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2025 , Vol. 47 >Issue 5: 990 - 1001

DOI: https://doi.org/10.18402/resci.2025.05.07

Special Column: Waste Resource Utilization towards the “Dual Carbon” Goal

Environmental impact assessment of resource recovery from end-of-life power batteries in the context of carbon neutrality

  • LIU Minwei , 1 ,
  • WEI Kexin 2 ,
  • CHENG Beibei 3 ,
  • LIU Xiaoyu 3 ,
  • ZENG Jincan 4 ,
  • WANG Peng , 3
Expand
  • 1. Planning & Construction Center, Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650011, China
  • 2. School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
  • 3. Guangzhou Institute of Energy Conversion, CAS, Guangzhou 510640, China
  • 4. Energy Development Research Institute, China Southern Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510663, China

Received date: 2024-08-22

  Revised date: 2025-04-21

  Online published: 2025-06-17

Fold

Abstract

[Objective] Improper disposal of end-of-life power batteries may lead to soil and water pollution. Scientific evaluation of the environmental impacts during the regeneration and utilization processes of these batteries and the identification of key environmental impact factors and stages are essential for improving the resource recovery efficiency and promoting the achievement of the “dual carbon” goal. [Methods] Under such circumstances, the life cycle assessment (LCA) method was employed to quantitatively analyze the environmental impacts of two recycling processes for end-of-life batteries: mechanical-physical recovery and wet recovery. This study innovatively specified five treatment stages, and three endpoint and eighteen midpoint environmental impact types were considered. [Results] (1) The environmental impact values of both recycling processes were negative, indicating that the recycling of end-of-life power batteries could effectively mitigate environmental impacts from a life cycle perspective. The mechanical-physical recovery exhibited better environmental performance compared to the wet recovery, with both processes demonstrating the greatest mitigation effects on marine ecotoxicity, accounting for 51.4% and 53.2%, respectively. (2) From the perspective of endpoint environmental impact, the recycling of end-of-life power batteries exhibited markedly higher mitigation effects on resource depletion (97.3%) than on human health (2.6%) and ecosystem (0.1%). (3) The battery crushing and sorting stage and the electrode sheet processing stage were identified as the primary contributors to the environmental impacts, each accounting for about 35.7% of the total impacts. [Conclusion] Sensitivity analysis shows that reducing material inputs and improving the recycling rate of recycled products have the most significant impacts on life cycle environmental effects, while variations in electricity input show relatively minor effects. It is recommended to further strengthen the cascading utilization of end-of-life power batteries and improve the output rate of recycled products to reduce their environmental impacts.

Key words： end-of-life power batteries; environmental impact; life cycle assessment; mechanical-physical recovery; wet recovery

Cite this article

LIU Minwei , WEI Kexin , CHENG Beibei , LIU Xiaoyu , ZENG Jincan , WANG Peng . Environmental impact assessment of resource recovery from end-of-life power batteries in the context of carbon neutrality[J]. Resources Science, 2025 , 47(5) : 990 -1001 . DOI: 10.18402/resci.2025.05.07

