《Journal of Environmental Management》：Effect of recycled content on the environmental footprint of new EV batteries
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本研究通过生命周期评估，探讨再生材料对锂离子电池阴极活性材料及电池的环境影响，发现再生材料可降低碳足迹达55%，水消耗和稀缺性各降20%，淡水毒性降低61%。但结果受回收方法及替代的原材料来源影响，揭示电池回收现行规范存在不足，需战略规划再生材料使用以最小化电池环境足迹。
弗朗西斯·汉娜（Francis Hanna）|袁柳瑶（Luyao Yuan）|雷娜塔·阿森诺（Renata Arsenault）|安妮克·安克蒂尔（Annick Anctil）
美国密歇根州立大学土木与环境工程系
摘要
预计到2035年，锂离子电池（LIB）的需求将达到9太瓦时（TWh）。人们越来越关注使用国内回收材料制造新型电池。然而，关于回收材料对锂离子电池环境影响的研究在文献中尚未得到充分评估。本研究通过生命周期评估（LCA）来探讨回收材料对电池碳足迹、水资源消耗、水资源短缺指数以及电池正极活性材料和电池单元淡水毒性的影响。用回收材料替代原始材料可以将新型NMC811正极材料的碳足迹减少55%，水资源消耗减少20%，水资源短缺影响减少20%，淡水毒性减少61%。不过，具体结果可能因回收材料的回收方法及其所替代的原始材料的开采和精炼地点而异。本研究指出了现有电池法规中的不足之处，并强调了战略性地利用可回收材料以减少锂离子电池环境足迹的重要性。
引言
过去三年中，电动汽车（EV）的销量翻了一番多，预计未来还会继续增长，从而推动了对电池的需求（国际能源署，2024年）。要实现2050年的净零排放目标，到2035年电池需求需超过9太瓦时，是2023年需求的十倍（国际能源署，2024年）。从传统汽车向电动汽车的转型需要大量使用锂、钴、镍和锰等材料。
电池行业正在快速发展，新政策、法规和激励措施正在重塑制造商的供应链策略。其中受影响最大的领域之一是未来电池原材料的采购。例如，2022年的《美国通胀削减法案》为使用在美国或自由贸易伙伴国提取或加工的材料的车辆提供了税收优惠（Moors，2022年）。在欧洲，电池法规要求新电池中必须含有最低比例的回收材料（BatteriesEurope，2024年；欧盟委员会，2006年；Halleux，2023年）。这些法规和政策影响了制造商对原材料的采购决策。同样的法规和政策也提高了制造商使用回收材料制造未来电池的兴趣。增加回收材料的比例有助于满足欧盟电池法规的要求，而在美国境内采购材料还能确保遵守《通胀削减法案》。尽管新政府推行的政策变化可能会减缓电动汽车的普及速度，但总体趋势仍然是向上的。激励措施和惩罚措施将会演变，但预计会继续强调国内生产和上游供应链的发展。
此外，使用回收材料制造未来电池被认为比使用原始材料更环保（Tikanoja，2023年）。以往的研究通过生命周期评估来评估电池回收的环境影响（Accardo等人，2021年；Ciez和Whitacre，2019年；Du等人，2022年；Husmann等人，2023年；Liu等人，2023年；Mohr等人，2020年；Rosenberg等人，2023年）。一些研究还评估了回收方法和地点等因素对回收材料环境影响的作用（Hanna等人，2024年；Hanna等人，2025年）。在这里，有必要阐明生命周期评估研究中可能存在的各种分配假设。在锂离子电池回收的生命周期评估中，选择截止点方法与在替代点分配影响之间存在根本性差异——前者将回收材料视为无负担的投入，而后者则将其视为上游和下游环境负荷的载体，这常常会改变关于其相对气候效益的结论（Nordel?f等人，2019年）。同时，大多数回收过程会产生多种产品。采用经济分配而非基于质量的分配方式会将环境负担转移到高价值产品（如钴、镍或锂盐）上，这意味着同样的回收过程根据分配规则的不同，可能会使二次材料看起来比原始材料更好或更差（Ali等人，2024年）。这些敏感性表明，认证系统和生命周期评估分配选择的方法灵活性可能会使环境表现看起来比实际情况更理想（Nygaard，2023年）。主要有两种回收方法：能耗较高的火法冶金和能耗较高的湿法冶金。先前的研究表明，回收过程及其产生的回收材料的环境影响在很大程度上取决于回收方法和地点。例如，湿法冶金回收的电池具有更高的水资源消耗和淡水毒性，而火法冶金则具有更高的碳足迹。这些结果表明，使用回收材料对未来电池环境影响的效果因影响类别而异，并取决于回收材料的来源和回收方法。例如，通过湿法冶金回收的材料预计比火法冶金回收的材料碳强度更低。
