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原文链接：电动汽车充电电池：实现可持续管理的关键策略解析

生命周期评估 (LCA) 量化了产品从诞生到退出市场的整个生命周期对环境的影响。它评估了每个生命周期阶段的能源使用、材料流和排放。本报告探讨了在美国电动汽车市场呈指数级增长的情况下，电动汽车 (EV) 电池激增所带来的挑战和潜在解决方案。它重点关注锂离子电池 (LIB) 的处置和回收对环境和经济的影响。

过去十年，电动汽车销量达数百万辆，这项研究凸显了高效回收方法的必要性，以减轻电池生产和处置对环境的破坏。利用生命周期评估 (LCA) 和生命周期成本评估 (LCCA)，本研究通过使用 SimaPro V7 和 GREET V2 等软件工具比较了新电池和再生电池的排放量和成本。研究结果表明，回收电池对环境的影响明显低于使用新材料制造新电池，而且经济上也是可行的。这项研究还强调了为即将到来的大量废旧电动汽车电池做好准备的重要性，并为未来优化电动汽车电池处理和回收的研究提供了建议。

1. 简介

生命周期评估 (LCA) 是一种评估产品生命周期各个阶段对环境影响的方法，从原材料提取到材料加工、制造、分销、使用、维修和保养，以及最终处置或回收。生命周期评估旨在识别和量化所使用的能源和材料以及排放到环境中的废物，以评估它们对环境的影响，并旨在识别和评估改善环境的机会。

在美国，在应对气候变化和全球变暖的举措的推动下，电动汽车 (EV) 市场在2022年的价值达到了491亿美元。预测显示，到2032 年，该市场将扩大到2157亿美元，复合年增长率为15.5%。电动汽车的普及激增，增加了对锂离子电池 (LIB) 的需求，导致钴、锂、铜和镍等电池基本原材料的价格上涨。这些原材料的价格急剧上涨；例如，锂的价格在 2021 年上涨了四到五倍，从 2022 年 1 月到 2023 年 1 月又几乎翻了一番。这种需求的增加导致许多矿场出现环境和人道主义问题，如果不加以解决，这些问题可能会随着需求成比例增加。

管理电动汽车废旧锂离子电池的激增对美国以及世界其他国家来说都是一个重大挑战。电动汽车电池的成分复杂，包括锂、镍、钴、铜和石墨碳等元素，其中一些元素越来越难以经济地获取。这些元素的稀缺性和开采强度，再加上污染严重的开采过程，对环境构成了严重的威胁。锂离子电池的不当处置会将有毒化学物质释放到土壤和水中，从而导致自然资源的长期污染。

不正确的电池处置造成的后果不仅限于当地的污染，还会导致全球环境问题和可能的非法电子垃圾倾倒。随着电动汽车在全球越来越受欢迎，不当处置问题日益严重，导致各国的污染水平和有毒废物增多。这反过来又影响水资源和公众健康，同时对各种生态系统和野生动植物造成重大危害。鉴于过去 12 年中已售出超过 250 万块电动和插电式汽车电池，需要高效的回收解决方案。美国政府正在资助回收项目，美国环境保护署向此类举措投资超过 1 亿美元，两党基础设施法作为《拯救海洋 2.0 法案》的一部分，在 2022 年至 2026 年期间拨款 2.75 亿美元。本研究旨在评估这些回收措施对电动汽车行业的环境影响和有效性。

2.文献综述

虽然电池在充电容量达到80%左右时可能不再适合电动汽车使用，但它们仍具有巨大的再利用潜力，考虑到电池制造的整个过程所产生的环境成本，这一点至关重要。重新利用这些电池，特别是在储能系统 (ESS) 中满足自给自足的能源需求，将带来令人鼓舞的环境效益，特别是在绿色能源供应较低的地区。然而，由于电池化学成分及其用途和成分的多样性，构建互连的 ESS 存在挑战。然而，值得注意的是，本文中提到的所有研究均未在美国进行，鉴于每个国家的电力基础设施在电动汽车的 LCA 比较中都发挥着重要作用，因此进行了此类研究并在此报告，以阐明这些电池对美国环境的真正影响。

3. 环境影响类别

为了全面了解与电动汽车电池回收相关的总体环境影响，我们使用了标准环境影响类别来量化不利的环境和健康影响。在考虑纳入的30多种环境影响中，有 19 种被选为与本研究最相关的：全球变暖潜能 (GWP)、酸化潜能 (AP)、累积能源需求 (CED)、臭氧消耗潜能 (ODP)、颗粒物形成 (PMF)、非生物耗竭潜能 (ADP)、光化学臭氧生成潜能 (POCP)、淡水生态毒性潜能 (FETP)、非致癌人体毒性 (HTnc)、致癌人体毒性 (HTc)、陆地富营养化潜能 (EPt)、海洋生态系统富营养化潜能 (EPm)、水资源枯竭、土地利用和土地变化、生物多样性丧失、噪音污染、土壤质量退化、热污染和地下水污染。下面对每个选定的影响类别进行了简要说明：