1 引言

在全球可持续发展目标和中国“碳中和”战略背景下，能源转型迫在眉睫。交通运输行业电气化，发展新能源汽车已成为应对碳中和及能源转型的必然路径之一[1,2]。中国是全球最大的新能源汽车市场，也是动力电池生产和消费大国。根据国际能源署的数据，2023年中国电动汽车总保有量达到2190万辆，约占全球电动汽车总保有量的54.8%[3]。中国汽车工业协会的统计数据显示，2023年全国新能源汽车销量为949.5万辆，市场占有率达到31.6%[4]。然而，随着全球新能源汽车产业的快速发展，动力电池的使用和退役数量急剧增加，预计到2030年，累计将会产生1100万t的锂离子电池废物[5]。废旧动力电池的回收和处理问题日益突出，“双碳”目标下新能源汽车转型带来的动力电池报废问题逐渐成为全球性挑战。报废动力电池中含有的重金属和有害物质如果不进行适当的回收和处理，不仅会使锂、钴、镍[6]等战略资源无法进入生产循环，导致资源浪费，也会对环境造成严重污染[7]。2024年8月，工信部公开对《新能源汽车废旧动力电池综合利用行业规范条件（2024年本）》征求意见，旨在推动动力电池回收行业规范化，减少资源浪费[8]。2024年9月，工信部等四部门共同发布《国家锂电池产业标准体系建设指南（2024版）》，要求完善锂电池标准全生命周期管理[9]。因此，评估报废动力电池回收利用过程中产生的环境影响，识别并降低其资源化过程中的环境污染，对我国“碳中和”目标实现和社会可持续发展具有重要意义。
动力电池是新能源汽车的关键部件，当前主要动力电池类型包括磷酸铁锂电池、三元锂电池、铅酸电池和燃料电池[10]。其中，磷酸铁锂和三元锂是目前动力电池的两种主流技术路线[11]，这里的“技术”指材料体系选择，而非电池本身。现有研究主要以某一类型电池或多种类型电池作为研究对象开展其生产、使用和回收等阶段生命周期评价研究。不少学者就动力电池生产阶段的环境影响展开研究，并发现其是产生生命周期环境影响的主要阶段，例如Popien等[12]聚焦电池生产和供应链，采用生命周期评估方法进行了锂离子电池的可持续性评估。Shen等[13]开展了锂离子电池电动汽车全生命周期评价研究。王琢璞[14]利用生命周期评价软件GaBi建立了动力电池全生命周期评价模型，量化评估了磷酸铁锂电池和三元锂电池等典型动力电池生产阶段的环境影响，识别了引起环境影响的关键因素。此外，也有学者研究了废旧电池回收阶段的环境影响，从不同动力电池类型和回收利用技术对比出发分析了回收阶段的环境影响。研究表明动力电池回收阶段是减少全生命周期环境影响的关键阶段[7,14]。如刘永涛等[15]和Shen等[16]分别聚焦三元锂电池和锂离子电池，测算了其回收利用过程对环境的影响，但未能对比不同动力电池类型。Guo等[17]重点开展了对钠离子电池和磷酸锂铁电池环境影响的比较评估，同时结合电池梯度利用技术和各种电池报废回收技术。Wu等[18]考虑了湿法冶金等3种回收方法在电动汽车电池回收阶段的减排潜力。综上，目前虽然已有研究考虑了回收技术的生命周期环境影响，但未对不同回收技术的各工艺阶段进行区分并开展对比研究。此外，目前研究大多聚焦某一类动力电池类型（如三元锂电池、磷酸铁锂电池等）和回收利用技术，仍缺乏对不同回收技术的对比评估，尤其是不同回收技术内各阶段的环境影响差异研究。
基于此，本文利用生命周期评价方法，选取广州报废动力电池材料再生利用项目作为研究对象，重点关注再生利用阶段，开展报废动力电池材料再生利用生命周期环境影响评价案例研究，从生命周期视角出发对比评估机械物理回收工艺和湿法回收工艺两种方法整体生产工艺流程产生的环境影响，明晰机械物理回收工艺2个工艺阶段和湿法回收工艺3个工艺阶段中产生的环境影响，通过Simapro软件构建生命周期评价模型，并计算了3种终端类型和18种中端类型的环境影响；依据三角分布，识别典型关键原辅料、材料等输入参数的波动对不同工艺阶段和回收方法产生环境影响的变化幅度，分析了参数数值波动变化对18种中端环境影响指标的敏感性程度，使用蒙特卡罗方法进行了不确定性分析。通过比较2种不同回收技术，进一步明确降低环境影响的关键工艺环节和主要影响因素。研究结果可为动力电池回收利用、行业可持续健康发展和资源循环利用提供理论支持和参考。

