解读面向欧盟《电池和废电池法规》动力电池碳足迹的减排路径与情景

欧盟新电池法的时间表与硬约束

为探究中国电池工业的生产水平和碳足迹现状，突破欧盟贸易壁垒，提高国内动力电池的出口竞争力，有必要对动力电池的碳足迹减排路径进行梳理。本文以中国领先的锂离子电池生产企业的畅销电池产品为研究对象，深入剖析当前电池各环节的碳足迹水平，并分析在新《电池法》约束下的实际减排效果。研究对象为NCM三元5系电池，即Ni质量分数占56%的电池，以下均以5系电池指代。

研究方法：LCA框架下的碳足迹建模

生命周期评价（LCA）方法用来评估产品或设施在整个生命周期中对环境的影响，ISO14040提供了评价标准的原则和框架，ISO14067将碳足迹从上述标准中分离出来形成单独标准。欧盟对环境影响主要基于环境足迹核算方法（PEF），并延伸出产品环境足迹类别规则（PEFCR），其中针对电池的PEFCR对电池全生命周期中的碳排放进行了详细的数据测算和收集。

电池产品的生命周期碳足迹系统边界可分为四类：从摇篮到大门（从资源开采到电池生产）、从大门到大门（仅考虑电池制造）、从摇篮到坟墓（从电池生产到电池退役报废的传统全生命周期）、从摇篮到摇篮（考虑电池材料回收和再制造的新型全生命周期）。本文将基于LCA分析框架，结合ISO14067与PEFCR，并参考欧盟联合研究中心发布的《电动汽车电池碳足迹核算指南——最终稿》，研究电池从摇篮到大门阶段的碳足迹。

产品碳足迹CFP基于ISO14040与ISO14044标准的研究方法，评估产品生命周期中的碳排放变化情况。通常利用LCA分析软件对产品进行建模分析，常用的商业软件有GaBi、SimaPro、eFootprint等。本次研究以5系NCM动力电池为研究对象，使用GaBi软件10.7版本分析电池产品从摇篮到大门阶段的碳足迹。考虑电池通常以kWh作为能量单位，因此提前将电池物料生产的BOM表转化为每kWh单位的用量。

在原材料碳排放因子中，正极前驱体、正极材料和负极材料使用建模计算的实景数据，而正极集流体、负极集流体、隔膜、导电剂和壳体则使用调研获得的实景数据，其他材料因子使用GaBi软件内置的数据库和Ecoinvent数据库。

5系电芯的碳排放结构：正极材料是最大头

通过GaBi软件建模计算得到5系电芯碳排放为112.7 kg CO2-eq/kWh。其中，正极部分碳排放占比最高达53%，负极占比17%，能耗阶段排放主要分为电力消耗碳排放与天然气（涂布烘箱，除湿）燃烧排放，共占比20%，其他装配阶段占比10%。

材料获取阶段包含正极材料、负极材料、电解液、外壳等原材料从摇篮到大门阶段。在电芯产品碳排放中，原材料获取阶段的占比高达80.12%，其中正极材料在原材料排放中占比58%。这意味着电芯的碳足迹绝大部分锁定在材料获取阶段，而非制造过程本身。

正极材料生产（32.9 kg CO2-eq/kWh）主要包含前驱体制备、混料、烧结、制粉、筛分除铁、包装等过程。其中前驱体制备过程的碳排放占比最大，占正极材料过程的85%。

前驱体制备（18.18 kg CO2-eq/kWh）中硫酸钴碳排放占比最大，占5系电池前驱体制备过程的65%。三元前驱体制备采用共沉淀湿法工艺，将硫酸镍、硫酸钴、硫酸锰配置成一定摩尔浓度的混合盐溶液，加入氢氧化钠配置成碱溶液，使用氨水作为络合剂，再加入惰性气体氮气避免金属离子镍和锰被氧化，再经过配料、沉淀、洗涤、烘干、除铁包装，最终完成三元前驱体的制备。

三条降碳路径：电气化、可再生能源与再生材料

电池碳足迹减排的主要路径包括提升电气化率、节能改造升级、提升可再生能源比例与循环再生材料的使用。

提升电气化率的主要措施包括将物流运输和转运电气化、涂布烘箱电气化。节能改造方面，改进生产布局，实施烘箱余热回收等措施。此外，通过对5系电芯碳足迹的研究分析可知，正极材料在电芯总碳排放中占比最高，达到46.35%，而能耗（电力、天然气）碳排放约占电芯总碳排放的20%。

由于电气化率和节能改造具有项目特殊性，无法进行大范围推广，故本文主要针对可再生能源（绿色电力）与再生材料的研究。

可再生能源的使用可以从两个方面来考虑：电池生产的能耗和供应链可再生能源的使用比例。国内常见的可再生能源主要有风电、光电、水电。但值得注意的是水电尚未被欧盟认定为可再生能源。

循环再生材料是指经过一次生命周期循环后，通过制备工艺制成的再生材料。使用循环再生材料可以减少产品的碳足迹，其原理主要是将原材料经过一次生命周期使用后制备成再生材料，从而省却了资源矿产阶段的能源消耗。具体的减排原理和模型公式如下：C原生 = Cmaterial + Ctransport + Cproduction，其中Cmaterial为原材料开采获取阶段能耗碳排放，Ctransport为运输阶段碳排放，Cproduction为原材料制备生产工艺能耗碳排放。C再生 = Crecycle + Cregeneration，其中Crecycle为回收材料工艺能耗碳排放，Cregeneration为再生材料制备工艺能耗碳排放。则回收材料减排量为C = C原生 - C再生。