全球变暖潜能值 (GWP)：全球变暖潜能值 (GWP) 是生命周期评估 (LCA) 中用于评估温室气体 (GHG) 对全球变暖影响的关键指标。它将不同温室气体的辐射强迫效应（即地球能量平衡的变化）与参考气体二氧化碳 (CO2) 的辐射强迫效应进行比较。GWP 在不同的时间范围内计算，通常为 20、100 和 500 年，以解释不同气体的不同寿命和直接影响。较短的时间范围强调甲烷 (CH4) 等气体的影响，这些气体虽然寿命短但最初效力很强，而较长的时间范围则关注在大气中持续时间较长的气体，如CO2 。CO2的 GWP在所有时间范围内均设置为 1，其他气体的评级基于其与CO2的变暖效应相比如何。这考虑到了气体吸收和发射红外辐射的能力、其大气寿命及其浓度等因素。

酸化潜力 (AP)：酸化潜力 (AP) 是生命周期评估 (LCA) 中的一个重要类别，用于评估排放物导致环境酸化的可能性。该过程涉及排放到大气中的污染物，这些污染物发生化学转化并返回地球表面，形成“酸雨”或其他酸性物质或材料，这些物质或材料可以通过自然过程转化为酸性物质。这会对土壤、水、生态系统和人类健康产生有害影响。导致酸化的主要污染物包括二氧化硫 (SO2 )、氮氧化物 (NOx)、氨 (NH3 ) 和挥发性有机化合物 (VOC)，这些污染物可能来自人类活动，也可能来自自然来源。

累计能源需求 (CED)：累计能源需求 (CED) 是生命周期评估 (LCA) 中的一个类别，用于衡量产品、服务或系统在整个生命周期内所需的总一次能源。它同时考虑了可再生能源和不可再生能源，提供了有关能源效率和能源消耗对环境影响的见解。CED 有两个主要组成部分，第一个是不可再生能源，包括来自有限资源的能源，如化石燃料（煤炭、天然气和石油）、核能和其他不可再生能源；第二个是可再生能源，包括来自可持续能源的能源，如太阳能、风能、水力发电、地热能和生物质能。

臭氧耗损潜能值 (ODP)：臭氧耗损潜能值 (ODP) 是生命周期评估 (LCA) 中的一种测量方法，用于评估某种物质对臭氧层的破坏程度。臭氧层对于保护地球免受太阳有害紫外线 (UV) 的伤害至关重要。高 ODP 的物质会导致臭氧层耗损，从而导致到达地球的紫外线辐射增加，这会危害人类、动物和生态系统。臭氧耗损的主要因素包括氯氟烃 (CFC)、哈龙、四氯化碳、甲基氯仿以及一些氢氯氟烃 (HCFC) 和氢溴氟烃 (HBFC)。这些物质会在平流层中释放氯和溴原子，从而分解臭氧分子。

颗粒物形成 (PMF)：颗粒物形成 (PMF) 是生命周期评估 (LCA) 的一个方面，侧重于排放物在空气中形成颗粒物 (PM) 的可能性。PM 包括对人类健康以及生态系统和环境构成风险的小颗粒或液滴。它的大小和成分各不相同，PM10描述10微米或更小的颗粒，PM2.5描述2.5微米或更小的颗粒。较小的颗粒尤其令人担忧，因为它们可以深入呼吸系统，甚至进入血液。PMF 主要来自直接排放的初级颗粒和次级前体，如二氧化硫 (SO2 )、氮氧化物 (NOx)、氨 (NH3) 和挥发性有机化合物 (VOC)，它们在大气中发生反应形成颗粒。

非生物耗竭潜力 (ADP)：非生物耗竭潜力 (ADP) 是生命周期评估 (LCA) 中的一个类别，用于研究消耗非生物（非生物）资源（如矿物和化石燃料）的可能性。这种耗竭是一个重大问题，因为它会影响子孙后代对这些资源的可用性以及由此产生的环境和社会经济影响。ADP 特别关注不可再生资源，包括金属矿石（如铁、铜和铝）、工业矿物（如石灰石和磷酸盐）和稀土元素等矿物。此外，化石燃料（如煤炭、石油、天然气和泥炭等资源）也包括在此类别中。

光化学臭氧生成潜力 (POCP)：光化学臭氧生成潜力 (POCP) 是生命周期评估 (LCA) 中使用的一种测量方法，用于评估某些排放物形成地面臭氧或对流层臭氧（通常称为烟雾）的可能性。这种类型的臭氧与高层大气中的保护层不同，会对人类健康、生态系统和农作物产生负面影响。地面臭氧的形成是大气中复杂的光化学反应的结果，主要涉及挥发性有机化合物 (VOC) 和氮氧化物 (NOx)。这些物质在释放到空气中并暴露在阳光下时会相互作用产生臭氧。

