《Resources, Conservation and Recycling》：Recycling, recycled content and environmental impacts of electric vehicle batteries – The material circularity and carbon footprint nexus under the EU Batteries Regulation
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在歐盟《電池法規》的框架下，本研究探究了不同回收工藝與再生料使用對多種鋰離子電池碳足跡（CF）的影響。研究發現，在當前CF計算方法下，電池生產中增加再生料對降低CF作用甚微（使用30%再生料僅降低0.4%），而采用先進的回收工藝可比默認工藝降低高達16%的CF。研究結果為如何通過碳足跡核算、強制再生料含量與回收目標協同推動電池循環經濟提供了量化依據。
電動汽車正引領交通領域的能源轉型，而其中的核心部件——鋰離子電池（LIB）——也正以驚人速度增長。這引發了對電池全生命周期可持續性的廣泛關注，尤其是在資源供應、材料循環利用和環境影響方面。在此背景下，歐盟推出了具有里程碑意義的《電池法規》，首次從全生命周期視角對產品提出強制性碳足跡（CF）聲明，并設定了材料回收率和再生料含量的法定目標。然而，法規規定的碳足跡計算方法，能否有效激勵制造商采用回收技術和再生材料來降低電池的環境影響？不同電池化學體系（如富含鎳鈷的NMC和成本更低的LFP）的回收效益有何不同？這些都是當前政策與產業實踐亟需厘清的關鍵問題。發表于《Resources, Conservation and Recycling》的這項研究，正是為了解答這些問題。
研究者們開展了一項系統的量化分析，主要采用了以下幾個關鍵技術方法：首先，利用美國阿貢國家實驗室開發的開放獲取工具BatPac，對三種代表性的53 kWh電動汽車電池（NMC 622, NMC 811, LFP）進行建模和質量平衡分析。其次，嚴格遵循歐盟電池碳足跡框架的方法學要求，特別是應用“循環足跡公式”來分配回收過程的輸入側（再生料）和輸出側（回收材料信用）效益。第三，從文獻中篩選了10個具有公開生命周期清單數據的工業規模電池回收工藝模型，包括法規默認的工藝、火法-濕法聯合工藝、機械-濕法工藝等，并將其與歐盟環境足跡數據庫的數據進行對接和建模計算。最后，通過構建參數化的Excel模型，綜合電池設計、物料清單、回收工藝清單和環境足跡數據，計算了不同情景下的電池碳足跡。
3.1. 回收工藝的影響、信用與凈效益
研究發現，不同回收工藝對電池碳足跡的凈貢獻差異顯著。對于NMC 622電池，大多數工藝能獲得最高的回收信用和凈效益。而對于LFP電池，由于其不含高價值的鈷、鎳，回收信用很低，在評估的10種工藝中僅有4種能實現凈效益（即收益大于處理過程的環境代價）。表現最佳的工藝（MecHyd2 adv）因其高效率回收多種材料（包括鈷、鎳、銅、鋰、電解質和石墨）且過程投入相對較低，獲得了最高的碳足跡效益。相反，法規默認的回收工藝（CFB-default）由于僅回收鈷、鎳、銅且過程投入較高，其凈貢獻在所有評估工藝中處于較低水平，實際上增加了整體碳足跡。
3.2. 回收信用中材料的貢獻
對回收信用的材料分解顯示，對于NMC電池，鎳和鈷的回收信用占據主導地位，是影響生命周期末期階段碳足跡的最關鍵參數之一。LFP電池的回收收益則主要來自集流體中的銅和鋁，鋰和石墨的回收貢獻很小。值得注意的是，即使對于那些能回收鋰和錳的“先進”工藝，因其原生材料本身的碳足跡較低，所帶來的額外信用也相當有限。
3.3. 二次材料的碳足跡
