Evaluación del impacto ambiental del ciclo de vida de la batería

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7952 (2023) Citar este artículo

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Como parte importante de los vehículos eléctricos, los paquetes de baterías de iones de litio tendrán un cierto impacto ambiental en la etapa de uso. Para analizar el impacto ambiental integral, se seleccionaron como objeto de investigación 11 paquetes de baterías de iones de litio compuestos por diferentes materiales. Al introducir el método de evaluación del ciclo de vida y el método de peso de entropía para cuantificar la carga ambiental, se estableció un sistema de evaluación de índices de niveles múltiples basado en las características ambientales de la batería. Los resultados muestran que la batería Li-S es la batería más limpia en la etapa de uso. Además, en términos de estructura de poder, cuando se usan paquetes de baterías en China, la huella de carbono, la huella ecológica, el potencial de acidificación, el potencial de eutrofización, la toxicidad humana cancerosa y la toxicidad humana no cancerosa son mucho más altas que las de las otras cuatro regiones. Aunque la estructura de poder actual en China no es propicia para el desarrollo sostenible de los vehículos eléctricos, se espera que la optimización de la estructura de poder haga que los vehículos eléctricos logren una conducción limpia en China.

La industria del transporte se está desarrollando rápidamente y juega un papel particularmente importante en el desarrollo económico y social1. Al mismo tiempo, también consume muchos combustibles fósiles y provoca una grave contaminación ambiental2. La IEA (2019) informa que aproximadamente un tercio de las emisiones globales de CO2 son causadas por el sector del transporte3, 4. Como el mayor emisor de dióxido de carbono del mundo, China ha tenido que lidiar con serios problemas energéticos y ambientales en los últimos años5. Para aliviar la enorme demanda de energía y la presión ambiental en la industria del transporte global, la electrificación del sector del transporte se considera una de las medidas clave para reducir la emisión de contaminantes6,7,8. Por lo tanto, el desarrollo de vehículos de energía limpia y sostenible, especialmente los vehículos eléctricos (EV), se ha convertido en una opción prometedora en la industria automotriz9.

En este contexto, en septiembre de 2001, los vehículos de nueva energía se incluyeron en el plan nacional "863", después de lo cual se lanzó el "principal proyecto de ciencia y tecnología de los vehículos eléctricos", que marcó el inicio de la investigación y el desarrollo de vehículos eléctricos en China. Desde el 12º Plan Quinquenal (2010-2015), el gobierno chino ha decidido promover el uso de vehículos eléctricos para que los viajes sean más limpios. Sin embargo, la severa crisis económica ha dejado a todos los países enfrentando los problemas de una crisis energética, aumento de los precios de los combustibles fósiles, alto desempleo y aumento de la inflación, que afectan la mentalidad de la sociedad, el poder adquisitivo de las personas y la toma de decisiones del gobierno. Por lo tanto, el reconocimiento y la aceptación de los vehículos eléctricos por parte de las personas no es alto, lo que dificulta la difusión temprana de los vehículos eléctricos en el mercado10. Esto llega en un momento en que el gobierno chino ha implementado una serie de medidas políticas e incentivos financieros para promover el desarrollo de EV11. Desde 2013, China ha implementado una política de subsidios a la compra de vehículos eléctricos12. Desde el 1 de enero de 2021 hasta el 31 de diciembre de 2022, los vehículos de nueva energía comprados estarán exentos del impuesto de compra de vehículos. A corto plazo, las medidas gubernamentales, como los subsidios para reducir la brecha de precios y el desarrollo de la infraestructura de carga, impulsarán el consumo de vehículos eléctricos13.

En los últimos años, las ventas y la propiedad de vehículos eléctricos y vehículos de combustible en China se muestran en la figura 1. Se puede ver que las ventas y la propiedad de vehículos eléctricos en China están aumentando, especialmente en los últimos dos años. Por el contrario, las ventas de automóviles de combustible continúan disminuyendo y la tendencia de crecimiento de la propiedad se ralentiza. En otras palabras, con la guía de las regulaciones y el despertar de la conciencia ambiental, el cambio en las ventas de automóviles de combustible convencional es opuesto al de los EV, y la tasa de popularidad de los EV está aumentando rápidamente7, 14. Actualmente, las baterías de iones de litio (LIB) son la primera opción en el campo EV debido a sus ventajas de peso ligero, gran rendimiento, alta densidad de energía y alta potencia de salida15,16,17,18,19. Además, las LIB, como tecnología principal en los sistemas de almacenamiento de energía en baterías20, también tienen un gran potencial para la sostenibilidad energética y reducciones significativas en las emisiones de carbono21.

Ventas y propiedad de vehículos eléctricos y de combustible desde 2018 hasta septiembre de 2022.

