پایداری | متن کامل رایگان | تجزیه و تحلیل ردپای اکولوژیکی از استخراج و پردازش مواد در فاز LCA باتری‌های لیتیوم یونی - شهرساز | سایت تخصصی شهرسازی با هوش مصنوعی | شهرساز

بهترین آموزش های کاربردی در شهرسازی

بهترین آموزش های کاربردی در شهرسازی را از Urbanity.ir بخواهید

…

ادامه ...

خرید درب شیشه ای سکوریت با بهترین قیمت از تتراگلس

ادامه ...

Friday, 28 June , 2024
امروز : جمعه, ۸ تیر , ۱۴۰۳

آخرین اخبار »

شناسه خبر : 21798

ارسال

پرینتخانه » مقالات تاریخ انتشار : 12 ژوئن 2024 - 3:30 | 14 بازدید | ارسال توسط : riazat

پایداری | متن کامل رایگان | تجزیه و تحلیل ردپای اکولوژیکی از استخراج و پردازش مواد در فاز LCA باتری‌های لیتیوم یونی

۱٫ معرفی بخش حمل و نقل، عمدتاً شامل وسایل نقلیه مسافربری، منبع اصلی انتشار کل گازهای گلخانه ای در سطح بین المللی در نظر گرفته می شود [۱]. تغییر به وسایل نقلیه الکتریکی یکی از جنبه های کلیدی کاهش گازهای گلخانه ای در نظر گرفته می شود [۲]. از این رو، باتری‌های لیتیوم یونی (LIBs) […]

۱٫ معرفی

بخش حمل و نقل، عمدتاً شامل وسایل نقلیه مسافربری، منبع اصلی انتشار کل گازهای گلخانه ای در سطح بین المللی در نظر گرفته می شود [۱]. تغییر به وسایل نقلیه الکتریکی یکی از جنبه های کلیدی کاهش گازهای گلخانه ای در نظر گرفته می شود [۲]. از این رو، باتری‌های لیتیوم یونی (LIBs) مورد استفاده در خودروهای الکتریکی موضوعات کلیدی تحقیقات در سال‌های اخیر بوده‌اند. اگرچه باتری های وسایل نقلیه الکتریکی مزایای زیادی دارند، اما هنوز هم تأثیر منفی قابل توجهی بر محیط طبیعی دارند [۳]. درک دقیق اثرات زیست محیطی باتری های لیتیوم یونی در هر مرحله از چرخه عمر آنها برای دستیابی به پایداری نه تنها باتری ها، بلکه وسایل نقلیه ای که از آنها تغذیه می کنند ضروری است. [۴]. تجزیه و تحلیل بارهای زیست محیطی اصلی باتری ها و سایر محصولات همراه به پویایی توسعه شرکت اشاره دارد، به عنوان مثال، Industry 4.0 [5,6,7,8]. علاوه بر این، بهبود این محصولات برای دستیابی به کیفیت مورد انتظار ضروری است [۹,۱۰]، در حالی که از تأثیر سازگار با محیط زیست آنها اطمینان حاصل می شود [۱۱].