电池正极材料的回收方法主要包括火法回收、湿法回收和直接回收。火法回收使用高温熔炼去除黏结剂和隔膜等有机材料，通过碳还原剂生产含有镍、钴、铜的金属合金，过程简单无需预处理，是目前成熟的商用回收方法，但高能耗过程会导致大量碳排放。湿法回收是将废旧锂电池中的金属从固态材料转移到浸出液中，常用有机酸包括柠檬酸、苹果酸、草酸、乙酸和抗坏血酸。直接回收法也被称为物理直接修复法，即用锂的工艺形式对正极材料进行修复再生。考虑火法回收的高能耗过程会直接产生大量碳排放，以及目前直接回收法的技术路线尚不够成熟，本文采取以湿法回收路径研究正极再生材料的减排水平。同时，水电的绿色可再生能源属性在新《电池法》中尚未明确，故选用了GaBi软件数据库内置的中国风电平均碳排放因子进行计算。

情景分析：不同组合下的减排幅度测算

新《电池法》对循环材料的使用有明确要求，规定电池需要使用回收利用的物质作为原材料，并设定了最低回收比例。故以6%、12%、15%、16%、26%等不同质量分数的正极再生材料替换原材料作为研究对象，并结合不同比例的可再生能源，研究多种情景下电芯的碳足迹减排水平。

将正极再生材料和可再生能源的替换情况代入建模的模型中，以再生材料制备工艺能耗不变为前提，首先，在使用可再生能源的情况下，5系电芯产品碳足迹排放最低可以减少2.73%，最高可减少13.69%。

其次，仅使用正极再生材料减排时，5系电芯产品的碳足迹排放最低可减少1.81%，最高可减少7.86%。

此外，在正极再生材料与可再生能源结合使用的情况下，5系电芯产品的碳足迹排放最低可以减少4.55%，最高减少21.55%。

从表中数据可以看出，当正极再生材料比例为0、可再生能源比例为0时，减排为0；当正极再生材料比例为26%、可再生能源比例为100%时，减排达到21.55%的最大值。可再生能源比例每提升20个百分点，减排幅度大约增加2.74个百分点；正极再生材料比例从0提升到26%，减排幅度大约增加7.86个百分点。两者结合使用的效果并非简单相加，而是存在一定的叠加增益。

产业链协同才是根本出路

新能源汽车产业是中国实现双碳目标的重要路径之一，动力电池低碳化发展不仅关乎中国实现双碳战略目标，也是突破欧盟贸易壁垒的重要手段。本文以5系电池为例，基于新《电池法》要求，探索电池碳足迹减排路径。

动力电池的碳足迹减排不单单是电池制造企业的减排，更需要供应链上下游产业链及新能源行业的协同减排。目前我国动力电池产业还存在含碳高和碳管理体系不健全的问题；行业碳排放监测、核算、披露、评价等碳管理体系制定尚处于起步期，国内上游电池的原材料产业对产品的碳管理不够重视；产业链碳足迹核算标准与方法缺失，对标新《电池法》，我国对动力电池碳足迹、再生材料含量、相关方义务、电池标签等相关管理措施仍存在缺失。

从本文的研究结果看，正极材料尤其是正极前驱体环节是减排的重中之重，其碳排放占电芯原材料总碳排放的58%，而前驱体又占正极材料碳排放的85%，其中硫酸钴碳排放占前驱体制备过程的65%。这意味着钴的供应链碳管理是电池企业需要优先突破的方向。同时，可再生能源的使用虽然受限于电网条件和欧盟对水电的认定标准，但风电等被认可的可再生能源仍能带来2.73%至13.69%的减排空间。再生材料与可再生能源的组合使用则可将减排幅度推高至21.55%，但需要电池企业、材料供应商、回收企业和能源供应商共同建立协同机制。

5系电芯总碳排放为112.7 kg CO2-eq/kWh，其中正极部分占比53%，负极部分占比17%，能耗阶段占比20%，其他装配阶段占比10%。这一结构清晰地表明，正极材料是电芯碳足迹的最大来源。 从原材料层面看，原材料获取阶段占电芯产品碳排放的80.12%，其中正极材料在原材料排放中占比58%。正极材料生产碳排放为32.9 kg CO2-eq/kWh，其中前驱体制备碳排放为18.18 kg CO2-eq/kWh，前驱体在正极材料碳排放中占比高达85%。电芯碳足迹的绝大部分锁定在材料获取阶段，而非制造过程本身。 进一步拆解前驱体内部结构，硫酸钴碳排放占5系电池前驱体制备过程的65%，是前驱体环节最大的单一排放来源。这意味着钴的供应链碳管理是电池企业需要优先突破的方向。

表1展示了不同正极再生材料比例和可再生能源比例组合下的减排百分比预测。当正极再生材料比例为0、可再生能源比例为0时，减排为0；当正极再生材料比例为26%、可再生能源比例为100%时，减排达到21.55%的最大值。 从数据可以看出，可再生能源比例每提升20个百分点，减排幅度大约增加2.74个百分点；正极再生材料比例从0提升到26%，减排幅度大约增加7.86个百分点。两者结合使用的效果并非简单相加，而是存在一定的叠加增益。在正极再生材料与可再生能源结合使用的情况下，5系电芯产品的碳足迹排放最低可以减少4.55%，最高可减少21.55%。 以正极再生材料16%、可再生能源60%的组合为例，减排幅度为13.05%，这一组合在企业实际可操作性上具有一定参考价值，因为16%的钴回收比例对应2031年的法规要求，而60%的可再生能源比例在部分企业已有实践基础。