En el proceso de promoción, los EV a veces se consideran vehículos de cero emisiones, pero su producción y uso de paquetes de baterías tendrá un gran impacto en el medio ambiente. Por lo tanto, estudios recientes se han centrado más en los beneficios ambientales de los vehículos eléctricos22. Hay mucha investigación sobre las tres etapas de los vehículos eléctricos: producción, uso y reciclaje. Por ejemplo, Feng et al.23 tomaron como objeto de investigación las tres baterías de litio, níquel, cobalto, óxido de manganeso (NCM) y baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) más utilizadas en el mercado de vehículos eléctricos en China, y realizaron un análisis específico de las tres. etapas de producción, uso y reciclaje de baterías de energía basadas en la evaluación del ciclo de vida (LCA). El resultado muestra que las baterías LFP tienen un mejor desempeño ambiental que las baterías NCM en condiciones generales, pero la eficiencia energética en la fase de uso es inferior a las baterías NCM, que tienen un mayor valor de reciclaje.

Para la etapa de producción, Hao et al.24 estimaron las emisiones de GEI de la producción de LIB en China mediante el establecimiento de un marco LCA. Para los tres tipos de LIB más utilizados: la batería LFP, la batería NMC y la batería LMO, las emisiones de GEI de la producción de una batería de 28 kWh son 3061 kg CO2-eq, 2912 kg CO2-eq y 2705 kg CO2- ec, respectivamente.

Para la fase de uso, Zeng et al.25 utilizaron los modelos de la serie BYD Qin Pro en China como ejemplo para comparar el impacto ambiental de los BEV puros y los EV híbridos enchufables con los vehículos tradicionales con motor de combustión interna. El resultado muestra que, en comparación con los ICEV de gasolina, los BEV y los EV híbridos enchufables impulsados por la estructura de potencia promedio actual en China reducen el potencial de calentamiento global en un 23 % y un 17 %, respectivamente.

Para la etapa de recuperación y reutilización, Koroma et al.26 realizaron un LCA para tres escenarios diferentes combinados con el reciclaje de baterías y encontraron que el reciclaje redujo el impacto climático de los vehículos eléctricos en casi un 8 %, con una reducción de la toxicidad humana y la escasez de recursos minerales en aproximadamente un 22 %. y 25%, respectivamente. Yang et al.27 utilizaron LCA para estudiar la viabilidad ambiental de reutilizar LIB de desecho en estaciones base de comunicación. Los resultados muestran que en todas las categorías seleccionadas, el uso secundario de EV LIB tiene menos impacto ambiental que el uso de baterías de plomo-ácido.

Los vehículos eléctricos se denominan vehículos de "emisión cero", pero hay un nuevo argumento para esa creencia común. Los vehículos eléctricos puros no tienen emisiones directas de gases de efecto invernadero en el proceso de uso, pero su carga ambiental se transferirá indirectamente a la estructura de energía. Es decir, la estructura de poder de carga es un factor importante que afecta cada índice ambiental. Además, casi no existen artículos que hayan realizado un estudio por separado sobre la etapa de uso de los VE, por lo que es necesario analizar su estado de conducción en carretera. Finalmente, se necesitan más consejos valiosos sobre cómo se puede ajustar la estructura eléctrica para acercarse a las "emisiones cero" en la carretera. Por lo tanto, el impacto ambiental de los paquetes de baterías en la etapa de uso merece un mayor estudio. Desde este punto de vista, este estudio se centra en el impacto del uso de la batería y establece un sistema ambiental integrado LCA.

En este trabajo, basado en indicadores de familia de huella, agotamiento de recursos y daños tóxicos, se seleccionaron 11 tipos de paquetes de baterías EV y cinco regiones para evaluar la carga ambiental de diferentes tipos de LIB, y para medir la superioridad de las categorías de paquetes de baterías y la importancia de la estructura de la red eléctrica. Además, se estableció un índice de características ambientales adimensional para evaluar el impacto ambiental integral del paquete de baterías. Los resultados mostraron que la batería Li-S es la batería más limpia en la etapa de uso. Además, la estructura eléctrica del área de operación es un factor importante para el impacto ambiental potencial del paquete de baterías. En términos de estructura de energía, la energía del carbón en China actualmente tiene una huella de carbono, una huella ecológica, un potencial de acidificación y un potencial de eutrofización significativos. Aunque la estructura de poder actual en China no es propicia para el desarrollo sostenible de los vehículos eléctricos, se espera que la optimización de la estructura de poder haga que los vehículos eléctricos logren una conducción limpia en China.

Debido a las diferentes estructuras de poder en diferentes regiones, la capacidad de descarbonización del sector eléctrico no es consistente y los impactos ambientales también son discrepantes. En la etapa de uso, este trabajo asume que el EV viaja en cinco regiones diferentes para analizar la influencia de la estructura de poder regional en las características ambientales del paquete de baterías. Comparado con otros modelos, el mini-automóvil tiene las características de menor capacidad de batería, menor demanda de energía, miniaturización y conveniencia, lo cual es adecuado para la conducción en distancias cortas y propicio para la promoción. Por lo tanto, este estudio solo exploró el impacto ambiental integral de los mini vehículos eléctricos (el mini automóvil pesa 1100 kg, la capacidad de la batería es de 17,7 kWh y la demanda de energía es de 96,8 Wh km−1).