بررسی ادبیات نشان می دهد که مطالعات زیادی در مورد ارزیابی چرخه عمر انواع مختلف باتری های لیتیوم یون مورد استفاده در صنعت خودرو انجام شده است. به عنوان مثال، باتری های لیتیوم-آهن فسفات با حلال های مختلف مورد استفاده برای تولید سلول مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته اند. [۱۲]. مارکز و همکاران [۳] عملکرد باتری‌های اکسید منگنز لیتیوم را با باتری‌های لیتیوم آهن فسفات، از جمله ارزیابی چرخه عمر آن‌ها، در نظر گرفتن گرمایش جهانی، اسیدی شدن و اوتروفیکاسیون مقایسه کرد. تحقیقی که توسط نویسندگان مطالعات انجام شده است [۱۳,۱۴,۱۵,۱۶] به اثرات زیست محیطی باتری های لیتیوم یونی، به عنوان مثال، فسفات آهن لیتیوم و لیتیوم نیکل کبالت، در طول مراحل تولید، استفاده یا بازیافت آنها پرداخته است که نشان دهنده ردپای کربن قابل توجهی در این فازها است. علاوه بر این، چن و همکاران. [۱۶] پتانسیل کاهش انتشار دی اکسید کربن را در ارزیابی چرخه عمر باتری های لیتیوم یون بررسی کرد. یانگ و همکاران [۱۷] با در نظر گرفتن تغییرات احتمالی در قدرت، عمر انرژی و راندمان شارژ باتری‌های لیتیوم یونی، تحلیل‌های پیش‌بینی‌کننده‌ای از تولید باتری‌های لیتیوم یونی تا سال ۲۰۳۰ انجام داد. نوردلوف و همکاران [۱۸] مرحله پایان عمر در چرخه عمر باتری های لیتیوم یون را مدلسازی کرد. به نوبه خود، Cerdas و همکاران. [۱۹] فرآیندهای مختلف در مراحل چرخه عمر باتری‌های لیتیوم یون را با توجه به تأثیر جنبه‌هایی مانند کیفیت مواد بازیافتی و مصرف انرژی و مواد مورد مطالعه قرار داد. به طور مشابه، یانگ و همکاران. [۲۰] اثرات زیست محیطی را به عنوان بخشی از بازیافت باتری با توجه به قابلیت اقتصادی بررسی کرد و همچنین فهرستی از چرخه عمر باتری ارائه کرد. کوریدا و همکاران [۲۱] بار محیطی ناشی از افزایش استفاده از فولاد در تولید باتری را از نظر چرخه عمر تجزیه و تحلیل کرد. علاوه بر این، یو و همکاران. [۲۲] بازیافت فلز باتری با بازیابی لیتیوم برای باتری‌های لیتیوم یون استفاده شده و انتشار گازهای گلخانه‌ای در طول چرخه عمر باتری مورد بررسی قرار گرفت. نوع دیگری از تجزیه و تحلیل، به عنوان مثال، توسط میراندا و همکاران انجام شد. [۲۳] به عنوان بخشی از کاربرد بهینه سازی ازدحام ذرات یک شبکه عصبی برای ارزیابی وضعیت شارژ باتری. سپس، Bhinge و همکاران. [۲۴] چرخه عمر باتری لیتیوم یونی را با مقدار زیادی داده در صورت افت کیفیت محصول ارزیابی کرد. به نوبه خود، پیکاتوست و همکاران. [۲۵] تأثیر زیست‌محیطی باتری‌ها را با تمرکز بر سیستم حلقه بسته و چرخه عمر باتری، تجزیه و تحلیل چالش‌های صنعتی و همچنین شیوه‌های طراحی سودمند برای باتری‌های لیتیوم یون مورد استفاده در صنعت خودرو ارزیابی کرد. ذکر این نکته ضروری است که طبق نتایج اخیر، سیاست خودروهای الکتریکی چین موفقیت قابل توجهی داشته است. با افزایش تعداد خودروهای الکتریکی در این کشور، چین در حال ساخت ایستگاه های شارژ بیشتری، بهبود برند خودروهای ارائه شده و افزایش فروش تجاری آنها است. [۲۶]. با این حال، افزایش استفاده از وسایل نقلیه باتری دار نیز با مشکلات احتمالی همراه است و اصلی ترین آنها اتلاف بیش از حد باتری است. آمارها نشان می دهد که بیش از ۲۰۰۰۰۰ تن زباله از باتری های لیتیوم یونی در سال ۲۰۲۰ ایجاد شده است و تعداد آنها به طور مداوم در حال افزایش است. این زباله‌ها تأثیر قابل‌توجهی بر محیط‌زیست دارند، به همین دلیل است که چین و سایر کشورها شروع به توجه به نحوه مدیریت این زباله‌ها کرده‌اند. با این حال، همچنان یک موضوع مبرم است [۲۷]. علاوه بر این، کاهش لیتیوم مشکلی است که به طور قابل توجهی تلاش ها برای کاهش انتشار دی اکسید کربن را مختل می کند. [۲۸].

در بررسی ادبیات، تعداد کمی از مطالعات مشاهده شد که شامل تجزیه و تحلیل مقایسه ای از باتری های لیتیوم یون مختلف، با در نظر گرفتن بار زیست محیطی بر روی ردپای اکولوژیکی بود. [۲۶] ناشی از استخراج و پردازش این مواد باتری در طول عمر آنها. بنابراین، هدف از این تحقیق، انجام یک تحلیل مقایسه‌ای عمیق باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی بود که از نظر بارهای محیطی، از جمله معیارهای ردپای اکولوژیکی از استخراج و پردازش مواد باتری در طول چرخه عمر آن‌ها (LCA) تحلیل شدند.

اصالت این تحقیق بر اساس شناسایی بارهای زیست محیطی اصلی در رابطه با ردپای اکولوژیکی (با در نظر گرفتن انتشار دی اکسید کربن، کاربری زمین و انتشارات هسته ای) در فاز اول LCA برای لیتیوم-یون محبوب، فسفات آهن لیتیوم و لیتیوم است. باتری های نیکل کبالت منگنز. نتایج این تجزیه و تحلیل با پیشنهادهایی برای اقدامات بهبود برای کاهش بار اصلی زیست محیطی تکمیل شد، که ممکن است برای شرکت های تولید کننده این نوع باتری ها به عنوان بخشی از توسعه پایدار آنها مفید باشد.