2 案例介绍、研究方法及数据来源

2.1 案例介绍

本文的广州报废动力电池材料再生利用项目（以下简称项目）位于广东省广州市，其主要处理对象为电池厂报废的磷酸铁锂电池、电芯、正极片和负极片。项目于2025年3月投产，年产值达到41958万元，废旧电池单位处理量综合能耗为0.453 tce/t（tce为标准煤当量）。该项目拥有一条1.3万t/年的电池综合处理生产线、一条1万t/年的黑粉循环再造材料生产线、一条7000 t/年废极片破碎分选生产线和一条2000 t/年极片黑粉固相修复生产线。主要包括电池极片破碎分选单元、黑粉循环再生碳酸锂与磷酸铁单元、磷酸铁锂直接修复再生中试单元。电池破碎分选阶段中该项目通过市场回收一部分废三元电池用以制作三元电池黑粉外售。
废旧动力电池再生利用的回收方法主要有机械物理法、化学火法和湿法回收方法等。鉴于机械物理法和湿法回收方法的材料回收利用率和技术成熟度较高，化学火法存在回收金属有限和回收率较低的缺陷，项目采用机械物理法和湿法回收方法相结合的工艺路线。采用无氧预处理—选择性热解—梯级破碎—精细化智能分选等操作流程的机械物理工艺进行锂电池不同组分（如电池和电芯）破碎分选、正负极片精细化拆解以及修复再生；其中，电芯通过电池组分拆解得到，电芯拆解后得到铁锂极片和负极片，随后进入极片料破碎精细化分选环节。极片破碎分选及固相修复再生流程属于同一车间。因经机械物理法回收得到的磷酸铁锂黑粉材料需循环再生，故项目采用湿法回收方法再造电池级碳酸锂和磷酸铁，以及进入蒸发车间产出无水硫酸钠。

2.2 生命周期环境影响评价方法

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种可以评估产品和技术等整个生命周期的环境影响和能源使用等情况的综合评价方法[19]，可用于评估相关的环境影响因素及包括原材料生产、制造、运输、安装、报废处理等整个生命周期过程的潜在影响[20]。按照ISO14040生命周期评估框架，LCA通常划分为4个基本阶段：目标和范围定义、清单分析、环境影响评价和结果解释。

2.2.1 目标和范围定义

研究目的是对报废动力电池材料再生利用项目进行生命周期环境影响评估建模及评价。研究重点是评估报废动力电池再生利用项目回收工艺路线的生命周期环境影响以及产生环境影响的主要工艺阶段。功能单位定义为回收处理1 t废旧磷酸铁锂电池。图1展示了1 t废旧磷酸铁锂电池回收处理的系统边界，涵盖机械物理回收与湿法回收两种工艺路线。机械物理回收工艺主要包括电池破碎分选和正负极片处理2个处理阶段，湿法回收工艺涉及和机械物理回收工艺相同的电池破碎分选阶段以及磷酸铁制备、碳酸锂制备和无水硫酸钠蒸发3个处理阶段。图1中详细标注了各处理阶段的物质输入（如原辅料、能源、资源）与输出（如产物、废弃物），同时考虑了回收的铜、铝、铁料等产品代替其原始生产过程避免的环境影响。磷酸铁锂黑粉等产物因其生产工艺中物料投入包括机械物理回收工艺和湿法回收工艺的部分原辅料和产物，为避免造成研究结果冗杂，未将其生产抵消效应考虑在内，而铜、铝、铁料生产工艺流程及其所需物料相对独立，因此将其原始生产抵消效应纳入系统边界，具体系统边界详见图1。
图1 废旧汽车电池回收LCA系统边界

Figure 1 LCA system boundary for end-of-life vehicle battery recycling

2.2.2 清单分析

生命周期清单主要包括输入、中间工艺和产出以及输出过程中的数据收集，如原材料和能源等的输入、产物产出及废物处理和生命周期各阶段向空气、水和土地排放的废物等。清单数据均来自企业实际生产数据、Simapro软件内置背景数据库及文献资料。其中各阶段的实际投入产出数据主要来自项目节能报告[21]，并参考《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）[22]、《无机化学工业污染物排放标准》（GB31573-2015）[23]和《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2020）[24]等。铜、铝、铁料原始生产数据来源于Ecoinvent数据库中其冶炼加工工艺，其中铜料和铁料分别选取自数据库中的火法炼铜工艺[25]和高纯生铁冶炼工艺[26]下的铜、铁原始生产数据，铝料选取电解铝工艺下的铝原始生产数据[27]。表1详细量化了1 t废旧磷酸铁锂电池在电池破碎分选、正负极片处理、磷酸铁制备、碳酸锂制备和无水硫酸钠蒸发5个工艺处理阶段的投入产出数据，具体包括各阶段消耗的原辅料（如废磷酸铁锂电池、双氧水等）、能源（如电、天然气等）及资源（如水），废磷酸铁锂正极片等产物的产出以及污染物排放数据（如滤液数量、二氧化碳含量、滤渣等固废产生量）。1 t报废磷酸铁锂电池回收利用的具体材料和能耗投入以及产品和污染物排放清单详见表1。
表1 1 t报废磷酸铁锂电池回收利用数据清单