Como método científico para evaluar la demanda de energía y las emisiones asociadas con los ciclos de vida de los productos28, el LCA se ha utilizado ampliamente en el análisis de las características ambientales de los productos y en el apoyo a la toma de decisiones. El ACV se divide en cuatro etapas: determinación de objetivos y alcances, análisis de inventario, análisis de impacto y resultados de la evaluación, e interpretación u optimización de los resultados de la evaluación29. En este estudio, la familia de huellas, el agotamiento de recursos y el daño tóxico de los paquetes de baterías EV se evaluaron exhaustivamente mediante el método LCA.

En este estudio, 11 tipos de baterías fueron seleccionados como objetos de investigación para analizar su impacto ambiental bajo la estructura de energía en 5 regiones. El alcance del estudio es el proceso de uso de EV, que no involucra la producción del automóvil y la batería, sino solo el proceso de cargar la batería y hacer funcionar el automóvil en la carretera. Se tomó una cierta distancia como unidad de evaluación del impacto ambiental de la batería. Cuando el EV de diferentes baterías recorre el mismo kilometraje, la capacidad de la batería respectiva es diferente. La potencia proviene de la energía eléctrica que absorbe el EV mientras se carga. Ese poder, a su vez, proviene de fuentes de energía como el carbón, la nuclear o la hidroeléctrica. Por lo tanto, se puede ver que una cierta distancia de conducción, bajo el apoyo de diferentes baterías, puede corresponder a su respectiva potencia. Por tanto, definimos la unidad funcional como la distancia recorrida por unidad.

Dado que los tipos de paquetes de baterías comerciales comúnmente utilizados son LFP y NMC, dos tipos de LFP (según las diferentes composiciones y proporciones de los materiales del cátodo LFP), tres tipos de NMC (según las diferentes proporciones de composición de los tres materiales activos de níquel, cobalto y manganeso y las diferentes proporciones de los materiales del cátodo) y se seleccionaron dos tipos de baterías NMC combinadas con materiales de nanoánodos (nanocables de silicio y nanotubos de silicio). Además, también se seleccionaron un tipo de paquete de baterías con LMO como material activo positivo, un tipo de batería de material de cátodo compuesto que contiene LMO y NMC y dos tipos de LIB que contienen azufre. Por lo tanto, los objetos de investigación de este estudio fueron once tipos diferentes de paquetes LIB, incluidos LFPx-C30, LFPy-C31, NMC-C31, NMC442-C30, NMC111-C32, NMC-SiNT33, NMC-SiNW34, LMO-C35, LMO /NMC-C36, Li-S37 y FeS2SS38.

Los paquetes de baterías se pueden dividir en cuatro categorías según sus componentes, a saber, LFP, NMC, LMO y LMB. Información específica:

LFP: LFPx-C, batería de óxido de fosfato de hierro y litio con grafito como ánodo, la densidad de energía del paquete de baterías fue de 88 Wh kg−1 y la eficiencia energética de carga y descarga es del 90 %; LFPy-C, batería de óxido de fosfato de hierro y litio con ánodo de grafito, x e y solo representan diferentes tipos de batería, su eficiencia de carga y descarga es del 95% y el consumo de electricidad es de 15 kWh cada 100 km.

NMC: NMC-C, óxido de cobalto de litio-níquel manganeso (LiNixMnyCo (1-x–y) O2) acoplado con un material de ánodo de grafito, su eficiencia de carga y descarga es del 99% y el consumo de electricidad fue de 13 kWh cada 100 km; NMC442-C, óxido de litio-níquel, manganeso y cobalto (LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2) junto con un material de ánodo de grafito, la densidad de energía del paquete de baterías es de 112 Wh kg−1 y la eficiencia energética de carga y descarga es del 90 %; NMC111-C, óxido de cobalto de litio-níquel manganeso (LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2) junto con un material de ánodo de grafito, su capacidad de energía es de 26,6 kWh y la eficiencia de la batería es del 95% al 96%; NMC-SiNT, óxido de cobalto de litio-níquel manganeso (LiNixMnyCo (1-x–y) O2) acoplado con un material de ánodo de nanotubos de silicio, su densidad de energía gravimétrica es 199 Wh kg−1 y la eficiencia de carga-descarga es 90%; NMC-SiNW, óxido de cobalto de litio-níquel manganeso (LiNixMnyCo (1-x–y) O2) junto con un material de ánodo de nanocables de silicio, el paquete de baterías tiene un peso total de 120 kg y una capacidad de energía de 43,2 kWh.