۲٫ مواد و روشها

این تحقیق شامل تجزیه و تحلیل مقایسه ای از بارهای زیست محیطی ناشی از استخراج و پردازش مواد در طول چرخه عمر باتری برای وسایل نقلیه سواری الکتریکی بود. ارزیابی چرخه حیات (LCA) یکی از متداول ترین روش ها برای ارزیابی اثرات زیست محیطی است [۲۷]ارائه ارزیابی از ورودی ها و خروجی ها و تفسیر نتایج ارزیابی اثرات زیست محیطی یک محصول یا فرآیند در طول چرخه عمر آن [۲۸]. رویکرد اصلی چرخه زندگی از گهواره تا گور است که شامل استخراج و پردازش مواد، تولید، استفاده و پایان عمر می شود. [۲۹]. متدولوژی LCA بر اساس استاندارد ISO 14040 است [۳۰] که طبق آن طبق چهار مرحله تعاملی پیش می رود: (۱) تعریف هدف و دامنه تحقیق، (۲) فهرست، (۳) ارزیابی اثرات زیست محیطی، و (IV) تفسیر. [۳۱]. استفاده از LCA می‌تواند از تصمیم‌گیری‌های طرفدار اکولوژیک بیشتر در طول چرخه زندگی حمایت کند، و همچنین می‌تواند منبعی از دانش برای مراحل انتخابی چرخه باشد، از جمله تطبیق نوع تجزیه و تحلیل با معیارهای مورد نظر بارهای زیست‌محیطی. [۳۲,۳۳]. بنابراین، روش تحقیق حاضر شامل تعریف موضوع تحقیق، واحد عملکردی، مرز سیستم و محدوده تحقیق است که در ادامه این مقاله شرح داده خواهد شد.

موضوع این تحقیق باتری های خودروهای سواری برقی بود که از نظر محبوبیت به دلیل مواد کاتدی انتخاب شدند. [۳۴]: یون لیتیوم (Li-Ion) [35,36]لیتیوم فسفات آهن (LiFePO₄) [37]و لیتیوم نیکل کبالت منگنز سه تایی (NCM) [38]. تجزیه و تحلیل بارهای مرتبط با آنها مهم است، به ویژه از آنجایی که انتظار می رود استفاده از آنها در سال های آینده حتی به سطح ۶۵۰۰۰ تن در بازار جهانی تا سال ۲۰۲۵ افزایش یابد، به عنوان مثال، LiFePO₄ باتری ها [۳۹].

یکی از ویژگی‌هایی که باتری‌های خودرو را مشخص می‌کند، ترکیب شیمیایی آن‌ها است که عملکرد باتری را ایجاد می‌کند، اما به تقاضا و روش انتخاب مواد نیز کمک می‌کند. [۴۰,۴۱]. باتری‌های لیتیوم یون سهم قابل‌توجهی از فناوری‌های باتری را به خود اختصاص می‌دهند که عمدتاً به دلیل کارایی بالای آنها از طریق ترکیب مناسب انرژی و چگالی توان بالا است. [۴۲]. لیتیوم به کار رفته در آنها دارای بیشترین پتانسیل سلولی است که به دلیل داشتن کمترین پتانسیل احیاء در بین سایر عناصر می باشد [۴۳]. علاوه بر این، لیتیوم یکی از عناصر سبک‌تر است و یکی از کوچک‌ترین شعاع‌های یونی را با در نظر گرفتن تمام یون‌های باردار جداگانه دارد. دارای ظرفیت ثقلی بالا و همچنین ظرفیت حجمی بالا و چگالی توان بالایی است [۴۴]. محدودیت اصلی این باتری ها زمان شارژ نسبتا طولانی آنها است که ناشی از انتشار در الکترودهای جامد است. [۴۵]. یک باتری لیتیوم یونی حاوی ترکیباتی از اکسید لیتیوم منگنز و اکسید لیتیوم کبالت است. این باتری ها در انواع مختلفی وجود دارند، مانند باتری بعدی لیتیوم فسفات آهن که برای تجزیه و تحلیل انتخاب شده است (LiFePO₄، LFP) که حاوی ترکیبات آهن بسیار سبک تری بود و از مواد کاتد فسفات آهن لیتیوم تولید می شد. [۳۷]. در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون سنتی، راندمان شارژ و دشارژ بالاتری دارند، از جمله عمر چرخه‌ای طولانی‌تر و ساختار حرارتی و شیمیایی پایدارتر. [۴۶]. آنها دارای سطح بالایی از ایمنی، پایداری حرارتی و چرخه ای خوب و هزینه مواد نسبتاً پایین هستند [۳۹]. به نوبه خود، باتری‌های لیتیوم نیکل کبالت منگنز (NCM) به دلیل ظرفیت زیاد، چگالی انرژی و پایداری خوب، محبوبیت پیدا می‌کنند. آنها نسبت به باتری های قبلی سبک تر و کارآمد هستند، با توجه به محدوده سفر [۳۴]. محتوای نیکل در باتری‌های NCM به کاهش قابل توجه مشکلات مربوط به پایداری و هزینه‌های آنها به دلیل محتوای کبالت کمتر کمک می‌کند. [۴۷].