Table 1 Data list for recycling 1 ton of end-of-life lithium iron phosphate batteries

类别 物料及排放物 数量
电池破碎分选阶段
原辅料投入 废旧三元动力电池/t 0.286
废磷酸铁锂电池/t 1.000
废磷酸铁锂电芯/t 0.571
能源投入 电/kW·h 256.714
产物产出 废磷酸铁锂正极片/t 0.857
废磷酸铁锂负极片/t 0.143
磷酸铁锂黑粉/t 0.545
三元电池黑粉/t 0.171
铜料/t 0.213
铝料/t 0.369
铁料/t 0.061
废气排放 废气/g 1.091
烟气/g 4.479
二氧化碳/t 0.164
正负极片处理阶段
原辅料
投入		 废磷酸铁锂正极片/t 0.857
废磷酸铁锂负极片/t 0.143
能源投入 电/kW·h 1603.471
产物产出 铜料/t 0.213
铝料/t 0.369
铁料/t 0.061
负极粉/t 0.111
磷酸铁锂正极材料/再生磷酸铁锂/t 0.275
废气排放 二氧化碳/t 1.022
磷酸铁制备阶段
原辅料
投入		 磷酸铁锂黑粉/t 0.545
浓硫酸溶液/t 1.288
辅料铁粉/t 1.636
氟化钠/t 2.418
双氧水/t 0.327
能源投入 电/kW·h 0.144
天然气/m2 290.057
资源投入 水/m3 10.000
产物产出 磷酸铁/t 0.882
废气排放 废气/g 8.416
二氧化碳/t 0.634
颗粒物排放 粉尘/g 0.701
废水排放 滤液/t 4.429
固废排放 石墨渣/t 0.269
碳酸锂制备阶段
原辅料
投入		 碳酸钠(纯碱)/t 0.291
硫酸锂溶液/t 0.302
能源投入 电/kW·h 811.686
蒸汽/t(1.0MPa, 186℃) 0.237
资源投入 水/m3 5.300
碳酸锂制备阶段
产物产出 碳酸锂/t 0.203
废气排放 二氧化碳/t 0.389
粉尘/g 0.716
废水排放 滤液/t 5.536
固废排放 滤渣/kg 0.709
无水硫酸钠蒸发阶段
原辅料
投入		 沉锂中和母液/t 5.482
硫酸钠溶液/t 0.829
产物产出 无水硫酸钠/t 1.120
废水排放 离心母液/t 0.491
冷凝水/t 4.700

2.2.3 环境影响评价

采用ReCiPe 2016评价方法[28]开展生命周期影响定量评价，该方法将环境影响类型指标分为中端影响指标和终端影响指标[29]，终端影响指标将18种中端环境影响类别归因于末端排放[29]，包括人类健康、生态系统和资源枯竭3种类型。人类健康采用伤残调整寿命年（Disability Adjusted Life Year，单位为DALY）量化,该指标综合衡量疾病导致的早逝损失寿命年与伤残状态生存年。生态系统通过物种年损失值（Loss of Species in a Year，单位为species.yr）表征,反映特定地理区域内年度物种多样性损害程度[30]。资源枯竭采用货币化计量（美元）以USD2013为单位，以评估活动过程中资源的枯竭成本。中端和终端指标结合起来研究可以更加明晰研究对象过程中的环境影响特征及其关系，其所属关系详见表2。本文通过Simapro软件进行报废动力电池材料再生利用项目环境影响的定量分析。经分类后，基于基准值将3种终端环境影响和18种中端环境影响类型转化为统一单一进行标准化处理，以便进行结果对比分析。具体标准化公式如下：
N i = C i N F i
式中：Ni为选定环境影响指标i的标准化值；Ci为环境影响指标i的表征结果；NFi为环境影响指标i的标准化因子。
表2 中端和终端环境影响指标对应关系

Table 2 Corresponding relationship between midpoint and endpoint impact indicators

