第1章 锂离子动力电池组综合环境影响与绿色特性评价
　　1.1 电动汽车及电池组发展与环境评价
　　1.1.1 历史发展
　　交通运输业在世界经济和社会发展中扮演着尤为重要的角色。同时，交通运输业也是全球温室气体（greenhouse gas，GHG）和其他有害污染物的主要来源之一，导致环境退化和气候变化，如大量消耗化石燃料、产生环境污染等[1]。交通用能的增长集中在亚洲发展中国家，它们贡献了80%的净增量[2]。目前，近1/4与全球能源有关的温室气体排放是由运输车辆造成的[3]。为缓解全球交通运输业中的巨大能源需求及其对石油的严重依赖，同时致力于实现能源安全和确保环境的可持续性，运输部门的电气化通常被视为减少二氧化碳和空气污染物排放*有效的措施之一，因为电动汽车在运行过程中不会产生尾气排放[4]。因此，开发绿色、可持续能源和替代燃油汽车，特别是纯电动汽车（battery electric vehicle，BEV），已经成为汽车工业中一项有前途的替代选择[5]。由于这些潜在的优势，电动汽车（electric vehicle，EV）已引起世界范围内的兴趣。全国新能源汽车销量从2018年的100万辆增加到2021年的299万辆。在新政策的影响下，11个国家承诺到2030年将电动汽车年销量增加到市场份额的30%，电动汽车销量达4.3亿辆，库存超过2.5亿辆[6]。如果这一目标得以实现，全球电动汽车数量将在未来10年内增长70倍。然而，纯电动汽车随着销量的急剧增加，其产生的环境影响可以追溯到汽车及关键部件的生产制造、电动汽车使用阶段的电池充电能源运作过程，甚至可以追溯到电池本身的生命周期。因此，运用生命周期评价（life cycle assessment，LCA）法来全面捕捉电动汽车及其关键元件之一（动力电池）的绿色特性和综合环境影响，引起学术界和工业界的浓厚兴趣。
　　与内燃机汽车相比，电动汽车能获得更优的能源和环境效益，这源于电动汽车的高能源效率和为电动汽车提供动力的电力脱碳潜力。但是，锂离子电池（lithium-ion battery，LIB）的生产会带来较大的能源和环境负担[2，7]。因此，除电动汽车与动力电池组在生产阶段所产生的环境负荷外，在使用阶段因发电而产生的间接排放很大程度上取决于能源的来源[8，9]。而生命周期评价有助于对环境进行全面的理解，从而避免环境压力的跨地区、跨能源类型的转移，同时它可以超越产品或服务生命周期中的不同阶段，提供关于产品或服务的优势和弊端的全面描述。
　　虽然新能源汽车最近才得到广泛关注，但BEV并不是一项新技术。早在1834年，苏格兰人Robert Anderson就发明了BEV，由于当时可充电电池不足、电池放电后需要更换等限制，BEV并未实际运用。1859年，法国人Gaston Plante发明了可充电铅酸电池，电动汽车开始变得实用起来[10]。1873年，Davidson在英国制造了第一辆实用的电动汽车[11]。在19世纪的大部分时期，电动汽车被认为是一种新奇的小众产品。20世纪初，与内燃机动力汽车相比，BEV成为较为主流的汽车使用类型。然而到1910年，电动汽车制造成本相对较高和行驶里程有限，限制了其生存能力和使用情况，逐渐被汽油动力汽车所替代[12]。真正引起人们对电动汽车兴趣的主要原因是20世纪70年代的石油禁运和能源危机导致的汽油价格迅速上涨。在接下来的几十年里，电动汽车市场被铅酸电池（第一代，行驶里程：80～100英里）和镍氢电池（第二代，行驶里程：100～140英里）所覆盖[5]。随着汽车技术尤其是电池技术的发展，电动汽车逐渐步入汽车市场的竞争行列。国际能源机构（International Energy Agency，IEA）在《全球电动汽车展望2018》中表示：2017年电动汽车销售量同比上年增长54%，首次突破100万辆[13]。就中国而言，电动汽车产销量持续增长，稳居世界首位，2017年的电动汽车保持全球产量第一[14]。