淡水生态毒性潜力 (FETP)：淡水生态毒性潜力 (FETP) 是生命周期评估 (LCA) 中的一个评估类别，用于衡量释放到淡水环境中的物质可能产生的有害影响。该类别评估对河流、湖泊和溪流等水体中的水生生物的潜在损害，同时考虑所涉及化学物质的毒性和浓度。造成淡水生态毒性的物质多种多样，包括重金属、杀虫剂、工业化学品和药品。这些化学物质会干扰水生生物的生物过程、繁殖和生存，从而对其产生负面影响。这种影响可能导致整个生态系统结构和功能的改变。

非致癌性人体毒性 (HTnc)：非致癌性人体毒性 (HTnc) 是生命周期评估 (LCA) 中的一个类别，侧重于接触有毒物质对人体可能产生的非致癌性不良健康影响。它涉及一系列健康问题，包括器官损伤、生殖和发育毒性、神经毒性和内分泌紊乱等。多种化学物质都可能导致非致癌性人体毒性，包括重金属、溶剂、杀虫剂、工业化学品和空气污染物。这些物质可以通过吸入、摄入或皮肤接触被人体吸收，由此产生的健康影响因接触量（或剂量）、持续时间和方式而异。

人类毒性致癌性 (HTc)：人类毒性致癌性 (HTc) 是生命周期评估 (LCA) 中的一个重要影响类别，用于评估接触致癌物质的潜在健康风险。这些物质可能导致活体组织发生癌症，对健康造成重大危害。评估着眼于不同的接触途径，例如吸入、摄入和皮肤接触。各种物质都被确定为致癌人类毒性的潜在因素，包括多环芳烃 (PAH)、挥发性有机化合物 (VOC)（如苯）、重金属（例如砷、镉和铬）、石棉、甲醛、二恶英和呋喃，以及一些已知具有致癌作用的杀虫剂和除草剂。

陆地富营养化潜力 (EPt)：生命周期评估 (LCA) 中的陆地生态系统富营养化潜力 (EPt) 评估陆地生态系统中营养过剩对环境的影响。这种现象主要由氮和磷化合物引起，导致土壤化学变化、植物群落改变和栖息地退化。造成这一问题的主要因素包括氮化合物（如氨、氮氧化物和硝酸盐）和磷化合物（如磷酸盐），它们源自农业、工业、运输和废物管理。此 LCA 类别有助于评估和减轻营养过剩对陆地环境的影响。

海洋生态系统富营养化潜力 (EPm)：生命周期评估 (LCA) 中的海洋生态系统富营养化潜力 (EPm) 侧重于评估海洋栖息地营养过剩对环境的影响。这种营养过剩主要来自氮和磷化合物，可能导致有害藻华、氧气耗尽（缺氧）、生物多样性丧失和海洋栖息地变化等问题。氮化合物（如硝酸盐和氨）和磷化合物（如磷酸盐）是主要因素。这些营养物质通常来自农业径流、废水排放、工业排放和大气沉降。此 LCA 类别有助于了解和管理营养过剩对海洋环境的生态影响。

水资源枯竭：水资源枯竭是生命周期评估 (LCA) 中的一个重要影响类别，旨在评估与淡水资源枯竭相关的潜在环境影响。水资源枯竭考虑了水消耗和污染的数量和质量方面，评估了对水资源的压力以及随之而来的生态、社会和经济影响。

土地利用和土地变化：土地利用和土地利用变化是生命周期评估 (LCA) 中的重要类别，用于评估人类活动使用和改变土地对环境的影响。“土地利用”研究将土地用于农业、林业、城市或工业用途的影响，重点关注使用的持续时间和强度及其对生物多样性、土壤和生态系统服务的影响。“土地利用变化”涉及土地从一种类型转变为另一种类型，例如从森林转变为农田或从草地转变为城市地区，以及它对土地覆盖、栖息地丧失、反照率变化以及碳和水循环的影响。

生物多样性丧失：生物多样性丧失是生命周期评估 (LCA) 中的一个关键影响类别，它研究人类活动对地球上各种生命的潜在不利影响，包括不同种类的植物、动物和微生物，这些物种内的遗传差异，以及它们形成的生态系统。

噪音污染：噪音污染是生命周期评估 (LCA) 中的一个重要影响类别，侧重于评估产品、服务或系统在各个生命周期阶段产生的有害或不必要噪音对环境和人类健康的影响。噪音污染是一个值得关注的重要问题，因为它可能对人类健康、福祉、野生动物和整体环境质量产生影响。

土壤质量退化：土壤质量退化是生命周期评估 (LCA) 中的一个重要影响类别，它涉及人类活动导致土壤健康和功能下降的问题。土壤质量是生态系统服务不可或缺的一部分，因为良好的土壤质量支持植物生长、调节水流、循环养分并承载着大量生物多样性。