研究計算了通過不同回收工藝獲得的二次材料的碳足跡。結果表明，不同工藝生產的同種二次材料，其碳足跡值差異很大。例如，再生鋰的平均碳足跡為10.0 kg CO2-eq/kg，但波動范圍從4.6到18.6。這與當前環境足跡數據庫中某些二次材料（如再生鈷、鎳）的數據存在差異，突顯了數據庫代表性和未來更新的必要性。
3.4. 生命周期末期階段對整體電池碳足跡的影響
將不同回收工藝納入電池全生命周期（使用階段除外）進行評估后發現，聲明并使用更先進的、公司特有的回收工藝，可以顯著降低電池的碳足跡聲明值。與使用法規默認工藝相比，先進的回收工藝最高可使NMC 622電池的碳足跡降低14%，NMC 811降低15%，LFP降低17%。盡管LFP回收在多數工藝下是凈負擔，但使用優于默認工藝的先進方案仍能實現碳足跡的降低。
3.5. 電池碳足跡性能與回收效率的關系
研究探討了回收效率（回收的材料質量占比）與碳足跡效益的關系。結果顯示，更高的回收效率往往伴隨著更高的過程投入（能源、化學品等）。例如，在火法工藝基礎上增加對爐渣的處理以回收鋰和錳的先進工藝（PyrHyd2 adv），雖然提高了總回收效率，但其高昂的過程投入導致其凈碳足跡效益在所有工藝中最差。這表明，單純追求高回收率并不總是帶來最佳的環境效益，需要在回收收益和過程投入之間取得平衡。
3.6. 增加再生料含量對碳足跡的影響
研究人員量化了在電池制造中使用更高比例再生材料對降低整體碳足跡的潛力。結果出乎意料地顯示，即使達到歐盟《電池法規》為2031年設定的再生料含量目標（鈷16%，鋰和鎳各6%），對NMC 622和NMC 811電池整體碳足跡的降低幅度也僅為0.15%和0.1%，對LFP電池的影響微乎其微。即使在一個非常樂觀的情景下（鈷、鋰、鎳的再生料含量均達到30%），碳足跡的降低也僅約0.4%。這一有限貢獻主要源于“循環足跡公式”中設定的A因子（對大多數電池材料為0.2），該因子意味著只有20%的回收效益被分配給輸入側（即使用再生料），另外80%則分配給了輸出側（即回收信用）。因此，當前的碳足跡計算方法本身并不是激勵在制造中使用再生材料的強有力驅動因素。
研究的結論與討論部分深刻揭示了在歐盟現行法規框架下，推動電池循環經濟所面臨的挑戰與機遇。核心結論指出，通過聲明公司特有的先進回收工藝，電池制造商有顯著空間（最高降低碳足跡約16%）來優化其產品的環境聲明，這構成了一個重要的政策激勵。然而，這種效益高度依賴于電池化學體系，NMC電池因含有高價值的鈷、鎳而獲益明顯，而LFP電池在當前基于NMC優化的回收路徑中往往環境效益不佳，凸顯了開發LFP專用回收技術的必要性。
一個關鍵發現是，回收過程的能耗與物耗投入往往是比回收率本身更影響碳足跡效益的因素。某些旨在提高回收率的先進步驟（如從爐渣中提鋰），可能因額外的環境代價而得不償失。另一個顛覆性的發現是，在當前碳足跡計算規則下，單純提高電池制造中的再生料含量對降低產品碳足跡的貢獻極為有限（即使達到30%也僅降低約0.4%）。這主要歸因于“循環足跡公式”的分配規則，它將大部分回收效益“記功”于產品生命終端的回收階段，而非制造端的材料替換。因此，研究強調，歐盟《電池法規》中的強制再生料含量目標與產品碳足跡聲明必須被視為相輔相成的政策組合拳：碳足跡激勵了更高效回收技術的創新，而再生料含量法規則確保了循環材料的市場出口，共同閉合材料循環。
研究也指出了當前數據的局限性，包括缺乏來自工業實踐的原始回收過程數據、環境足跡數據庫的不完整、以及對回收材料質量評估的挑戰。這些都需要未來通過加強產業合作與數據共享來完善。隨著歐盟電池法規的全面實施和配套方法的最終確定，相關數據和結論可能需要重新評估，但本研究無疑為理解電池碳足跡、回收技術與材料循環性之間的復雜關系提供了關鍵、及時的量化見解，對政策制定者、電池制造商和回收企業均具有重要的參考價值。