　　1991年，LIB的商业化导致了传统镍氢电池和镍镉电池市场份额的下降[15]。在接下来的几年里，LIB和便携式设备的革命导致了研究兴趣的急剧增加。从2010年起，对电池的研究发表文章的增长率远远超过了其他所有研究领域的整体发表文章[16]。随着LIB性能的提高，其应用开始从便携式电子产品延伸至电动产品上。第一例基于LIB的电动汽车是1997年日本推出的Nissan Altra。该车型采用以锂钴氧化物为活性正极材料的电池组，由12个模块构成，每个模块包含8个100A h电池，电池组总质量350kg，可提供192km的续航里程[17]。几乎所有的主要汽车制造公司的产品线中至少有一种类型的混合动力汽车或纯电动汽车。2016年有近43%的LIB进入电动汽车行业，预计在2025年达到50%[18]。到目前为止，LIB已经主导了消费电子设备的主要市场。LIB拥有更高的能量密度和功率密度、较低的成本、相对较少的污染、更小更轻的特性，能够满足对其灵活性的要求，电池的设计能满足新一代电动汽车的需求[19]。
　　1.1.2 电池组结构
　　作为BEV中核心部件的动力电池组结构复杂，由电池模块、开关设备、控制器等部件组成。目前动力电池组以单体电池（battery cell）作为提供能量的*小单元，通过多个单体电池并串联的方式给电动汽车供电。以Nissan Leaf电动汽车的电池组为例（图1-1）[20]，一个电池组由48个电池模块（battery module）组成；48个电池模块由1组24个堆叠模块（stack module）和2组12个堆叠模块组成；1个电池模块由4个薄板状单体电池构成。在模块中，2个单体电池串联、2个单体电池并联，同时模块中还包含电绝缘的塑料间隔器、连接电力模块的终端母线、提供紧固力的套管等。
　　为方便清单的呈现，将电池组分为四部分：单体电池、电池组装部分（battery packaging）、电池管理系统（battery management system，BMS）和冷却系统（cooling system）。单体电池由四个主要部分组成：正极材料、负极材料、电解液和隔膜。为提高电池组容量和高速率性能的发展，越来越多的正极材料被研究使用，如LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2或相关的作为正极材料商业化使用的氧化物[21]。正极材料作为单体电池的核心组成部分，有不同的类型，如锂镍氧化物（lithium nickel oxide，LNO）、锂钴氧化物（lithium cobalt oxide，LCO）、锂锰氧化物（lithium manganese oxide，LMO）、镍钴锰或镍钴铝三元材料[nickel cobalt manganese oxide（NMC），或nickel cobalt aluminum oxide（NCA）]及磷酸铁锂（lithium iron phosphate，LFP）等。目前，应用到商业上的纯电动汽车，其关键零部件的锂离子动力电池组有各种类型的正极材料。例如，BMW I3和Chevrolet Volt一般使用锂锰氧化物-石墨（LMO-C）电池组，Nissan Leaf（新款）和Tesla Roadster电动汽车使用的是镍钴锰-石墨（NMC-C）电池组，BYD系列（如BYD e5和BYD e6）使用的是磷酸铁锂-石墨（LFP-C）电池组。单体电池是电池组中的关键组件，其常见的材料如表1-1所示。
　　1.1.3 动力电池环境影响评价研究现状及发展趋势
　　近年来，不断有学者研究纯电动汽车及其电池组在能源消耗、二氧化碳排放、全球变暖潜势（global warming potential，GWP）等方面的环境影响。尽管纯电动汽车在使用过程中没有直接的温室气体排放即零尾气排放，但是电动汽车使用阶段的环境负担间接转移到电力结构上，并且在电池组的生产制造过程中也会给环境造成较大的影响。在对电动汽车的环境影响进行深入研究的同时，也有不少学者针对电动汽车关键部件之一的电池组进行了不同分析维度的研究，随着动力电池的广泛使用，如何建立综合环境体系、评估不同类型锂离子电池材料的性能和环境负担逐渐成为新的研究热点。