热污染：热污染是生命周期评估 (LCA) 中的一个重要影响类别，用于评估人类活动导致的环境温度异常变化的影响。它通常发生在工业或发电厂向环境中排放热水或空气时，影响水质和生态系统，特别是水生生物。

地下水污染：地下水污染是生命周期评估 (LCA) 中的一个关键影响类别，用于评估人类活动导致污染物进入地下水资源的程度和影响。地下水是饮用水和灌溉的重要来源，其污染会对人类健康、生态系统和水资源供应产生严重影响。

环境影响因素的纳入和排除

在本研究中，首先使用 SimaPro 软件V7及其 ReCiPe Endpoint (H) V1.06/World ReCiPe H/H 方法进行环境影响评估。这种方法可以分析 19 个潜在影响类别中的 12 个。由于软件限制，无法包括其余七个关键因素：全球变暖潜力、累积能源需求、水资源枯竭、噪音污染、土壤质量退化、热污染和地下水污染。为了充分考虑 LCA 效应，稍后将对这些因素进行单独讨论。随后使用 GREET 软件 V2 提供了更广阔的视角，提供了回收过程各个阶段的排放和能源消耗的详细数据。这有助于更全面地了解全球变暖潜力、累积能源需求和水资源枯竭。然而，由于可用数据不足，噪声污染、土壤质量退化、热污染和地下水污染这四个因素仍然难以捉摸，因此量化起来具有挑战性。表1将所有19个环境因素分类，标明了分析的因素和研究范围之外的因素，以供全面考虑。

4. LCA模拟

4.1. 考虑的 LCA 软件

本次生命周期评估 (LCA) 分析选择了 SimaPro 和 GREET 两个软件平台。SimaPro 以其详细的 LCA 功能脱颖而出，包括丰富的数据库（如 Eco-invent）和对各种影响评估方法的支持，包括 Eco-Indicator、EDIP、EPD、ReCiPe 和 CML。这组功能使其与 GaBi Pro 和 OpenLCA 等其他领先的 LCA 软件相媲美，可以直接计算环境影响，以评估对环境和人类健康的影响。其强大的数据库巩固了其行业领先地位。

相比之下，GREET 是一款免费软件工具，由阿贡国家实验室在美国环境保护署的支持下开发。它以可定制的 LCA 功能而著称，尤其是在将结果呈现为每个生命周期阶段的实际排放量方面，并且它有助于在此应用中对不同的回收方法进行比较和详细分析。当 SimaPro 和 GREET 一起使用时，可以全面了解整个 LCA 过程，从而提高对回收电动汽车电池对环境和人类健康影响的评估准确性。

4.2. SimaPro

最初的 SimaPro 软件于1990年发布。它是生命周期评估 (LCA) 的领先软件工具，广泛应用于工业、咨询和学术界。它提供全面的LCA功能、广泛的环境影响数据库（如Eco-invent），并支持多种影响评估方法（如 ReCiPe 和CML）。它的灵活性允许进行定制研究和情景分析，还促进了协作和详细报告。此外，SimaPro可以与其他工具集成以进行高级分析，使其成为评估产品和服务对环境影响的宝贵资产，从而可以修改流程以减少影响。

为了使用 SimaPro 模拟电动汽车电池的生命周期，我们选择了镍钴锰 (NCM) 化学成分作为当前供应领导者的代表。评估使用了表2中所示的电池成分。

在 SimaPro 软件中创建了一个组件，该组件源自 SimaPro 的 Eco-invent 库，用于模拟电池。由于库不允许精确复制材料（如表 1所示），因此选择了一些组件的材料等效物，如表3所示。

SimaPro 可以将生产过程的影响整合到最终产品分析中。在这个组装案例中，重点放在电池制造过程上。本研究以新泽西州为基准，考虑到天然气是该州的主要能源（占能源产量的 46%），假设是基于电池生产设施中使用的所有能源都来自天然气这一前提做出的。电池生产和电池组制造的能耗为 1500 MJ/kWh，相当于 28 kg/kWh 的天然气。

在 SimaPro 中，这个量被平均分配给两个过程，第一个是工厂运行的能源，第二个是机器运行的能源，每个过程消耗 14 kg/kWh 的天然气。机器操作和工厂操作所消耗的能源之间的差异在于它们的范围。机器操作所消耗的能源特定于生产设备和机械在主动使用过程中所消耗的功率。相比之下，工厂运营所消耗的能源更为全面，涵盖了工厂内的所有能源使用情况。这一范围更广，包括照明、供暖、制冷和通风等基本设施，涵盖了工厂环境的整体运营能源需求。对于处置场景，由于可用图书馆数据本身的局限性，只有焚烧被考虑为一种回收选项。