终端环境影响指标 中端环境影响指标 缩写
人类健康 全球变暖 GW
平流层臭氧损耗 SOD
电离辐射 IR
臭氧形成(人类健康) OF-HH
细颗粒物 FPMF
人类致癌毒性 HCT
人类非致癌毒性 HNCT
水资源消耗 WC
生态系统 臭氧形成(陆地生态系统) OF-TE
陆地酸化 TA
淡水富营养化 FE
海洋富营养化 ME
陆地生态毒性 TET
淡水生态毒性 FET
海洋生态毒性 MET
土地利用 LU
资源枯竭 矿产资源稀缺 MRS
化石资源稀缺 FRS

2.3 数据来源

本文的数据来源主要来自：①2024年项目实际调研及项目报告；②Simapro生命周期软件中自带的欧洲生命周期基础数据库（ELCD）和Ecoinvent数据库等；③《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）、《无机化学工业污染物排放标准》（GB31573-2015）和《危险废物焚烧污染控制标准》（GB18484-2020）等污染物排放标准限值；④铜、铝、铁料原始生产数据。

3 结果与分析

3.1 电池回收的环境影响分析

废旧动力电池的机械物理回收工艺（Mechanical Physical Recovery，MPR）和湿法回收工艺（Wet Recovery，WR）产生的净环境效益（负值环境影响）表明其均可缓解其生命周期过程对环境的影响。此外，两种回收工艺对不同环境影响指标的环境表现差异显著，且各有优势。从中端环境影响指标来看，磷酸铁锂电池机械物理回收工艺的全球变暖指标环境表现较湿法回收工艺更优（表3）。湿法回收工艺在臭氧形成（人类健康）、臭氧形成（陆地生态系统）和矿产资源稀缺指标中表现较好，优于机械物理回收工艺，分别是机械物理回收工艺的1.24倍、1.19倍和4.08倍。两种回收工艺对平流层臭氧损耗指标的环境影响表现差异较小，可忽略不计。矿产资源稀缺负向环境影响成倍增加的原因主要是湿法回收法工艺阶段3和4的电池级碳酸锂和磷酸铁的产出。就毒性指标而言，机械物理回收工艺分别优于湿法回收工艺陆地生态毒性103384.740 kg 1,4-DCB、淡水生态毒性775.824 kg 1,4-DCB、海洋生态毒性1104.334 kg 1,4-DCB、人类致癌毒性347.629 kg 1,4-DCB和人类非致癌毒性25378.716 kg 1,4-DCB。18种中端环境影响指标中共有14种指标的环境影响是机械物理回收工艺低于湿法回收工艺。
表3 废旧电池两种回收工艺的中端环境影响结果

Table 3 Midpoint environmental impact results of two recycling processes for end-of-life batteries

中端环境
影响指标		 单位 机械物理
回收工艺		 湿法回收工艺
全球变暖 kg CO2 eq -2669.841 -1120.985
平流层臭氧损耗 kg CFC-11 eq -0.003 -0.003
电离辐射 kBq Co-60 eq -7.406 -4.372
臭氧形成(人类健康) kg NOx eq -14.487 -17.898
细颗粒物 kg PM2.5 eq -35.832 -22.374
人类致癌毒性 kg 1,4-DCB -954.835 -607.205
人类非致癌毒性 kg 1,4-DCB -90191.780 -64813.064
水资源消耗 m3 -16.059 -12.075
臭氧形成(陆地生态系统) kg NOx eq -15.696 -18.753
陆地酸化 kg SO2 eq -94.581 -58.746
淡水富营养化 kg P eq -15.108 -10.732
海洋富营养化 kg N eq -0.742 -0.517
陆地生态毒性 kg 1,4-DCB -277376.616 -173991.876
淡水生态毒性 kg 1,4-DCB -2518.029 -1742.205
海洋生态毒性 kg 1,4-DCB -3595.214 -2490.880
土地利用 m2a crop eq -228.245 -143.607
矿产资源稀缺 kg Cu eq -288.086 -1174.299
化石资源稀缺 kg oil eq -1273.181 -743.219
从3类终端环境影响来看，报废动力电池材料再生利用过程不同回收方法对资源枯竭、生态系统和人类健康的环境影响表现有显著差异。废旧动力电池机械物理回收工艺对人类健康指标的环境影响表现优于湿法回收工艺（表4）。机械物理回收工艺产生的人类健康环境影响更小，回收处理单位动力电池比湿法回收工艺低0.017 DALY。在废旧动力电池再生利用环节中，湿法回收工艺在生态系统指标上与机械物理回收工艺具有一定差距，相差-1.695×10-5 species.yr。对于资源枯竭指标，湿法回收工艺较机械物理回收工艺表现更好，湿法回收工艺负向环境影响明显优于机械物理回收工艺。综合3种终端环境影响指标结果，机械物理回收工艺对人类健康和生态系统指标的环境影响表现更好，而在资源枯竭指标中湿法回收工艺表现更优。
表4 废旧电池两种回收工艺的终端环境影响结果