LMO: LMO-C, óxido de manganeso de litio (LiMn2O4) acoplado con un material de ánodo de grafito, el peso de la batería es de 300 kg y la capacidad de la batería era de 34,2 kWh; LMO/NMC-C, óxido de manganeso de litio acoplado con un material de ánodo de grafito (LiMn2O4 y LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2), cuya capacidad nominal es de 11,4 kWh y se puede utilizar para aproximadamente 140.000 km de conducción;

LMB: Li–S, metal litio acoplado con azufre elemental, su capacidad energética total es de 61,3 kWh y la eficiencia de carga es del 95%; FeS2SS, batería de litio de estado sólido con sulfuro de hierro (FeS2) para cátodo; litio metálico para el ánodo; y sulfuro de litio (Li2S) y pentasulfuro de fósforo (P2S5) para electrolito en estado sólido, su capacidad específica de 182 Wh kg−1 y su capacidad energética es de 80 kWh.

Los estudios que evalúan los impactos ambientales de las LIB suponen distancias totales de conducción entre 150 000 km y 200 000 km34. En este estudio, se supone que la batería del EV tiene un alcance de servicio de 180 000 km, y no se considera el reemplazo de baterías durante el período de uso. El rango límite del estudio es la etapa de uso del paquete de baterías, por lo que se determina que la unidad funcional es 1 km, es decir, el impacto ambiental del paquete de baterías de potencia en la etapa de uso se calcula en función de la distancia recorrida por la unidad. Los parámetros básicos del escenario se enumeran en la Tabla 1.

En la fase de operación, el análisis regional enfatiza la diferencia en la influencia de diferentes combinaciones de potencia en los resultados del análisis. Por lo tanto, en el uso de paquetes de baterías EV, la estructura de suministro de energía afectará en gran medida las emisiones ambientales. Las regiones de la etapa de uso de EV se determinan en cinco regiones para el análisis, incluidas Global, China, Japón, Europa y EE. UU.

En la etapa de uso, se consideró la pérdida de potencia de la batería (para proporcionar energía para el transporte del VE), la potencia extra requerida por el vehículo para transportar la batería y la energía consumida durante la operación del vehículo. El proceso de uso de la batería se calcula en base a los supuestos del escenario base (Tabla 1).

Pérdida de energía (\({EL}_{be}\)) debido a la eficiencia de carga de la batería:

donde \({EL}_{be}\) representa la pérdida de potencia causada por la carga de la batería, kWh; \({D}_{v}\) es el kilometraje del vehículo eléctrico, km; y \({CEL}_{drm}\) representa el consumo de energía de EV por kilómetro, kWh km−1.\(\eta c\) es la eficiencia de una batería, %.

Energía extra (ELex) del transporte de batería:

donde \({EL}_{ex}\) representa la potencia extra requerida para transportar la batería, kWh; \({W}_{b}\) es el peso de la batería, kg; \({W}_{v}\) es el peso del EV, kg; y \({CEL}_{w}\) representa la relación directa entre el consumo de energía y el transporte de la batería (relación peso-energía: 30% en el escenario base), %.

La energía consumida (ELu) durante la vida útil de la batería es:

donde Elu representa la energía consumida durante la vida útil de la batería, kWh; \({CA}_{b}\) es la capacidad del paquete de baterías, kWh; y \({D}_{r}\) representa el kilometraje de EV en un ciclo, km cargo−1.

La energía en la etapa de uso del paquete de baterías consiste en pérdida de energía, energía adicional y consumo de energía. El diagrama de marco de la fase de uso y la estructura de generación de electricidad en diferentes regiones en 2018 se muestran en la Fig. 2.

El diagrama de marco de la fase de uso y la estructura de generación de electricidad en diferentes regiones en 2018 (Fuente de datos: http://bp.com/statsreview).

De acuerdo con la fórmula anterior, se calcula la energía eléctrica total consumida por los vehículos eléctricos en la etapa de conducción y luego se alimenta al software Simapro. De acuerdo con la estructura de energía de diferentes regiones, se puede calcular el valor del índice de tres niveles de las emisiones en el proceso de generación de energía.

En este estudio, haciendo referencia a la literatura nacional y extranjera, se seleccionaron 11 grupos de indicadores representativos de tres niveles y se dividieron en tres grupos de indicadores integrales de segundo nivel: agotamiento de recursos, familia de huellas y daños tóxicos. El índice de evaluación ambiental integral se muestra en la figura 3.

Índice de evaluación ambiental integral.

Para evaluar la característica ambiental del paquete de baterías como un todo, se construyó un índice integral, a saber, el índice de característica ambiental, sobre la base de los indicadores de segundo nivel, como la familia de huellas, el agotamiento de recursos y el daño tóxico.

En el sistema de evaluación de índices múltiples, a menudo es inconveniente comparar y analizar los índices debido a las diferentes unidades, dimensiones y órdenes de magnitud de cada índice. El procesamiento unificado de datos puede evitar que diferentes dimensiones de los principales indicadores afecten los resultados de la evaluación. Como se ve a partir de los indicadores del sistema integral de evaluación ambiental construido, los indicadores del sistema son todos indicadores inversos, y la fórmula estandarizada positiva es:

En la fórmula, \({X}_{ij}\) representa los datos originales del j-ésimo índice de tercer nivel de la i-ésima batería. i representa diferentes tipos de fuentes de alimentación (i = 1,2…11). j es la categoría de datos de índice (j = 1, 2 … 11). \({Z}_{ij}\) es el valor estandarizado del j-ésimo índice de la i-ésima batería. Entre ellos, el valor de \({Z}_{ij}\) oscila entre 0 y 1. Cuanto mayor sea el valor, mejores serán los datos de este indicador.