如前所述，对于本次大会的影响评估分析，考虑了ReCiPe Endpoint (H) V1.06/World ReCiPe H/H 方法，这是 SimaPro 使用最全面的方法。该方法中使用的影响类别针对前面讨论的 19 个关注影响类别中的 12 个，而全球变暖潜能、累积能源需求、水资源枯竭、噪音污染、土壤质量退化、热污染和地下水污染并未在 SimaPro 的这一特定方法中考虑。

SimaPro 分析显示，镍、铜和石墨是电池生产过程中对环境影响的主要因素。这一重要的环境足迹与这些原材料在电池制造中的使用情况相一致，其中石墨是最常用的材料，其次是镍，然后是铜。这些材料对环境的影响主要由通常用于开采这些材料的露天和露天采矿等对环境有害的方法进一步解释。

在电池的标准化结果中，对人类的毒性成为最重要的环境影响，其次是颗粒物形成、化石燃料枯竭和气候变化对人类健康。这些影响很大程度上是由于在开采这些矿物时采用的露天采矿这种对环境有害的做法。露天采矿一般会导致森林砍伐、栖息地破坏和水土流失，并使挖掘现场变得贫瘠，而且往往没有人努力恢复失去的植被。此外，采矿过程中经常使用的爆破会产生细尘，也会带来严重的健康风险。例如，南非采矿业的发病率是世界卫生组织定义的紧急阈值的十倍，每 100,000 人中有 2500-3000 例结核病，部分原因是采矿作业中的颗粒物含量高。由于露天采矿作业，细尘（一种颗粒物）无法得到有效的控制和销毁。

对比焚烧与电池制造对环境的影响，我们发现制造的影响远远大于焚烧。焚烧厂的袋式除尘器可有效减少颗粒物排放。这些系统的工作原理是吸入充满颗粒的空气，过滤掉这些颗粒，然后将清洁空气释放回环境中或在工厂内重复使用。然而，焚烧对环境的主要影响在于它对气候变化的贡献，主要是通过排放温室气体，尽管有颗粒过滤，但这仍然是一个挑战。

最后，必须承认本研究的一个关键限制：依赖于 SimaPro 的库，该库上次更新于2010 年。这一限制不仅限制了软件中可用的功能，还影响了所生成信息的时效性和时间相关性。因此，虽然可以识别趋势，但无法使用此数据库获得影响的精确描述。

4.3. 使用 GREET

GREET（交通运输中的温室气体、受管制排放和能源使用）是另一种 LCA 软件工具，由美国能源部阿贡国家实验室开发。GREET 于 20 世纪 90 年代中期首次发布，旨在评估各种车辆技术和运输燃料在其整个生命周期内对能源和环境的影响。生成的模型对各种因素进行了全面分析，包括能源消耗、温室气体排放和空气污染。GREET 广泛用于研究和政策分析，有助于为交通、能源政策和环境影响评估的决策提供信息。它的定期更新和增强使其成为理解交通技术与环境结果之间复杂相互作用的关键工具。

本研究考虑了两款电动汽车：特斯拉 Model 3（电池重量为 480.8 公斤）和日产聆风（电池重量为 303 公斤）。利用 GREET 软件 V2，这些车辆基于 GREET 库中的 EV300—电力（1 型锂离子/NMC111 常规材料）车辆模板进行建模。GREET 的一个主要特性是它能够定制用于汽车充电的电力组合。在本分析中，应用了新泽西州特有的电力组合，如图1所示。该组合基于 EIA 提供的数据。

在分析 GREET 的结果时，这种情况下唯一感兴趣的变量是处置和回收以及电池组装和制造。这些因素将在这里用于说明使用原材料生产新电池与使用电池回收获得的回收材料生产电池所产生的影响之间的差异。GREET 的结果显示在二十三列中，每列代表与运输相关的环境影响和能源使用的不同方面。每列的简要说明如下：

1. 总能量（J/mi）：衡量每英里消耗的总能量，涵盖所有能源。
2. 化石燃料（J/mi）：这表示每英里使用的化石燃料所产生的能量。
3. 煤炭燃料（J/mi）：显示每英里使用的煤炭能量。
4. 天然气燃料（J/mi）：这表示每英里使用的天然气所获得的能量。
5. 石油燃料（J/mi）：表示每英里使用的石油产品的能量。
6. 可再生（J/mi）：这表示每英里使用的可再生能源量。
7. 生物质（J/mi）：表示每英里使用的生物质所产生的能量。
8. 核能（J/mi）：这表示每英里使用的核能。
9. 非化石燃料（J/mi）：这表示每英里使用的非化石能源的能量。
10. VOC（kg/mi）：代表每英里挥发性有机化合物的排放量。
11. CO（kg/mi）：表示每英里的一氧化碳排放量。
12. NOx（kg/mi）：表示每英里的氮氧化物排放量。
13. PM10（千克/英里）：代表每英里颗粒物（10微米或更少）的排放量。
14. PM2.5（kg/mi）：代表每英里细颗粒物（2.5μm或更小）的排放量。
15. SOx（kg/mi）：表示每英里的硫氧化物排放量。
16. CH4 （kg/mi）：表示每英里的甲烷排放量。
17. CO2 (kg/mi)：表示每英里的二氧化碳排放量。
18. N2O（kg/mi）：表示每英里的一氧化二氮排放量。
19. BC（kg/mi）：代表每英里的黑碳排放量。
20. POC（千克/英里）：这表示每英里的初级有机碳排放量。（基本上，这些是可从排放中过滤掉的可燃碳化合物。）
21. CO 2 _Biogenic (kg/mi)：这表示每英里的生物源二氧化碳排放量。（基本上，这是来自化石燃料以外的生物来源的CO 2。）
22. GHG-100（千克/英里）：这代表每英里具有 100 年全球变暖潜力的温室气体排放量。
23. GHG-20（千克/英里）：代表每英里具有 20 年全球变暖潜力的温室气体排放量。

