固态电池电解质碳足迹及足迹家族

刘子仪1,2，张宏亮2,3，李茜4，余佩雯1,2，黄凯5，刘磊6，郁亚娟1,2,† （1.北京理工大学材料学院，北京100081；2.北京理工大学重庆创新中心，重庆401120；3.北京理工大学管理与经济学院，北京100081；4.北京汽车研究总院有限公司，北京100163；5.北京林业大学环境科学与工程学院，北京100083；6.达尔豪斯大学土木与资源工程系，哈利法克斯B3H4R2，加拿大） 摘要：近年来随着全球气候的变化，推动碳中和成为全球共识。固态电池由于具有安全性高、能量密度大、工作温度范围宽等优势，是未来电池发展的必经之路，而电解质是电池贡献碳足迹的主要部分。选择无机物、聚合物和复合物三类固态电解质共计22种电解质作为研究对象，对其碳足迹、水足迹、物质足迹、生态足迹和健康足迹等分别进行模拟计算，结果表明复合固态电解质、无机固态电解质和聚合物固态电解质的足迹影响值普遍遵循依次减小的规律。在所有的足迹类别中，复合固态电解质的足迹影响值均最高，不同种类无机物复合制备的电解质会对环境造成更大的影响。 关键词：固态电池；固态电解质；碳足迹；足迹家族；生命周期评价 DOI：10.3969/j.issn.2095-560X.2024.04.014 中图分类号：TK01文献标志码：A Carbon Footprint and Footprint Family of Electrolytes inSolid-State Batteries LIU Ziyi1,2, ZHANG Hongliang2,3, LI Xi4, YU Peiwen1,2,HUANG Kai5, LIU Lei6, YU Yajuan1,2,† (1. School of Material Science & Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Beijing Institute of Technology Chongqing Innovation Center, Chongqing 401120, China;3. School of Management and Economics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;4. Beijing Automotive Technology Center, Beijing 100163, China;5. School ofEnvironmental ScienceandEngineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;6. Department of Civil and Resource Engineering, Dalhousie University, Halifax B3H4R2, Canada) Abstract:In recent years, with the global climate change, promoting carbon neutrality has become a global consensus. Solid-state batteries have become the only way to develop batteries in the future due to their advantages such as high safety, highenergy density,and wider operating temperature range. Electrolytes are the main part of the carbon footprint of batteries. Inthis paper, a total of 22 types of solid electrolytes, including inorganic, polymer, and composite electrolytes, were selectedas the research objects. Their carbon, water, material, ecological, and health footprints were simulated and calculated,respectively. The results show that the footprint impact values of composite solid electrolytes, inorganic solid electrolytes,and polymer solid electrolytes generally follow the rule of decreasing in order.The composite solid electrolytehas the highestfootprint impact value among all footprint categories, and electrolytes made from different inorganic compounds can impactthe environment more. Keywords:solid-state batteries; solid electrolyte; carbon footprint; footprint family; life cycle assessment 固态电解质作为固态电池区别于传统液态电池的核心部件，决定了固态电池的各项性能，如安全性、温度范围、功率密度等。不同种类电解质的性能存在一定差异。聚合物电解质具有安全性高、重量轻、容量大等优点，可以应用于柔性器件。