El método de peso de entropía es un método de peso objetivo. En el proceso específico de uso, el peso de la entropía de cada índice se calcula utilizando la entropía de la información según el grado de dispersión de datos de cada índice, y luego se modifica el peso de la entropía según cada índice para obtener un peso relativamente objetivo del índice. . La entropía se utiliza para medir el grado de desorden del sistema, así como la información efectiva que portan los datos, para determinar el valor de peso del índice. Si la entropía de la información del índice es menor, significa que el grado de variación del valor del índice es mayor y la información proporcionada por el índice es mayor, por lo que debe desempeñar un papel más importante en la evaluación integral y el peso es mayor. . En este estudio, la introducción del peso no cambió el método de investigación básico, pero resolvió los resultados del cálculo de LCA, para realizar un análisis general del impacto ambiental del paquete de baterías y hacer que los resultados sean más precisos.

La entropía de información de un conjunto de datos es:

donde \({P}_{ij}=\frac{{Z}_{ij}}{{\sum}_{i=1}^{n}{Z}_{ij}}\), si \ ({P}_{ij}=0\), \(\translate{{\maths{P}}_{\maths{ij}}\to 0}{\maths{lim}}{P}_{ij }\mathrm{ln}{P}_{ij}=0\)

El peso correspondiente del indicador es:

donde \({S}_{j}\) es la entropía de la información de un conjunto de datos y \({y}_{j}\) es el peso correspondiente del indicador.

El método del peso de la entropía se utiliza para calcular el peso de cada índice ambiental. La Figura 4 muestra las combinaciones de indicadores y sus valores de peso de los indicadores de características ambientales regionales globales.

Combinaciones de indicadores y sus valores de ponderación de indicadores de características ambientales regionales globales.

Entre los 11 indicadores de tercer nivel, el valor ponderado de la huella de carbono es el más grande y el de POFP es el más pequeño, lo que indica que la huella de carbono es uno de los índices de referencia importantes del desempeño ambiental en la evaluación del impacto ambiental de los paquetes de baterías.

Los 11 indicadores de impacto son el reflejo del potencial de emisión de la batería en sus respectivos campos. El índice de características ambientales refleja el impacto ambiental integral del paquete de baterías en la etapa de uso, es decir, el grado de limpieza de los 11 indicadores de impacto en la condición ambiental general. Cuanto mayor sea el índice de características ambientales, menor será el impacto negativo del paquete de baterías en el entorno natural, es decir, más limpio será el proceso de conducción. El método de cálculo del índice de características ambientales es el siguiente:

donde \({E}_{i}\) es el índice de características ambientales del i-ésimo paquete de baterías.

Durante la etapa de uso de los miniautos, los valores potenciales de la familia de huellas, el agotamiento de recursos y el daño tóxico de todos los paquetes de baterías en la misma área no cambiaron significativamente en la etapa de uso. Por lo tanto, se tomó el valor promedio de cada indicador de 11 tipos de baterías para la comparación interregional. En la etapa de uso del escenario básico, los valores de impacto ambiental de la familia de huella, agotamiento de recursos, daño tóxico generado por el paquete de baterías del modelo mini en las cinco regiones se muestran en la Fig. 5.

Familia de huellas, agotamiento de recursos, valor de influencia de daños tóxicos del paquete de baterías de mini vehículos en la etapa de uso.

Como se muestra en la Fig. 5a, los vehículos eléctricos podrían causar indirectamente diferentes grados de impacto ambiental debido a la discrepancia en las áreas de conducción. El valor de impacto ambiental promedio global podría usarse como un estándar de referencia para evaluar el desempeño ambiental de los vehículos en la etapa de uso entre regiones. Los modelos Mini en China y Japón podían producir valores de influencia de huella de carbono (CF) y huella ecológica (EF) altos, que eran más altos que el estándar global. Por el contrario, los valores de impacto de CF y EF generados en la región europea fueron los más bajos, lo que indica indirectamente que el uso de vehículos eléctricos en China y Japón no es respetuoso con el medio ambiente. La razón se debió principalmente a las diferentes estructuras de poder regionales. Por ejemplo, el índice de generación de energía a base de carbón en China fue el más alto entre las cinco regiones, con un 66,54 %, y la cantidad de gases de efecto invernadero producidos fue mayor que el promedio mundial. Los patrones regionales de EF y CF del paquete de baterías fueron similares. Por lo tanto, China y Japón deberían optimizar la estructura de poder para reducir aún más las emisiones de gases de efecto invernadero.