表4显示了 GREET 软件V2针对 Tesla Model 3 得出的结果。表4和图2中显示的数据清楚地表明，制造新（原始）电池所需的能源比在现有电池中使用回收材料所需的能源要多得多。这里，我们将生产原始电池（回收过程的影响总和）与使用回收材料制造新电池进行了比较。具体而言，制造原始电池的能耗是基于回收的能耗的八倍，强调了这两个过程之间的巨大差异。这一发现凸显了投资回收设施的重要性，这可以节省大量能源，从而减少对环境的影响。考虑到新泽西州的能源来源，根据美国能源部 2016 年的报告，该州的能源消耗（75.1 TWhrs）超过了生产（65.3 TWhrs），并且由于满足不断增长的电力需求而导致能源价格上涨的前景，探索降低能源消耗的创新方法变得越来越重要。

图 2. 特斯拉 Model 3 的能量消耗——回收电池与原始电池。

当比较使用原始原材料制造电池的能耗与使用回收的日产聆风电池的能耗时，可以看出数据与特斯拉 Model 3 的情况非常相似（见表4和图 2），生产新电池所需的总能量也是电池回收原材料所需能量的八倍，如表 5和图 3所示。

图 3. 日产聆风的能源消耗——回收电池与原始电池。

关于两款汽车的环境排放，从特斯拉 Model 3 开始，如表 6和图4所示，原始电池制造产生的环境排放量远远超过使用电池回收原材料产生的总排放量。需要注意的一个重要方面是，CO2 、GHG-20 和 GHG-100 大于列出的所有其他影响类别，如图4所示。此外，对于这三个类别，原始电池制造产生的排放量比回收多 10 倍左右，进一步凸显了回收过程的好处。

图 4. 特斯拉 Model 3 排放量——回收电池与原始电池。

日产聆风 (Nissan Leaf) 模型获得的结果与特斯拉 Model 3 获得的结果非常相似，如表 7和图 5所示。

图 5. 日产聆风排放量——回收电池与原始电池。

本研究中使用的方法的一个显著限制与 GREET 如何处理处置和回收的计算有关。该软件自动依赖其内部数据库来计算 ADR（组装、处置和回收）。为了简化所进行的分析，本研究假设这三个组件之间有相等的分布，以隔离处置和回收。但是，这种方法限制了修改或专门控制这些计算中的某些参数的能力。当尝试在 GREET 中整合和分析特定的回收过程（例如湿法冶金或火法冶金）时，这种限制变得特别具有挑战性。为了解决这一限制，假设 GREET 数据库准确地代表了要回收和处置的车辆材料。这种简化有助于克服软件的限制，使本研究能够通过关注 ADR 组件之间的相等分布来进行。但是，很明显，需要采用不同的方法来评估可能用于电动汽车电池回收的特定过程之间的差异。

4.4. LCA 软件的优缺点

SimaPro V7 提供了几个优势，主要是它自动生成环境影响，使用户能够使用多种方法和库量化各种环境因素。这些方法包括用于全球评估的 ReCiPe 方法和针对欧洲市场定制的 CML2 方法。这种多功能性使研究人员能够专注于特定的环境方面，例如全球变暖潜力、酸化潜力和淡水富营养化等。SimaPro 还生成信息图表和树状网络，以可视化结果及其细分，从而更深入地了解环境影响。此外，用户可以规范化结果以确定主要的环境因素。SimaPro 创建和比较不同组件和 LCA 系统的能力是另一个有价值的功能。表 8显示了 SimaPro 与 GREET 的比较。

然而 SimaPro 严重依赖其数据库的当前版本，因此用户无法访问更新或更高版本，因此存在一些重大缺陷，而且它还提供了比较或不同环境类别的比率，而不是实际数据。这些限制在快速发展的领域（例如回收利用）尤其成问题，因为这些领域经常出现新的数据和技术。