Table 4 Endpoint environmental impact results of two recycling processes for end-of-life batteries

环境影响类别 机械物理回收工艺 湿法回收工艺
人类健康(DALY) -0.049 -0.032
生态系统(species.yr) -4.712×10-5 -3.017×10-5
资源枯竭(USD2013) -352.037 -435.548
为了更方便比较不同类别的环境影响，对18种中端环境影响指标和3种终端环境影响指标进行标准化（图2）。结果表明，机械物理回收工艺对环境影响的减缓作用较湿法回收工艺更大，优于湿法回收工艺，与王琢璞[14]的研究结果一致。就18种中端环境影响指标来说，毒性指标在机械物理回收工艺中对环境影响贡献比例最大，包括海洋生态毒性（51.4%）、淡水生态毒性（30.3%）等。湿法回收工艺整体能够消减生产所带来的环境影响，但其对水资源消耗、土地利用、全球变暖和化石资源稀缺等会产生一定的正向环境效益。湿法回收工艺对电离辐射和矿产资源稀缺等产生负向环境影响，主要归因于电池破碎分选阶段生成的废磷酸铁锂负极片、磷酸铁制备阶段氟化钠的消耗以及碳酸锂制备阶段产生的电池级碳酸锂等。就3种终端环境影响指标来说，机械物理回收工艺产生的环境减排作用分别是湿法回收工艺的1.53倍、1.56倍和0.81倍。
图2 环境影响标准化结果

Figure 2 Normalized results of environmental impacts

3.2 不同处理阶段环境影响分析

从不同回收工艺阶段来看，电池破碎分选阶段和正负极片处理阶段对生命周期环境影响贡献比例最大，均占总体环境影响的35.7%，其次是磷酸铁制备阶段占比为15%。电池破碎分选阶段对海洋生态毒性和淡水生态毒性指标的环境影响减缓贡献较大，所占比例分别是20.7%和20.8%。除以上两种环境影响指标，正负极片处理阶段产生的负向环境影响主要消减人类非致癌毒性（8.9%）和人类致癌毒性（5.1%）。磷酸铁制备阶段、碳酸锂制备阶段和无水硫酸钠蒸发阶段对总体环境影响的贡献占比相对较小。其中，除全球变暖外，碳酸锂制备阶段均对其余17种中端环境影响指标产生不同程度的负向环境效益。值得注意的是，电池级碳酸锂的产出对矿产资源稀缺产生的负向环境影响最大，这说明通过废旧电池再生回收产生电池级碳酸锂可以有效地补充矿产资源。随着回收利用市场和行业发展，动力电池回收不仅有助于降低对矿产资源的依赖，还能减少环境破坏和新电池生产成本。相较其他工艺阶段，无水硫酸钠蒸发阶段产生较小环境影响，占整体环境影响比例仅为6.6%，这与无水硫酸钠无有机成分、冷却控制技术使用和较少副产品等因素有关。
就人类健康环境影响终端指标来说，电池破碎分选阶段和正负极片处理阶段在所有工艺阶段中对人类健康指标贡献占比更高，均达到37.7%（图3）。除电池破碎分选阶段外，磷酸铁制备阶段（16.6%）是湿法回收工艺阶段中对“人类健康”环境减排的主要来源。由于电池级磷酸铁的制备和回收利用可减轻环境影响，其超过了原辅料和能源投入产生的环境影响，进而使得磷酸铁制备阶段产生减缓环境影响效果。湿法回收工艺中碳酸锂制备阶段和无水硫酸钠蒸发阶段对人类健康指标贡献占分别为11.8%和11.1%。就生态系统来说，机械物理回收工艺的电池破碎分选阶段（35.4%）和正负极片处理阶段（35.4%）是产生负向生态系统环境影响的主要阶段。湿法回收工艺贡献39.0%的生态系统环境影响，其中电池破碎分选阶段和磷酸铁制备阶段对生态系统表现出的负向环境影响较大。无水硫酸钠蒸发阶段对生态系统产生的环境影响贡献占比仅为10%。相较其余两个环境影响类别，资源枯竭环境影响主要归因于电池破碎分选阶段，超过正负极片处理阶段，其次是磷酸铁制备阶段。碳酸锂制备阶段和无水硫酸钠蒸发阶段依旧产生相对较低的资源枯竭环境影响，对资源枯竭终端环境影响指标产生的负向环境影响可以忽略不计。总体而言，报废动力电池再生利用过程对“资源枯竭”产生的负向环境影响明显高于“人类健康”和“生态系统”。究其原因是报废电池再生回收利用有效提高了资源化水平和循环利用率。
图3 废旧电池5个处理阶段的环境影响标准化结果