عناصر اصلی باتری های انتخابی برای وسایل نقلیه الکتریکی سواری، ماژول های باتری هستند که از سلول های باتری تشکیل شده اند. به نوبه خود، این سلول ها، در میان عناصر دیگر، حاوی آند، کاتد، جداکننده و الکترود هستند [۴۸]. با در نظر گرفتن این عناصر به عنوان عناصر اصلی، داده های مواد مربوط به باتری های تجزیه و تحلیل شده توسعه داده شد. داده ها بر اساس مرور ادبیات تهیه شدند، به عنوان مثال، [۳۵,۴۹,۵۰]، مدل GREET v1.3.0.13991 [51]و داده ها از پایگاه داده Ecoinvent 3.10 OpenLCA 2.0.0. [52]. مواد انتخاب شده برای تأیید و میزان استفاده از آنها در هر کیلوگرم در ارائه شده است میز ۱، جدول ۲ و جدول ۳.

پس از آن، به عنوان بخشی از آماده سازی داده ها برای تجزیه و تحلیل، واحد عملکردی و مرزهای سیستم تعریف شد.

با توجه به محدودیت منابع لیتیوم، بسیاری از کشورها استفاده از انواع دیگر باتری ها را آغاز کرده اند. به عنوان مثال، یک باتری لیتیوم-گوگرد (Li-S) با ظرفیت ویژه نظری بالا و چگالی انرژی ویژه می تواند کارایی را تا پنج برابر در مقایسه با باتری های لیتیوم-یون سنتی افزایش دهد. [۵۳]. اگرچه باتری‌های لیتیوم-گوگرد بسیار مورد توجه هستند و به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین باتری‌های نسل جدید با چگالی انرژی بالا در نظر گرفته می‌شوند، اما به دلیل کاستی‌هایی که در کاربرد عملی آن‌ها وجود دارد، هنوز رضایت‌بخش نیستند. [۵۴]. از جمله ویژگی های این باتری ها سرعت شارژ و دشارژ بالا، از جمله پایداری چرخه پایین است. [۵۳].

همچنین مطالعاتی در مورد باتری‌های یون سدیم انجام شده است که جایگزین‌های ارزان‌تر و کمتر مستعد خطرات منابع و تامین هستند. [۵۵]. باتری های یون سدیم راه حلی امیدوارکننده، نسبتا ارزان و سازگار با محیط زیست از نظر ذخیره انرژی برای توسعه پایدار هستند. [۵۶]. با این حال، این باتری ها در مقایسه با مواد الکترود موجود، راندمان پایینی دارند، بنابراین مواد مبتنی بر کربن، فلزات و آلیاژهای اکسید همچنان در جستجو هستند. [۵۷].

نوع دیگری از باتری ها باتری های سدیم سولفور هستند که یکی از موثرترین سیستم های ذخیره انرژی به حساب می آیند [۵۸]. این نوع باتری به عنوان جایگزینی موثر برای باتری های لیتیوم یونی در نظر گرفته می شود، عمدتاً به این دلیل که ظرفیت بیشتری دارد، دوستدار محیط زیست است و با هزینه های تولید کمتر مشخص می شود. [۵۹]. در حال حاضر، باتری سدیم-گوگرد به عنوان یکی از قوی ترین راه حل ها برای تثبیت شبکه تلقی می شود که از کارایی و قابلیت استفاده فناوری های انرژی تجدیدپذیر پشتیبانی می کند. علاوه بر این، از نقطه نظر عملی، مدت زمان تخلیه طولانی و عمر مفید آن تا ۱۵ سال مشخص می شود. [۶۰].

اگرچه باتری‌های لیتیوم یونی هنوز هم مطلوب‌ترین باتری‌ها محسوب می‌شوند، و عملکرد رضایت‌بخش و قیمت پایین آنها در بسیاری از موارد به این معنی است که تقاضا برای این فناوری‌ها دائماً افزایش می‌یابد و تا سال ۲۰۳۰ به ۲ تا ۳٫۵ تراوات ساعت خواهد رسید. [۶۱]بنابراین یک باتری سدیم گوگرد سودمند و امیدوار کننده به نظر می رسد. بنابراین، می توان گفت که باتری های لیتیوم یون همچنان محبوب خواهند بود، اما توسعه فناوری و تحقیقات در این زمینه ممکن است منجر به جایگزینی آنها در بسیاری از موارد با انواع باتری های سازگار با محیط زیست و کارآمدتر شود.