　　早在“十二五”时期，电动汽车产业就被列为战略性新兴产业之一，作为我国新能源产业的核心组成部分，予以重点发展。在经历了产业导入期和快速增长期后，电动汽车产业在2016年进入了稳定增长期[24]。随着消费层次的多元化发展和环保约束的升级，人们对电动汽车的环境效益更加关注。较为常见的是将电动汽车与传统类型的燃油车进行环境性能的比较分析研究，如魏丹等[25]在电动汽车和传统汽车的环境效益和能耗研究中发现，电动汽车的能量消耗比传统车辆少50%且节能效果*好；甄文婷[3]从全球变暖、酸化、粉尘、有毒气体和能源消耗等5个方面对燃油车和纯电动汽车进行环境方面的可持续性评估时，研究得到纯电动汽车的可持续性优于燃油车。不同电气化程度下的电动汽车的生命周期评价也成为研究热点，如李书华[6]分析了混合动力汽车（hybrid electric vehicle，HEV）、插电式混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）和BEV三类电动汽车从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）阶段的环境影响，并以传统内燃机汽车为比较基准，得出纯电动汽车的节能减排能力显著的结论。电动汽车与代用燃料车之间的环境效益比较分析研究也备受关注，如王攀[26]选择BEV、PHEV、HEV和压缩天然气汽车（compressed natural gas vehicle，CNGV）为研究对象，利用全生命周期评价来分析汽车的能源消耗、碳排放、常规污染物排放和颗粒物排放，并以传统内燃机汽车为比较基准，发现BEV、PHEV、HEV可以降低能源消耗，CNGV可以降低石油消耗。
　　生命周期评价往往被用来评估动力电池组的环境影响。根据生命周期阶段的不同，研究范围也不尽相同。有学者研究了电池从摇篮到坟墓的全生命周期，如张城[27]从绿色设计和制造的角度设计研发动力电池组，利用生命周期理论和电池组设计参数建立了电池组的参数设计模型与环境影响间的关联性。卢强[28]利用全生命周期理论对磷酸铁锂（LFP）电池和镍氢（Ni-MH）电池的生产、使用和回收阶段进行能源消耗和环境排放的评估，发现在生产阶段Ni-MH电池的能耗比LFP电池高15%，在使用阶段电池充放电效率的提高可以改善电池环境性能，电池里金属材料的再生应用可以降低能耗和碳排放。程冬冬[29]选择LFP电池和镍钴锰酸锂（NMC）电池作为研究对象，分析了电池在生产、使用和回收过程中产生的全球变暖潜势、酸化、富营养化、光化学烟雾和臭氧损耗，利用层次分析法综合分析了两种电池的环境效益，得出LFP电池的环境影响比NMC电池更小。有学者研究了电池在生产阶段的环境影响，如弓原等[30]计算了LiFePO4/C、LiFe0.98Mn0.02PO4/C和FeF3(H2O)3/C的碳足迹、水足迹和生态足迹，得出FeF3(H2O)3/C在生产阶段所产生的三类环境足迹值均*低。单体电池中不同的正极材料成分，会导致电池产生较大的环境影响差异，如汪祺[31]评价了三元材料、LMO和LFP等三种常见的锂离子正极材料在全球变暖、大气酸化、生态毒性、水体富营养化和8种污染排放物的环境影响，利用层次分析法加权环境指标，得到LMO的环境效益最高，LFP的环境效益最低。
　　在电动汽车方面，最初的兴趣源于BEV能够提供的低排放或零排放，通过研究不同汽车类型所带来的环境影响来探讨未来的绿色运输工具。在2016年6月国际清洁交通委员会的工作报告中，分析BEV、PHEV和氢燃料电池电动汽车（hydrogen fuel cell electric vehicle，HFCEV）三种电力系统汽车的技术成本和碳排放，结果表明BEV的成本*低，LIB可能仍将是电动汽车电池的核心部分[32]。在利用从摇篮到坟墓的全生命周