En cuanto a la huella hídrica (HH), el único país con un menor impacto global fue Japón, mientras que otros países o regiones se situaron por encima de la media en cuanto a consumo de agua, especialmente Europa y EE.UU. Esto se debió principalmente a que la energía nuclear representa aproximadamente una quinta parte de la combinación de electricidad en Europa y EE. UU., en comparación con el 10,15 % a nivel mundial. Se podría especular que la generación de carbón en la estructura de potencia podría ejercer una influencia en el CF y EF del paquete de baterías en la etapa de uso. La estructura nuclear podría afectar la EF del paquete de baterías durante el uso.

Como se ve en la Fig. 5b, los valores de influencia de los índices de agotamiento de recursos variaron entre diferentes regiones y no hubo consistencia entre los índices pequeños. El paquete de baterías de los minimodelos que se ejecutan en China tuvo el valor más bajo de potencial de agotamiento abiótico (ADP), mientras que el paquete de baterías de Japón tuvo el valor más alto, lo que indica que China tuvo un mejor desempeño ambiental en términos de ADP. En Japón y EE. UU., la proporción de generación de energía con gas natural estuvo entre el 35 y el 37 %, superior a la de las otras tres regiones, mientras que en China fue solo del 3,28 %. La proporción de generación de energía con gas natural fue similar al valor de influencia del ADP generado por los vehículos eléctricos en las cinco regiones. Por lo tanto, se especuló que la generación de gas natural en la estructura de potencia podría afectar el ADP del paquete de baterías durante la fase de funcionamiento.

En diferentes regiones, los valores del potencial de acidificación y el potencial de eutrofización generados por los paquetes de baterías EV fueron consistentes en la regularidad. Los valores de potencial de acidificación (AP) y potencial de eutrofización (EP) en China mostraron el estado más alto, mientras que los de Europa fueron los más bajos. Por lo tanto, los vehículos eléctricos en Europa y EE. UU. tuvieron un mejor desempeño ambiental en términos de potencial de acidificación y potencial de eutrofización. Para la estructura de energía, China con una estructura de generación de energía de carbón alta produce valores de potencial de acidificación y potencial de eutrofización altos, por lo que se especuló que la generación de energía de carbón en la estructura de energía podría aumentar el potencial de acidificación y el potencial de eutrofización generado por el paquete de baterías en la operación. escenario.

El potencial de agotamiento del ozono (ODP) estuvo cerca del promedio mundial en China y EE. UU., y la región con el valor más alto de ODP fue Japón. El valor del potencial de formación de oxidantes fotoquímicos (POFP) de los vehículos eléctricos en Europa fue el más alto, que fue bastante bajo en los EE. UU. Afectada por la ley de impacto ambiental en cada región, fue difícil determinar la estructura real de generación de energía que conduce al agotamiento del ozono y la oxidación fotoquímica, lo que podría ser el resultado del efecto sinérgico de múltiples estructuras de generación de energía. Entre los índices de agotamiento de recursos, los vehículos eléctricos que se ejecutan en diferentes regiones tenían un potencial ambiental dispar, y los valores de potencial de acidificación, potencial de eutrofización, ODP y POFP en los EE. UU. fueron más bajos que el promedio mundial. En otras palabras, el consumo real de recursos de los vehículos eléctricos en el sector del transporte en los EE. UU. fue inferior al promedio mundial, lo que probablemente se debió a las fuentes de energía relativamente equilibradas en la estructura de energía eléctrica de los EE. UU.

En la etapa de ejecución del escenario básico, el valor del impacto ambiental del daño tóxico generado por los paquetes de baterías del modelo mini en las cinco regiones se muestra en la Fig. 5c. La tendencia de variación de la toxicidad humana por cáncer (HTC) y la toxicidad humana no cancerosa (HTN) en diferentes regiones fue consistente, y el valor de impacto de HTN en el paquete de batería de evaluación correspondiente fue de 6 a 8 veces mayor que el de HTC en promedio. En la etapa de ejecución, los paquetes de baterías EV del modelo mini tuvieron el valor de impacto HTC y HTN más alto en China, pero el más bajo en Europa. Para la ecotoxicidad (ETX), las conclusiones fueron bastante diferentes. En el sector del transporte, el ETX real generado por los EV en Japón durante la operación podría alcanzar el doble del valor promedio mundial, perteneciendo a la región con el valor de ETX más alto, que fue el más bajo en China.

De acuerdo con la influencia ambiental indirecta de la estructura de energía eléctrica, el índice de características ambientales podría usarse para analizar el grado de protección ambiental de los paquetes de baterías en la etapa de funcionamiento del vehículo. Los resultados mostraron que había poca diferencia en el índice de características ambientales de las diferentes áreas y que la ley de distribución era aproximadamente la misma cuando se ensamblaban diferentes paquetes de baterías. El índice de características ambientales de los vehículos eléctricos con diferentes paquetes de baterías en diferentes áreas se muestra en la Fig. 6.

Índice de características ambientales de vehículos eléctricos con diferentes paquetes de baterías en diferentes áreas.