但其力学性能相对较差、易形成结晶，很有可能引起电池断路或短路[9]。无机电解质中，氧化物电解质研究广泛，其在空气中的稳定性较好，但室温下离子电导率不如硫化物电解质。硫化物电解质的锂离子导电率较高，0℃下可达1× 10−4~ 1 × 10−2S/cm，可以制备高功率电池及高低温电池，但其化学稳定性还有待提高。复合电解质则结合了有机与无机固体电解质的特点，呈现导电率高和稳定性好等优势，受到全球学者的关注。 0引言 目前，全球范围内的化石能源逐步出现枯竭危机，环境污染问题显著，因此加速发展清洁能源成为 重 中 之 重 。国 际 能 源 署（International EnergyAgency,IEA）预测，电动汽车销量将在2023年继续保持强劲增长，到2023年底销售量将达到1 400万辆，同比增长35%[1]。韩国新能源市场分析公司SNEResearch数据显示，2023年上半年全球动力电池装车量为304.3 GW·h。随着新能源汽车行业的迅速发展，近年来，我国电池行业也迈入了高速发展期。截至2023年6月，我国锂电池产量超过400 GW·h，同比增 长 超43%，锂电池产 品出 口额同 比 增 长69%[2]。 固态电解质除了具有安全性等特质，在其他性能方面也有较大潜力，本文选用了聚合物、无机以及复合固态电解质作为研究对象，通过文献和实验室数据收集，整理了三大类共计22种固态电解质的质量清单。采用生命周期评价软件Simapro对22种固态电解质进行碳足迹、水足迹分析，以及物质足迹、生态足迹、健康足迹的全面分析。物质足迹与健康足迹概念的引入扩充了足迹家族的内涵与体系，是本研究的一个创新之处。围绕双碳目标，了解固态电解质在二氧化碳排放、水污染等方面的能力，对其进行环境评价，结合各种固态电解质的性能，衡量固态电解质发展潜力，以期为固态电池的可持续发展提供参考。 锂离子电池（lithium-ion battery, LIB）具有能量密度较大、自放电率较低、循环寿命较长等优点，但也存在一定缺陷，例如其工作电压变化较大、低温下性能劣化、内部阻抗较高，生产阶段大量使用镍、钴和锰等重金属资源，这可能在一定程度上导致电动汽车的节能减排效应受到影响，引发电动汽车环保性的争论[3]。除此之外，电池的安全性也是新能源汽车行业关注的重点。2021年因电池短路问题而被召回的新能源汽车数量有73 743辆，占总召回量的19%[4]。目前国内基于液态电解质的锂离子电池能量密度已接近极大值，普遍认为已有的锂离子电池能量密度上限是350 W·h/kg，而全固态电池（solid-state battery, SSB）可以通过采用金属锂负极达到500 W·h/kg以上的能量密度[5]。现在全球范围内约有60多家企业、高校和科研机构致力于研发先进固态电池技术[6]，因此占据未来市场的可能是具有更高安全性和功率密度的固态电池[7]。 1研究方法 1.1生命周期评价 生命周期评价（life cycle assessment, LCA）是一种评估产品（包括商品和服务）在整个生命周期内的潜在环境影响和资源使用的工具[10]。生命周期评价思想启蒙于20世纪60年代末70年代初，当时被称为资源与环境状况分析（resource andenvironmental performance assessment, REPA），但直到20世纪80年代晚期才得到广泛研究[11]。1969年美国中西部研究所为可口可乐公司进行了首次LCA研究，用于瓶子包装决策。1990年，国际环境毒理学和化学学会（Society ofEnvironmentalToxicology and Chemistry, SETAC）首次定义LCA并开始每年召开一次LCA会议，以完善并制定生命周 固态电池是能量存储领域的重要进步，其中固态离子导体用作电解质以在正负极之间传输工作离子。提高安全性潜力是固态电池相对于当前锂离子电池最显著的优势之一。传统锂离子电池的一个主要问题是碳酸盐基有机液态电解质具有易燃性，当因电气或机械滥用而发生热失控时，电解液会参与快速放热反应，从而导致起火或爆炸。固态电池通过使用固态电解质代替易燃碳酸盐基有机液态电解质来降低这些风险[8]。这种固有的安全性使得固态电池在应用中比锂离子电池和其他使用有机液态电解质的潜在储能系统更具吸引力。 期评估方法[12]。三年后，SETAC根据在葡萄牙召开的一次学术会议的主要结论，发布了第一个LCA指南，为LCA评价提供体系框架[13]。自此，LCA在标准、方法和应用一直在不断发展。从第一个国际标准化版本ISO 14040-43（1997-2000）到修订版ISO14040/44，LCA已经实现国际标准化。LCA是一种科学的环境管理与优化工具，已被广泛应用于政策 优化、环境评估、产品设计等领域[14]。联合国环境规划署和SETAC将LCA研究分为四个阶段：目标和范围定义、生命周期清单分析（life cycle inventory,LCI）、 生 命 周 期 影 响 评 估 （life cycle impactassessment,LCIA）和结果解释[15]，生命周期评估框架如图1所示。 单独考虑，现在已成为必须衡量和解释的最重要的生态指标之一。碳足迹通常表示一定量与气候变化相关的气体排放，其与人类生产或消费活动有关。碳足迹被定义为某一产品或服务系统在其全生命周期内的碳排放总量，或活动主体（包括个人、组织、部门等）在某一活动过程中直接和间接的碳排放总量，以CO2等价物来表示[20]。“碳”指的是自然资源中所含有的碳元素，因此，碳消耗量越大，碳足迹就越大，对温室效应的贡献也越大。 1.2足迹家族 GILJUM等[16]最早提出了足迹家族一词，希望用其他足迹指标对生态足迹进行补充。2013年，GALLI等[17]开发了一个多区域投入产出模型，将各类足迹纳入一个共同的框架，并对足迹家族进行了一次系统性定义。足迹家族是由多种足迹类型