همچنین سلول های سوختی هیدروژنی وجود دارند که از نظر چگالی ذخیره انرژی نسبت به باتری های لیتیوم یون عملکرد بهتری دارند و بنابراین برد بیشتری دارند. علاوه بر این، آنها سبک تر، فشرده تر و دارای پتانسیل مطلوبی برای کاهش انتشار هستند. از این رو، این ویژگی ها ممکن است نشان دهند که از نظر محیطی مطلوب تر هستند [۶۲]. با این حال، متأسفانه، آنها با هزینه های تولید بالا، چگالی انرژی هیدروژن پایین، ایمنی محدود و دسترسی محدود به زیرساخت های سوخت گیری، از جمله پیچیدگی ذخیره سازی و حمل و نقل هیدروژن مشخص می شوند. با این حال، توسعه فناوری و فعالیت های سیاسی نشان می دهد که در آینده ممکن است از نقطه نظر توسعه پایدار حمل و نقل اهمیت پیدا کنند. [۶۳].

یک واحد عملکردی توصیف کمی از عملکرد یک محصول است و مبنایی برای انجام محاسبات مربوط به بارهای محیطی است. استفاده از یک واحد عملکردی اندازه گیری کمی بارهای محیطی و مقایسه نتایج را تضمین می کند [۶۴]. واحد عملکردی را می توان آزادانه با محصول سازگار کرد. برای مثال بر اساس مطالعات دیگر [۳۵,۵۰]، فرض بر این بود که واحد عملکردی برای باتری های مورد تجزیه و تحلیل ۱ کیلوگرم ماده در هر ۱۰۰۰ کیلووات ساعت انرژی ذخیره شده در این باتری ها است. [۴۹]. علاوه بر این، پیروی از نویسندگان یک مطالعه قبلی [۵۰]، فرض بر این بود که میانگین وزن باتری های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی تقریباً ۳۰۰ کیلوگرم است. تمام داده های پوشش مواد باتری های آزمایش شده با توجه به این واحد عملکردی تبدیل شدند.

مرز سیستم مجموعه‌ای از معیارها است که فرآیندهای واحد، ورودی‌ها، خروجی‌ها و بارهای محیطی مورد تجزیه و تحلیل را تعریف می‌کند. [۶۵]. فرآیند واحد شامل مراحل (مراحل) جداگانه چرخه حیات است [۶۴]. در موارد خاص، مرزهای سیستم در LCA ممکن است به یک منطقه جغرافیایی خاص، محدوده زمانی یا داده‌های مربوط به محصول یا فرآیند اشاره داشته باشد. [۶۶,۶۷]. تحقیقات انجام شده مرزهای سیستم را تعیین کرد، از جمله آنالیز بارهای محیطی در فاز اول LCA، یعنی استخراج و اکتساب مواد برای باتری خودروهای سواری، یعنی لیتیوم یون، فسفات آهن لیتیوم و سه جزء اکسید نیکل – کبالت – منگنز، همانطور که در ارائه شده است شکل ۱.

دامنه این تحقیق به تجزیه و تحلیل بارهای زیست محیطی در رابطه با ردپای اکولوژیکی که یکی از بارهای کلیدی زیست محیطی است کاهش یافت. [۶۹]. ردپای اکولوژیکی برای اندازه گیری سطح منابع طبیعی مصرف شده و ضایعات تولید شده، از جمله، در نتیجه فعالیت های انسانی استفاده می شود. [۲۶]. این شاخص اصلی برای ارزیابی تأثیر انسان بر اکوسیستم و زیست کره است [۶۹]; بنابراین، کاهش آن یک چالش اصلی، از جمله بهبود کیفیت آب و هوا است [۷۰]. بررسی ادبیات ارائه شده در [۷۱] تایید می کند که این یک مشکل مهم است و تغییرات آب و هوایی رایج ترین حوزه در مطالعات انجام شده تاکنون بوده است که اثرات زیست محیطی باتری ها برای وسایل نقلیه الکتریکی را پوشش می دهد. تجزیه و تحلیل ردپای اکولوژیکی شامل دی اکسید کربن (CO₂) گازهای گلخانه ای، اشغال زمین (که به عنوان توسعه و نوسازی زمین در نظر گرفته می شود)، و مصرف انرژی هسته ای [۲۶]. با توجه به اینکه مقوله ها تعداد زیادی از بارهای زیست محیطی را پوشش می دادند، دامنه این تحقیق به بارهای اصلی در هر دسته ردپای اکولوژیکی محدود شد. بارهای اصلی آنهایی در نظر گرفته شدند که بیشترین انتشار (تاثیر زیست محیطی) را در بین تمام موارد تأیید شده داشتند. به عنوان بخشی از تجزیه و تحلیل، یک واحد تبدیل برای معیارهای ردپای اکولوژیکی انتخاب شد که یک متر مربع تاثیر در هر سال یک ضربه معین (متر^۲آ).