Figure 3 Normalized results of environmental impacts across five treatment stages of end-of-life batteries

3.3 敏感性分析

基于中端和终端环境影响评估结果，选取原辅料、能源和产物3种类型中对整体环境影响贡献较大的6种材料作为项目生命周期环境影响的变动参数，选取了18种主要影响的中端影响指标，依据三角分布进行不确定性分析，置信区间设置为95%，评估6种主要投入参数在±10%的消耗波动变化对环境负荷的影响。结果表明，减少10%的材料投入和提高再生产品回收率可以显著减少对环境的影响，不同参数对环境影响指标产生的波动影响具有一定的差异性。减少10%废磷酸铁锂电芯对电池破碎分选阶段的环境影响指标变化大致处于6%~8%，对土地利用影响较大为8.09%（图4），其次是臭氧形成（人类健康）为7.94%，对电离辐射影响最小为4.27%。正负极片处理阶段中，减少10%废磷酸铁锂正极片可减少8.8%化石资源稀缺、8.79%电离辐射、8.37%全球变暖和8.28%水资源消耗。废磷酸铁锂正极片减少对毒性指标的影响较小，仅可减少0.71%人类非致癌毒性和0.51%陆地生态毒性。
图4 敏感性分析结果

Figure 4 Results of sensitivity analysis

氟化钠减少10%可显著减少10.35%的电离辐射，并进一步降低9.96%、9.93%、9.82%、9.57%的土地利用、水资源消耗、淡水富营养化、海洋富营养化。碳酸锂制备阶段中，碳酸锂增加10%可大幅减少31.45%、23.56%和22.82%的水资源消耗、土地利用和化石资源稀缺，而全球变暖则增加82.41%（本文发现碳酸锂制备阶段中电池级碳酸锂产物的产出和再生利用会对除全球变暖外其余17种中端环境影响指标产生负向环境影响），对于平流层臭氧损耗也会减少其11.43%的环境影响。硫酸钠溶液对18种中端影响指标产生的波动影响较为稳定，其投入数量的减少对于无水硫酸钠蒸发阶段整体环境影响产生的波动影响为10%左右。相较其余5种投入参数，电力投入变动对整体环境影响产生的变化较不明显。电力的数值波动对整体环境影响产生的变化较小，大部分指标影响仅为0.1%以下，主要对土地利用和平流层臭氧损耗环境影响指标产生-0.46%和-0.41%的变化影响。

3.4 不确定性分析

基于敏感性分析部分选取的主要消耗和产出的材料参数，选取了18种主要影响的中端影响指标进行抽样计算，通过蒙特卡罗法进行了参数的不确定性量化，该法较为成熟，可以综合考虑各种情景和参数[31]。结果显示，全球变暖的变异系数最高为10.163%，其次是臭氧形成（人类健康）、臭氧形成（陆地生态系统）和人类致癌毒性分别为2.216%、2.210%和2.106%，矿产资源稀缺、化石资源稀缺、土地利用和水资源消耗的变异系数较小分别为0.798%、0.647%、0.644%和0.420%，电离辐射的离散程度较低其单位均值上的离散程度仅为0.032%，其余9种中端环境影响指标变异系数均在1.387%~1.944%之间。矿产资源稀缺指标平均数的抽样误差最小，仅为2.444×10-6，说明总体单位值之间的差异最小。海洋生态毒性和淡水生态毒性的抽样准确性有待提高，SEM值为1.880和1.114，其余指标的平均数抽样误差大部分为0.001以下具有较高的样本代表性。