上述政策也影响了原材料的来源。原始电池材料来自不同的矿石类型，并在不同的国家进行开采和精炼（Ali等人，2023年；ANL，2023年；戴庆（Q. Dai），2018年）。先前的研究表明，这些因素会影响电池材料和电池的环境足迹（Kallitsis等人，2024年）。例如，锂可以从盐水和锂云母矿石中提取（Chordia等人，2022年）。盐水提取比锂云母开采所需的能源和化学物质更少（Chordia等人，2022年）。同样，电池级硫酸镍（NiSO4）可以通过不同类型的镍或MHP中间产物生产，具有不同的环境影响（R. Iyer，2023年）。有研究表明，使用MHP生产的NMC电池的碳足迹高于使用一类镍生产的电池（Winjobi等人，2022年）。同时，多项研究表明，原材料可占电池单元环境足迹的34%（Kallitsis等人，2024年；Winjobi等人，2022年）。因此，电池单元的环境影响取决于其使用的原始材料。由于镍和锂在新型镍基电池（如NMC811和NMC721）中的高含量，它们的来源尤为重要（Dai等人，2018a；Winjobi等人，2020年）。因此，回收材料对未来电池的环境影响取决于被替代的原始材料。
以往的研究使用生命周期评估来评估电池生产和回收的环境影响。此外，还有一些研究评估了回收材料对电池正极活性材料或电池单元环境影响的作用（Ginster等人，2024年；Machala等人，2025年）。总体而言，这些研究表明，增加回收材料的比例和提高回收率可以显著减少环境影响，尤其是与原始材料提取相关的影响。然而，这些研究均未评估使用回收材料的环境影响，包括不同来源的回收材料、原始材料的来源以及不同回收材料比例对新生产电池单元环境足迹的影响。因此，有必要全面评估使用不同来源的原始材料和回收材料制造电池的环境足迹。这一点尤为重要，因为许多制造商计划增加回收材料的比例，以满足当地法规要求或减少电池的环境足迹。
本研究旨在评估使用回收材料制造新电池的环境影响。为此，我们通过生命周期评估来估算使用不同来源的原始材料和二次材料制造的NMC811电池的碳足迹、水资源消耗、水资源短缺足迹以及淡水毒性。此外，本研究还评估了2025年至2040年间预计回收材料比例的变化，从而为未来电池中使用回收材料的环境影响提供了实际的见解。本研究指出了通过战略性地分配回收材料来减少未来电池环境影响的机会。最后，还讨论了当前和未来关于回收材料回收和使用的政策。
部分摘录
目标和范围
本研究旨在评估增加未来电池中回收材料比例的环境影响。为此，我们对在美国生产的NMC811锂离子电池（LIB）单元进行了生命周期评估，评估了不同回收材料比例下的环境影响。NMC811是一种全球大规模生产的高镍电池（国际能源署，2024年）。研究范围从电池所用原始材料和二次材料的生产开始，到NMC811电池的最终制造结束。
结果与讨论
本研究评估了多个环境影响类别，包括全球温升（GWP）、水资源消耗、水资源短缺足迹、淡水毒性、累积能源需求（CED）和非生物资源耗竭潜力。然而，为了清晰和简洁起见，结果与讨论部分仅关注前四个影响类别，完整的结果见支持信息文件SI-1。
结论
电池回收正在快速发展，这对于负责任地管理废旧电动汽车电池至关重要。同时，人们越来越关注在未来的电池中使用回收材料。本研究通过生命周期评估（LCA）说明了在评估和优化回收材料对减少新电池环境影响作用时必须考虑的敏感性因素。该分析考虑了不同类型的矿石、原材料的开采地点和精炼地点。
作者贡献声明
弗朗西斯·汉娜（Francis Hanna）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、数据整理、数据分析、正式分析。袁柳瑶（Luyao Yuan）：撰写——初稿撰写、可视化、软件使用、正式分析、数据整理。雷娜塔·阿森诺（Renata Arsenault）：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论设计、数据分析。安妮克·安克蒂尔（Annick Anctil）：撰写——审稿与编辑、验证、项目监督、方法论设计、数据分析、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了福特汽车公司的财政支持。我们还要感谢C. Deng和P. Yachamaneni在开发用于进行分析的模型方面所提供的支持和贡献。虽然本文认为包含了正确的信息，但福特汽车公司（Ford）不对所披露的任何信息、设备、产品或过程的准确性、完整性或实用性作出明确或隐含的保证，也不表示对其使用承担任何责任。