۳٫ نتایج و بحث

تجزیه و تحلیل ردپای اکولوژیکی در فاز LCA با توجه به استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم یون، لیتیوم آهن فسفات و لیتیوم نیکل کبالت منگنز با استفاده از برنامه OpenLCA 2.0.0 با پایگاه داده Ecoinvent 3.10 انجام شد. تجزیه و تحلیل در چهار مرحله اصلی انجام شد: (۱) تجزیه و تحلیل بارهای زیست محیطی در مورد انتشار دی اکسید کربن، (۲) تجزیه و تحلیل بارهای زیست محیطی در مورد اشغال زمین (توسعه و نوسازی)، (iii) تجزیه و تحلیل بارهای زیست محیطی در مورد انرژی هسته ای، و (IV) تجزیه و تحلیل ردپای اکولوژیکی و پیشنهادات برای اقدامات بهبود.

۳٫۱٫ تجزیه و تحلیل بارهای زیست محیطی با توجه به انتشار دی اکسید کربن

بار اصلی زیست محیطی در رابطه با CO₂ انتشارات تولید شده در مراحل استخراج و پردازش مواد انتخاب شده برای آزمایش باتری لیتیوم یون مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج بارهای محیطی در ارائه شده است جدول ۴.

بالاترین CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای در طول استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم یونی در طول تولید برق و زغال سنگ سخت ایجاد می شود. [۷۲] (۱۷۷۰۱٫۰۹ متر^۲آ). متعاقباً بیشترین مقدار CO₂ انتشار در مورد تولید آهک زنده مشاهده شد (قطعه، فله) [۷۳] (۱۱۶۴۱٫۱۰ متر^۲آ). مقادیر بسیار کمتر CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای در طول فرآیند تولید گرما در یک کوره زغال سنگ سخت صنعتی تولید می شود [۷۴] یا بهره برداری از یک معدن زغال سنگ سخت [۷۵] (میانگین ۱۶۲۷٫۶۲ متر^۲آ). تولید همزمان گرما و انرژی با استفاده از گاز طبیعی در یک نیروگاه معمولی از این نظر نسبتاً مشابه تولید برق با گاز طبیعی در یک نیروگاه معمولی است (میانگین ۸۱۰٫۸۳ متر).^۲آ).

در مورد باتری لیتیوم آهن فسفات، بالاترین CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای از مرحله استخراج و فرآوری در طول تولید آهک زنده ایجاد می شود [۷۳] (۷۷۵۹٫۲۸ متر^۲آ). مقدار بسیار کمتری از CO₂ در طول تولید گرما در یک کوره صنعتی با سوخت زغال سنگ منتشر می شود [۷۶] یا در طول تولید همزمان گرما و انرژی از طریق گاز طبیعی در یک نیروگاه معمولی (متوسط ۲۵۴۱٫۳۱ متر)^۲آ). انتشار کمتر به تولید آهن خام (۷۶۲٫۹۶ متر) اشاره دارد^۲الف) گاز شیرین سوخته در توربین گاز، تولید گرما (گاز طبیعی در کوره صنعتی)، بهره برداری از معدن زغال سنگ سخت. [۷۵]و تولید برق از طریق تف جوشی (میانگین ۲۶/۵۳۸ متر^۲آ).

تجزیه و تحلیل مواد باتری NCM، بالاترین CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای در طول تولید برق با زغال سنگ سخت رخ می دهد [۷۶] (برق فشار قوی) (۴۱۱۱٫۲۰ متر^۲آ). انتشار نسبتاً کمی کمتر در طول تولید همزمان گرما و برق با استفاده از گاز طبیعی (معمولی) (۳۴۹۱٫۴۸ متر) تولید می شود.^۲آ). نتایج بعدی به تولید برق با زغال سنگ اشاره دارد [۷۵]، تولید گرما در کوره زغال سنگ سخت صنعتی [۷۴] با ظرفیت ۱-۱۰ مگاوات و تولید آهک زنده به صورت تکه ای [۷۳] (میانگین ۲۱۵۵٫۱۸ متر^۲آ). CO پایین تر_۲ انتشار گازهای گلخانه ای در مورد تولید آهک زنده به صورت فله، تولید کلرید لیتیوم، تولید برق از طریق زغال سنگ قهوه ای، گاز شیرین سوزانده شده در توربین گاز برای تولید گرما، یا گاز طبیعی در یک کوره صنعتی بیش از ۱۰۰ کیلو وات (متوسط ۸۱۹٫۳۰ متر) مشاهده شد.^۲آ).

مقدار کل CO₂ انتشارات تولید شده در مراحل استخراج و پردازش مواد باتری انتخاب شده و همچنین مقدار CO₂ انتشارات ناشی از دو بار بزرگ زیست محیطی، سپس مقایسه شدند. نتایج در نشان داده شده است شکل ۲.