相比之下，GREET 则因其出色的可定制性而脱颖而出。用户可以指定能源来源、创建独特的能源组合、模拟各种制造流程、定义运输方式和方法，以及定制回收和处置技术。GREET 还提供了一个广泛的现有产品库，可作为定制的起点。整个 LCA 模型，从原材料提取到制造和回收，都可以根据特定需求进行定制。

尽管如此，GREET 的主要缺点在于其呈现结果的方式。与 SimaPro 不同，GREET 提供整个过程的实际排放数据，包括总能源消耗和二氧化碳 (CO 2 )、甲烷 (CH 4 ) 和挥发性有机化合物 (VOC) 等排放量。这种格式在量化环境影响时用处不大，尤其是与人类健康相关的影响。用户不得不依赖外部方法，如 APEEP（空气污染排放实验和政策）模型，将这些排放转化为可量化的环境影响。

4.5. 定性评估

GREET 和 SimaPro 等软件应用程序非常适合分析具有大量定量数据（包括酸化潜力和臭氧消耗潜力数据）的地区的环境影响。这些工具依靠广泛而全面的数据库来模拟和评估各种过程和产品的环境足迹。但是，对于噪声污染、土壤质量退化、热污染和地下水污染等因素，不同项目之间的数据差异性和稀缺性带来了重大挑战。在这种情况下，这些软件应用程序使用的标准化数据库和算法可能无法提供准确或相关的见解，从而降低其应用效率。尽管如此，这些软件方法可以提供的定性评估可以深入了解所研究的产品和服务对环境的影响。因此，下一节将进行定性分析以评估这些因素的环境影响。

虽然没有关于电动汽车电池制造和回收噪声污染的具体数据，但可以从有关汽车制造的信息中推断出结果。将新车生产和旧车回收的噪声污染进行比较，需要评估每个过程产生的噪声强度和持续时间。新车的制造过程涉及金属压制、焊接和组装的重型机械，根据所使用的具体操作和机械，这些机械可产生高达 85-90 分贝 (dB) 或更高的噪声水平。

这个过程是连续的，导致持续的噪音污染。另一方面，汽车回收涉及拆卸、粉碎和再加工材料，在金属粉碎等最密集的操作过程中，噪声水平可能高达 123 dB。然而，这些活动可能不像汽车制造那样连续，可能会导致噪声污染持续时间较短但强度更大的时期。噪声的影响还在很大程度上取决于这些活动与居民区的距离以及噪声缓解措施的存在和有效性。虽然这两个过程都会产生很大的噪音，但制造业由于其连续性，可能会造成更持续的噪音污染，而回收作业在特定活动期间的峰值噪音水平可能会更高，但可能不那么持续。

生产新锂离子电池对土壤质量的影响与使用回收材料生产锂离子电池对土壤质量的影响涉及环境相互作用的不同方面。使用原始材料制造锂离子电池需要大量的资源开采，包括开采锂和钴等金属和矿物，这会严重降低土壤质量。这些活动导致土壤侵蚀、重金属污染以及因工业废物处理而导致的土壤成分变化。另一方面，锂离子电池回收也会影响土壤质量，主要是通过拆解过程中 PFAS、铅、汞和镉等有害物质的潜在泄漏。

然而，回收的目的是减少浪费和再利用材料，这可以通过减少对新原材料的需求和最大限度地减少废物处理的足迹来减轻一些土壤退化。虽然这两个过程都有可能对土壤产生负面影响，但其影响的规模和性质不同。制造新的锂离子电池对环境的影响更大，包括资源开采地点和制造厂周围的土壤质量下降。相比之下，回收的影响更为局部，可以通过适当的废物管理做法和环境保护措施减轻影响。总体而言，如果以负责任的方式进行电动汽车电池回收，与资源开采和制造新电池产生的废物相关的大规模土壤退化相比，电动汽车电池回收对土壤质量的不利影响往往较小。

在比较锂离子电池 (LIB) 制造与 LIB 回收相关的热污染时，重要的是要考虑这两者中涉及的能源密集型过程。与使用回收材料生产 LIB 相比，使用新材料制造 LIB 的能源和热量密集度要高得多，从而导致更高的热污染。这是因为新电池生产涉及材料提取和加工等耗能阶段，而回收通过重新使用材料减少了这些过程的需要。虽然回收也需要能源，特别是拆解和化学处理，但它通常比制造消耗更少的能源，从而产生更低的热污染。因此，虽然制造和回收 LIB 都会造成热污染，但使用原始原材料生产新电池对环境的影响远远大于使用从电池回收中获得的原材料，突显了回收在减轻热污染方面的好处。

锂离子电池 (LIB) 的生产和回收过程中的地下水污染风险存在显著差异。在生产阶段，锂、钴和镍等原材料的提取和加工会导致有毒化学物质释放到环境中，从而可能污染地下水源。这些活动通常涉及使用危险化学品进行金属提取和加工，如果管理不善，这些化学品会渗入土壤和地下水中。在回收方面，虽然电池组件处理和处置不当可能会造成地下水污染，但先进的回收工艺旨在通过安全提取有价值的材料和处理废品来将这种风险降至最低。

