量的研究，基础信息如图3.5所示。本研究根据表3.14所假设的3种不同的发展情景，分别评估计算得到结果，在本节中进行依次讨论如下。（1）情景1情景1假设为未来车用动力电池回收产业更偏向于修复再生技术，每年退役的电池中有85%优先通过修复再生技术进行处理，剩余电池中10%进行梯次利用，5%进行冶金回收。依据前文所述的研究方法与计算逻辑，基于对未来车用动力电池产业的发展预测，得到未来车用动力电池回收处理产业的前景图如图1.5所示。图1.52020-2100年中国车用动力电池回收处理产业图（a）三种类型电池2020-2100年回收处理退役车用动力电池分量（b）三种类型电池2020-2100年回收处理退役车用动力电池节约能源量（c）三种类型电池2020-2100年回收处理退役车用动力电池等效碳排放降低量从（a）中可以发现，对于LFP电池和高镍NCM电池而言，尽管修复再生在回收处理阶段中有85%的一次电池退役优先选择了修复再生技术，但实际上修复再生技术所处理的电池装机量与梯次利用技术处理的相差较小，而冶金回收则成为了绝大多数电池最终流向的处理技术。对于低镍NCM电池而言，冶金回收量在2035-2045年间相比于修复再生技术处于较低阶段，这表明在这一时期修复再生对于低镍NCM电池而言将会存在更高的应用价值。从（b）中我们可以发现，无论是对于哪种电池，梯次利用都为能源消耗量的降低做出了最多的贡献，对于LFP电池和低镍NCM电池而言，甚至达到了修复再生技术和冶金回收技术的总和，对于高镍NCM电池在2070年前也有这样的现象存在。冶金回收技术过程的能源消耗量较高，因此长期高于修复再生技术的能源消耗。从（c）中我们可以发现，冶金回收技术的等效碳排放降低效益极高，为另外两者的总和甚至更多。因为冶金回收能够得到用于工业生产的原材料，对于工业部门的减排效益有着举足轻重的作用。（2）情景2情景2假设为未来车用动力电池回收产业对梯次利用技术和修复再生技术同等看重，每年退役的电池中有50%优先通过梯次利用技术处理、45%优先通过修复再生技术进行处理，剩余5%的电池进行冶金回收。依据前文所述的研究方法与计算逻辑，基于对未来车用动力电池产业的发展预测，得到未来车用动力电池回收处理产业的前景图如图1.6所示。图1.52020-2100年中国车用动力电池回收处理产业图（a）三种类型电池2020-2100年回收处理退役车用动力电池分量（b）三种类型电池2020-2100年回收处理退役车用动力电池节约能源量（c）三种类型电池2020-2100年回收处理退役车用动力电池等效碳排放降低量从（a）中可以发现，对于LFP电池和高镍NCM电池而言，当梯次利用技术和修复再生在回收处理阶段中所占比重相当时，二者的实际处理量也相差不大。低镍NCM电池的冶金回收出现了剧烈波动，这与当时的需求量发生突变也有一定原因。从（b）中我们可以发现，无论是对于哪种电池，梯次利用都为能源消耗量的降低做出了最多的贡献，对于LFP电池和低镍NCM电池而言，甚至达到了修复再生技术和冶金回收技术的总和。冶金回收技术过程的能源消耗量较高，因此长期高于修复再生技术的能源消耗。从（c）中我们可以发现，梯次利用技术的等效碳排放降低效益较高，另外两者相差不多。低镍NCM电池冶金回收对减排的贡