هنگام مقایسه کل بار زیست محیطی CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای در مراحل استخراج و پردازش مواد برای باتری های مورد تجزیه و تحلیل، مشاهده شد که بیشترین تاثیر منفی زیست محیطی مربوط به باتری لیتیوم یونی بوده است. این با تقریباً ۴۹٪ CO بالاتر مشخص شد_۲ انتشار گازهای گلخانه ای در مقایسه با باتری NCM و تقریباً ۵۴٪ CO بالاتر_۲ انتشار گازهای گلخانه ای در مقایسه با LiFePO₄ باتری به اندازه کافی نشان داده شده است که CO کمتر_۲ انتشار در طول مراحل استخراج و پردازش مواد در چرخه زندگی LiFePO رخ می دهد_۴ باتری ها، که تقریباً ۲۰٪ کمتر از باتری های NCM هستند.

با تجزیه و تحلیل دو بار اصلی محیطی که در مرحله استخراج و پردازش مواد برای انواع مختلف باتری رخ می دهد، نشان داده شد که بیشترین مقدار CO₂ انتشار گازهای گلخانه ای با تولید زغال سنگ سخت مرتبط بود، همانطور که در نیز تایید شده است [۷۷,۷۸]. بعدی انتشار گازهای گلخانه‌ای در طول تولید آهک زنده (به صورت تکه‌ای، به صورت فله) بود – در مورد باتری‌های لیتیوم یون و NCM که توسط تحقیقات قبلی نیز تأیید شده بود. [۳۳,۷۹]- و همچنین تولید همزمان گرما و برق از طریق گاز طبیعی معمولی در مورد LiFePO₄ باتری ها [۸۰]. با در نظر گرفتن بارهای اصلی برای باتری های آزمایش شده در رابطه با تمام بارهای محیطی شناسایی شده برای آنها، مشاهده شد که برای باتری های لیتیوم یونی، آنها تقریباً ۸۳٪ از کل انتشار را برای LiFePO ایجاد می کنند._۴ باتری ها، تقریباً ۶۵ درصد از کل آلاینده ها، و برای باتری های NCM، حدود ۴۲ درصد از کل انتشار.

۳٫۲٫ تحلیل بارهای زیست محیطی در خصوص تصرف زمین (توسعه و نوسازی)

به عنوان بخشی از ردپای اکولوژیکی، معیار دیگری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت: اشغال زمین (به عنوان توسعه و نوسازی منطقه در نظر گرفته می شود). تجزیه و تحلیل شامل مواد باتری انتخاب شده برای آزمایش در مراحل استخراج و پردازش چرخه زندگی آنها بود. نتایج در ارائه شده است جدول ۵.

بارهای زیست محیطی قابل توجهی در مراحل استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم یون مشاهده شده است که در طول ساخت جاده ها (۲۳۳٫۸۶ متر) ایجاد می شود.^۲الف) همانطور که قبلاً تأیید شد [۸۱]، بهره برداری از یک معدن زغال سنگ سخت (۲۰۶٫۲۴ متر^۲الف) و غنی سازی سنگ های فسفاته [۸۲] (۱۱۳٫۹۸ متر^۲آ). پس از آن، مقدار نسبتاً مشابهی از بارهای محیطی مربوط به پردازش آب نمک لیتیوم، ساخت خطوط راه آهن، غنی سازی سنگ های فسفاته (خشک) یافت شد. [۸۳]و تصفیه بقایای سولفید در خارج از محل (به طور متوسط ۳۳٫۵۰ متر^۲آ). کمترین میزان انتشار مربوط به تولید بارهای خاص فرآیند، تولید دسته های میوه خرما و ساخت محل دفن زباله (متوسط ۱۲٫۷۹ متر) است.^۲آ).

در مورد باتری های لیتیوم آهن فسفات، بار زیست محیطی اشغال زمین / نوسازی در استخراج و فرآوری مواد عمدتاً از تولید اسید فسفریک است. [۸۴]، تصفیه ضایعات غیر سولفیدی و جنگلداری مخروطیان (کاج) (متوسط ۸۹/۳۱۵ متر)^۲الف)، به دنبال آن تصفیه زباله های غیر سولفیدی، جنگلداری پهن برگ (توس) و جاده سازی [۸۵]و همچنین جنگلداری پهن برگ (راش) (متوسط ۱۳۰٫۶۵ متر).^۲آ). بارهای زیست محیطی کمتر شامل فرآیندهای مربوط به توسعه زمین برای جنگل های مخروطی (گونه های مختلط، جنگل های شمالی)، غنی سازی سنگ های فسفاته است. [۸۳]، استخراج زغال سنگ و فرآوری زغال سنگ سخت، پردازش سربار غیر سولفیدی، فرآیندهای آب نمک لیتیومی، و ساخت خطوط راه آهن (متوسط ۶۷٫۵۸ متر)^۲آ).