回收设施越来越多地采取措施防止危险物质泄漏，从而降低地下水污染的风险。然而，这些措施的有效性取决于所使用的特定回收技术和现有的监管框架。美国环境保护署 (EPA) 已根据《资源保护和回收法案》(RCRA) 提供了有关如何处理锂离子电池危险废物的指导。总体而言，虽然锂离子电池的生产和回收都会对地下水质量构成风险，但按照最佳实践进行的回收过程的管理环境，与电池生产过程中原材料提取和加工所产生的广泛环境影响相比，往往会产生较低的污染风险。

因此，对这些因素的定性评估与定量评估结果相一致。回收降低了从原材料提取到制造过程中与生产原电池相关的环境成本。然而，定性评估为这一分析增加了另一层含义，强调了制造业如何扰乱和降低公民的生活质量，迫使他们应对更多的污染，以及更多的水和土壤污染，这会对这些公民，尤其是儿童的健康产生不利影响。因此，这种定性分析进一步支持使用回收。

5.生命周期成本分析

生命周期成本分析 (LCCA) 在电动汽车 (EV) 电池回收领域发挥着关键作用。通过细致评估与电池回收整个生命周期相关的成本，LCCA为回收过程的经济可行性和可持续性提供了宝贵的见解。在这种情况下使用 LCCA 的最终目标是准确确定回收EV电池的成本。反过来，这对于计算使用回收材料制造新电池所涉及的费用至关重要。这种分析不仅对于理解回收的经济影响至关重要，而且对于促进快速发展的 EV 行业更可持续、更具成本效益的发展也至关重要。它有助于做出明智的决策，平衡环境效益和财务可行性，从而为汽车行业更可持续的未来做出贡献。

本研究探讨了电动汽车电池的回收成本，并将其与新电池的成本进行了比较。目前，新款特斯拉 Model 3 电池的价格为 15,800 美元，日产聆风电池的价格为 6,500 美元。为了估算回收成本，我们采用了两种方法。第一种方法是由阿贡国家实验室（GREET 软件 V2 的开发者）于 2000 年提出的，最初将回收成本设定为每公斤电池 10 美元。此后，这一成本已降至每公斤 5 美元。成本的降低可归因于回收技术的进步、回收过程效率的提高以及随着回收电池数量增长而产生的规模经济。如图6所示，事实证明，回收原材料比购买原始原材料用于生产新电池要经济得多。具体来说，对于特斯拉电池来说，获取再生材料的成本比获取原始材料便宜六倍，而对于日产聆风电池来说，差价便宜四倍。

图 6. 制造新电池与回收利用。

图 7. 制造新电池与回收利用。

图 8. 回收成本与预计收入。

6.总结

世界必须做好准备，有效处理大量报废 (EOL) 电动汽车 (EV) 锂离子电池 (LIB)。有效管理对于减轻不当处置造成的重大环境和经济后果至关重要。回收是一种最佳解决方案，可以重复使用材料，从而降低由回收的 LIB 生产新电池的成本以及与原材料提取相关的排放。进行生命周期评估 (LCA) 可以详细分析电池从提取到处置的生命周期中的每个阶段。尽管两个软件包的呈现方式不同，但 SimaPro 和 GREET 可以评估新电池和再生电池的排放量，并且两者都表明与使用新材料相比，回收对环境的影响程度较低。

此外，生命周期成本评估 (LCCA) 揭示了回收的经济可行性和商业潜力。未来的研究工作应包括几项关键举措，以加强对电动汽车电池回收的理解和评估。应将湿法冶金和火法冶金工艺纳入 GREET 软件分析，以更好地评估这些回收技术对环境的影响。最后，未来的研究应集中于量化使用回收材料生产新电池的环境和经济成本。这种彻底的方法将加深对回收过程的了解，并评估在二次电池生产中使用从替代加工技术获得的回收组件的实用性和可持续性。

在美国，回收公司已在多个州建立了工厂，例如内华达州，其中包括 Redwood Materials、NV 和 American Battery Technology Co. 等公司；德克萨斯州，其中包括 Ecobat 等公司；马萨诸塞州，其中包括 Ascend Elements 等公司；新泽西州，其中包括 Princeton NuEnergy 等公司，等等。虽然本研究的主题围绕新泽西州展开，但回收公司设有工厂的州正在努力使其能源结构更加环保，增加对风能和太阳能等可再生能源的依赖，减少对化石燃料的依赖。本文的研究结果可以安全地推广到拥有回收公司的其他州；然而，未来的研究仍应努力研究其他州的能源结构，主要是为了更好地了解美国基础设施的现状及其是否适合进一步向可再生能源过渡。