El índice de características ambientales es un índice positivo; cuanto mayor es el valor, mejor es su desempeño ambiental. El paquete de baterías Li-S fue el más limpio, mientras que LMO/NMC-C tuvo la mayor carga ambiental. Cuanta más energía eléctrica consume el paquete de baterías en los EV, mayor es el impacto ambiental causado por la existencia de una estructura de energía no limpia en la composición de la energía eléctrica, por lo que menores son las características ambientales. En general, el índice de características ambientales del paquete de baterías se clasificó de mayor a menor: Li–S, NMC-SiNT, FeS2SS, NMC-C, NMC-SiNW, NMC442-C, NMC111-C, LFPy-C, LFPx-C, OVM-C, OVM/NMC-C.

Desde el punto de vista de la composición de la batería, los dos tipos de baterías LMB tienen el índice de características ambientales más alto (en la parte superior de la lista están las baterías Li-S, con FeS2SS en tercer lugar), es decir, es el más limpio. y verde durante la etapa de uso. Esto se debe principalmente a que este tipo de baterías tienen una mayor densidad de energía y un menor peso para la misma capacidad, lo que les permite consumir menos energía en la carretera. Además, NMC-SiNT tiene una densidad de energía más alta que FeS2SS. También se puede ver en la Fig. 6 que el índice integral de características ambientales de NMC-SiNT es mayor que FeS2SS. En general, la densidad de energía de masa de las baterías NMC es mayor que la de las baterías LFP, lo que también es el caso en este documento. Por lo tanto, los índices de características ambientales de las baterías LFPy-C y LFPx-C son menores que los de las baterías NMC. Luego, el análisis comparativo de la batería NMC muestra que, desde la perspectiva del electrodo positivo, la relación molar de los componentes de níquel, manganeso y cobalto de NMC442-C y NMC111-C son diferentes. Entre ellos, NMC442-C tiene un mayor contenido de níquel que NMC111-C, lo que resulta en una mayor densidad de energía y un impacto ambiental más limpio. Desde la perspectiva del ánodo, los componentes de la batería de las baterías de tres tipos NMC-SiNT, NMC-C, NMC-SiNW son diferentes. NMC-SiNT usa nanotubos de silicio como electrodo negativo, NMC-C usa carbono como electrodo negativo y NMC-SiNW usa nanocables de silicio como electrodo negativo de la batería, lo que hace que tres baterías tengan diferentes características ambientales. Finalmente, las baterías LMO tienen el índice de características ambientales más bajo, especialmente LMO/NMC-C, es decir, tienen el valor de protección ambiental más bajo.

En el último año, la transición energética global y la escasez de energía han ido acompañadas. Los países de todo el mundo han hecho todo lo posible para coordinar el desarrollo de energía verde y baja en carbono y el suministro de energía. Según la Administración de Energía Limpia, la demanda mundial de combustibles fósiles alcanzará su punto máximo en unos pocos años, y la crisis energética actual podría ser un punto de inflexión para el desarrollo de energía limpia, acelerando la transición de energía limpia. La nueva tendencia de desarrollo de energía eléctrica en China se muestra en la Fig. 7. Se espera que la proporción de energía de carbón instalada en China caiga del 49 % en 2021 al 31 % en 2025, lo que también sigue a una transición ecológica y baja en carbono. Por lo tanto, la transformación limpia es la dirección inevitable y la tendencia internacional del desarrollo energético futuro, y también es la única forma en que China puede cambiar su estructura de suministro de energía con alto contenido de carbono.

Estructura de potencia instalada en 2021 y tendencia de potencia en 2025.

Antes de 2020, la generación de energía en China estaba dominada por el carbón, lo que resultó en un exceso de capacidad para la generación de energía con carbón y una contaminación grave. Entre 2021 y 2030, la energía del carbón seguirá desempeñando un papel básico en la conversión del carbón, el suministro de calefacción eléctrica, etc. Entre 2031 y 2050, la energía del carbón será simplemente un "suministro de energía ajustable". Con el objetivo de alcanzar el "pico de carbono para 2030 y la neutralidad de carbono para 2060", China acelerará su transición limpia y su desarrollo ambiental. Las energías renovables limpias se convertirán gradualmente en la mayor parte del suministro eléctrico. En otras palabras, antes de 2030, China todavía depende en gran medida de la energía del carbón y es probable que mantenga emisiones significativas de huella de carbono, huella ecológica, potencial de acidificación, potencial de eutrofización, HTC y HTN, con mejoras solo en las provincias de energía limpia. Después de 2030, la proporción decreciente de la energía del carbón disminuirá los valores de la huella de carbono, la huella ecológica, el potencial de acidificación y el potencial de eutrofización. Al mismo tiempo, la energía limpia y renovable que se convierte en un pilar puede reducir en gran medida HTN y HTC en China y permitir que los vehículos eléctricos impulsen la limpieza.

