新能源汽车电池负极材料的生态设计及应用

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新能源汽车的发展促进了人们对动力电池的需求,而典型负极材料的工作性能已近乎达到理论极限。为满足工作性能需求,新型负极材料的发展与应用未来可期,开展其生态环境影响的量化评估与生态设计分析,是实现负极材料可持续发展的关键。研究首先针对中间相炭微球(MCMB)、钛酸锂(LTO)和硅碳(Si/C)三类新型负极材料,采用生命周期分析方法(LCA)开展生命周期环境影响评价。通过公开数据库,文献检索,企业报告、理论计算等方法建立中温煤沥青、洗油、硫代硫酸钠、碳酸锂、二氧化钛等原料的生命周期编目清单,调研并核算新型负极材料生产的原料、能源消耗与污染物排放等生产过程数据,完成三类材料的生命周期清单编制;采用Re Ci Pe方法体系对多类环境影响进行量化分析,研究结果表明:(1)MCMB的预热阶段和球化阶段造成环境影响严重,其中预热阶段是气候变化(GWP)、颗粒物质生成(PMFP)、化石能源稀缺性(FFP)主要贡献者,分别占比为44.16%、39.72%和75.82%;球化阶段对光化学臭氧形成(HOFP)、陆地酸化(AP)、人体非致癌毒性(CFn C)、水资源耗竭(WDP)、矿产资源稀缺性(SOP)具有最大贡献,分别贡献了36.71%、39.08%、53.06%、96.23%和99.88%。(2)焙烧和一次液相融合阶段为LTO的关键阶段,焙烧阶段对HOFP、PMFP、AP、CFn C、FFP贡献较大,所占比重分别为55.60%、53.97%、57.84%、64.96%和46.02%;一次液相融合阶段对GWP、WDP、SOP、FFP均有主要贡献,占比分别为44.95%、98.22%、100%和42.38%。(3)Si/C的硅粉处理、炭化和混合筛分阶段对环境影响具有重要贡献,硅粉处理阶段对GWP、WDP和SOP具有最大贡献,分别贡献了37.60%、100%和100%;炭化阶段对HOFP、PMFP、AP和CFn C占有最大贡献,其贡献比重分别为38.04%、33.65%、39.21%和48.48%;混合筛分阶段对FFP贡献最大,占比为49.34%,同时对GWP、HOFP、PMFP、AP、CFnc具有明显贡献。(4)以生产1 t材料为比较基准,人体健康损害、生态系统多样性损害和资源耗竭性损害三类终点环境影响比较结果均为:MCMB7Ah放电量为功能单位,开展负极材料的环境负荷对比分析,研究结果显示:满足综合性能要求的天然石墨、人造石墨、MCMB、LTO和Si/C负极材料的功能单位质量分别为10.3 kg、7.6 kg、3.63 kg、3.64 kg和4.47kg。五类负极材料的人体健康损害大小为:天然石墨>Si/C>LTO>人造石墨>MCMB;生态系统多样性损害排序为:Si/C>天然石墨>LTO>人造石墨>MCMB;资源耗竭性损害结果为:人造石墨>Si/C>LTO>天然石墨>MCMB。最后,采用基于LCA的生态设计方法,从材料性能-环境影响-资源影响三个方面对五类负极材料开展生态设计分析,研究结果表明:基于放电性能参数的生态设计结果为:WMCMB>W人造石墨>WLTO>WSi/C>W天然石墨,其中MCMB材料具有最优实施效果;基于质量参数的生态设计结果为:W’人造石墨>W’天然石墨>W’MCMB>W’LTO>W’Si/C,人造石墨材料具有最佳实施效果。通过对动力电池典型及新型负极材料开展LCA分析和生态设计分析,辨识负极材料生产中造成环境影响的关键环节及具体原因,为锂电池/动力电池负极材料清洁和生态化发展提供参考数据;构建科学的生态设计评价方法,更加全面地多角度判断最具生态效益的负极材料,为负极材料生态设计发展提供示范性实践。
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