4 结论与政策建议

4.1 结论

中国碳中和转型带来新能源汽车数量大幅增长，为了应对新能源汽车报废动力电池带来的环境挑战，本文构建了动力电池回收工艺的环境影响评估模型并评估了某报废动力电池再生利用项目两种回收工艺的生命周期环境影响。主要结论如下：
（1）废旧动力电池的机械物理回收工艺比湿法回收工艺的整体环境表现更优。从18种中端环境影响来看，毒性指标对机械物理回收工艺环境影响贡献显著，如海洋生态毒性（51.4%）和淡水生态毒性（30.3%）。而湿法回收工艺在臭氧损耗及形成和矿产资源稀缺指标中表现较优。从3种终端环境影响来看，机械物理回收工艺对“人类健康”和“生态系统”的环境影响表现更好，湿法回收工艺对“资源枯竭”环境影响表现更优。
（2）电池破碎分选阶段和正负极片处理阶段对环境影响贡献最大，其次是磷酸铁制备阶段，碳酸锂制备阶段和无水硫酸钠蒸发阶段对总体环境影响的贡献占比相对较小。机械物理回收工艺的电池破碎分选阶段和正负极片处理阶段对毒性指标的环境影响消减较大，而湿法回收工艺产生的负向环境影响主要源于磷酸铁制备阶段。碳酸锂制备阶段对矿产资源稀缺指标具有明显的环境减排效益，无水硫酸钠蒸发阶段产生的环境影响均较低。
（3）优化材料消耗量和产品产出率可以显著减少废旧电池回收产生的环境影响。18种中端环境影响指标中，废磷酸铁锂电芯、废磷酸铁锂正极片、氟化钠投入减少10%对土地利用、化石资源稀缺和电离辐射产生的影响最大。硫酸钠溶液的减少对环境影响产生的波动幅度稳定在10%。碳酸锂产出增加对水资源消耗、土地利用和化石资源稀缺指标产生明显影响。相较其余5种投入参数，电力使用对18种中端影响指标产生的波动影响均不显著。

4.2 政策建议

为进一步降低报废动力电池再生利用过程中产生的环境影响，实现能源低碳转型助力“双碳”目标实现，进而促进废旧动力电池回收行业的可持续发展，结合本研究结果提出以下政策建议。
（1）从回收工艺角度出发，建议优化回收技术降低工艺耗能。本文发现机械物理回收工艺比湿法回收工艺产生的环境影响更低。究其原因是湿法回收工艺流程较为复杂，涉及多个化学处理阶段，且废水滤渣数量更多，耗能高。因此，建议企业可优化回收链中重点工艺，如通过绿色化学试剂替代有机溶剂、采用膜分离和生物滤床等先进废水废气处理技术、资源化利用石墨渣提取有价金属，进而解决湿法回收工艺化学试剂消耗大和废弃物处理难等问题。
（2）从处理阶段角度出发，建议注重物料生产替代效应以降低原始资源需求。本文研究表明机械物理回收工艺和湿法回收工艺的前两个阶段可有效减轻回收过程的环境影响，源于其回收产出的铜、铝、铁及磷酸铁锂等再生产品对其原始资源的生产抵消。因此，建议进一步鼓励完善回收工艺，减少中间环节物料损耗，提高再生资源回收效率；鼓励企业结合磁选等高效分选设备和自动化分选系统，提升分选效率和金属回收率，减轻资源浪费。
（3）从报废电池循环利用角度出发，建议推动电池生产企业、回收企业和再生利用企业之间的产业链协同，实现电池全生命周期的资源循环利用。例如，从生产端研发和生产无镉等环保型电池，从源头上减少报废电池的环境污染；回收企业应采用高效节能回收技术，注重废旧电池破碎、分选和回收过程管理，提升锂等金属材料的回收利用率；建立资源化利用产业链，整合上下游资源，规范化报废电池再生利用企业的规模标准与处理流程。

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