En este documento, se analizan en detalle los efectos de 11 grupos de LIB instalados en mini EV en 11 indicadores ambientales en 5 regiones. Los resultados muestran que:

Los paquetes de baterías que operan en China producirán un mayor valor potencial ambiental de CF, EF, AP, EP, HTC y HTN. Los paquetes de baterías que operan en Europa producirán mayor WF y POFP, mientras que operar en Japón producirán un mayor valor de impacto ambiental de ADP, ODP y ETX. El uso de vehículos eléctricos tiene implicaciones ambientales positivas y significativas para los países y regiones mencionados anteriormente en diferentes aspectos. Los vehículos eléctricos en Europa pueden reducir mejor el valor de CF, EF, HTC y HTN. Los vehículos eléctricos en Japón reducirán mejor el valor de WF. Mientras que en China, los EV mejor traen la reducción de ADP y ETX. Para reducir el ODP y POFP producidos durante la operación, los EV son los mejores en los EE. UU.

A partir de los valores de impacto ambiental de cada región, se puede encontrar que existe una correlación entre la composición de la estructura de poder y los indicadores ambientales. La generación de energía del carbón en la estructura de energía puede afectar el CF, EF, AP y EP producidos por los paquetes de baterías en la etapa de funcionamiento. La generación de energía nuclear puede afectar la WF de los paquetes de baterías durante el funcionamiento. La generación de energía de gas natural en la estructura de energía puede afectar el ADP de los paquetes de baterías durante la operación. Sin embargo, el índice de propiedad verde es un índice integral, que no solo debe considerar la influencia de las principales fuentes de energía en la región, sino que tampoco puede ignorar el papel de otros modos de generación de energía. Durante la fase de funcionamiento, el paquete de baterías con el índice característico ambiental más alto es Li–S, mientras que LMO/NMC-C tiene el índice característico verde más bajo. Este resultado ocurre que la densidad de energía de masa es la clave. Con la misma capacidad de batería y mayor densidad de energía de masa, el peso del paquete de batería es más pequeño, y cuanto menos energía eléctrica se necesite consumir para transportar la batería durante la etapa de uso, más verde será la batería.

Como se puede ver a partir de los resultados de la investigación, la energía del carbón en China actualmente tiene una huella de carbono significativa, una huella ecológica, un potencial de acidificación y un potencial de eutrofización, y su estructura de energía no es propicia para el desarrollo sostenible de BEV. Vale la pena mencionar que China se esfuerza por lograr una transición limpia en la generación de energía. En el futuro, se espera establecer un modelo de relación entre la estructura de poder y el índice de impacto para simular el impacto de varios cambios en la estructura de poder en el medio ambiente de China y encontrar la combinación óptima adecuada para las condiciones nacionales de China, de modo que BEV pueda conducir de forma ecológica en China. .

Las contribuciones originales presentadas en el estudio se incluyen en el artículo, las consultas adicionales pueden dirigirse al autor correspondiente.

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Los autores quisieran expresar su agradecimiento a los siguientes colaboradores: (1) la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 52074037); (2) Programa Nacional Clave de I+D de China (2021YFB2401800).

Estos autores contribuyeron por igual: Hongliang Zhang y Bingya Xue.

Escuela de Administración y Economía, Centro de Investigación de Políticas Energéticas y Ambientales, Instituto de Tecnología de Beijing, Beijing, 100081, China

Hongliang Zhang y Yuchen Hu

Departamento de Energía y Materiales Ambientales, Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Instituto de Tecnología de Beijing, Beijing, 100081, China

Bingya Xue, Songnian Li, Yajuan Yu, Zeyu Chang, Haohui Wu, Lai Chen y Yuefeng Su

Instituto de Tecnología de Beijing Centro de Innovación de Chongqing, Chongqing, 401120, China

Yajuan Yu, Lai Chen y Yuefeng Su

Centro de tecnología automotriz de Beijing, Beijing, 100163, China

xi li

Facultad de Ciencias Ambientales e Ingeniería, Universidad Forestal de Beijing, Beijing, 100083, China

kaihuang

Departamento de Ingeniería Civil y de Recursos, Universidad de Dalhousie, Halifax, B3H4R2, Canadá

lei liu

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Todos los autores contribuyeron a la concepción y el diseño del estudio. [ZH], [XB] y [WH] realizaron la conceptualización, la preparación del material, la recopilación de datos y la metodología. La curación de datos y la metodología también fueron realizadas por [HY], [CZ], [LX] y [LL]. El manuscrito fue revisado por [LS], [XB]. El análisis formal y el primer borrador del manuscrito fueron escritos por [XB]. El software, la investigación, la revisión y edición, la validación, los recursos, la administración del proyecto y la adquisición de fondos fueron realizados por [YY]. [HK], [CL] y [SY] también realizaron la supervisión, revisión y edición, validación y adquisición de fondos. Todos los autores comentaron sobre versiones anteriores del manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Yajuan Yu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, H., Xue, B., Li, S. et al. Evaluación del impacto ambiental del ciclo de vida de los vehículos eléctricos a batería a nivel mundial y regional. Informe científico 13, 7952 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35150-3

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Recibido: 12 Abril 2023

Aceptado: 13 de mayo de 2023

Publicado: 16 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35150-3

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