با این حال، برای باتری NCM، در مرحله استخراج و فرآوری مواد، بارهای محیطی ناشی از اشغال/مدرن‌سازی منطقه مربوط به جنگل‌های مخروطی، صنوبر، کاج و توس است (۹۱/۱۹۶ متر).^۲الف) جنگل های برگریز (راش) و بهره برداری از معدن زغال سنگ سخت و تولید زغال سنگ (متوسط ۹۹٫۹۰ متر).^۲آ). بارهای زیست محیطی جزئی شامل جنگل های مخروطی (گونه های مختلط، جنگل های شمالی)، فرآوری آب نمک لیتیوم، ساخت محل دفن زباله، جنگلداری مخروطیان (گونه های مختلط)، بارهای خاص فرآیند، مواد باقیمانده و ساخت خطوط راه آهن (متوسط ۳۲٫۵۹ متر) است.^۲آ) [۸۶].

مقدار کل بار زیست محیطی مربوط به اشغال زمین (از جمله نوسازی آن) تولید شده در مراحل استخراج و پردازش مواد باتری انتخابی مقایسه شد. مقدار کل بار محیطی و مقدار بار ناشی از سه بار بزرگ محیطی تعیین شد (شکل ۳).

بیشترین بار کل زیست محیطی، از جمله اشغال (توسعه و نوسازی) منطقه، در استخراج و فرآوری LiFePO ایجاد شد._۴ مواد باتری (۱۸۷۵٫۷۳ متر^۲آ). در مقایسه با سایر باتری ها، این رقم ۶۸ درصد بیشتر از باتری های NCM و ۴۱ درصد بیشتر از باتری های لیتیوم یونی بود.

بارهای اصلی محیطی برای اشغال/توسعه (از جمله نوسازی) زمین برای هر باتری، ساخت و ساز جاده بود. [۸۶]، عملیات استخراج زغال سنگ سخت، استخراج سنگ فسفات (تر) [۸۷]، تولید اسید فسفریک [۸۸]، جنگلداری از چوب نرم (صنوبر، کاج) و جنگلداری با چوب سخت (توس). بارهای اصلی مشابه برای LiFePO رخ داده است_۴ و باتری‌های NCM و جنگل‌های چوب نرم – کاج و صنوبر. مقادیر نسبی آنها نیز مشابه بود. یعنی برای LiFePO₄اینها تقریباً ۵۰٪ از کل بار را تشکیل می دادند، در حالی که برای NCM، آنها تقریباً ۵۳٪ از کل بار را تشکیل می دادند. با این حال، برای لیتیوم، بارهای اصلی تا ۷۶٪ از کل بار را تشکیل می دهند. بنابراین، بارهای اصلی برای باتری‌های لیتیوم یونی نسبت به انواع دیگر، بار قابل‌توجهی تولید می‌کنند.

۳٫۳٫ تجزیه و تحلیل بارهای زیست محیطی برای انرژی هسته ای

انتشارات مربوط به مصرف انرژی هسته ای در مراحل استخراج و پردازش یون لیتیوم، LiFePO مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت._۴و مواد باتری NCM. نتایج در ارائه شده است جدول ۶.

بارهای زیست محیطی مربوط به انرژی هسته ای برای باتری های آنالیز شده از نوع مشابهی هستند. برای هر باتری، آنها شامل بهره برداری از یک معدن اورانیوم زیرزمینی می شوند [۸۹]و برای باتری‌های لیتیوم یون و فسفات آهن لیتیوم نیز شامل بهره‌برداری از یک معدن روباز اورانیوم می‌شود، همانطور که در نیز تایید شده است. [۹۰]. به نوبه خود، باتری های لیتیوم آهن فسفات نیز با بارهای ناشی از تولید اورانیوم در کیک و شستشو در محل مشخص می شوند. با در نظر گرفتن انرژی هسته ای، این بار در مورد باتری های لیتیوم یونی بزرگترین است [۹۱] (۶۸۰۴٫۵۰ متر^۲الف)، ۳۴٪ برای باتری های NCM (4501.71 متر^۲a)، و ۶۴٪ برای LiFePO₄ باتری (۲۴۴۴٫۳۳ متر^۲آ). با توجه به انرژی هسته ای حاصل از بهره برداری از معادن اورانیوم به صورت روباز [۹۲]، مقادیر بسیار بیشتری از انتشار در مراحل استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم یون نسبت به باتری های لیتیوم آهن فسفات (۶۴٪ کمتر) ایجاد می شود. هنگام مقایسه تولید اورانیوم در کیک (آبشویی سایت)، ۴۰ درصد تفاوت در انتشار انرژی هسته ای بین LiFePO مشاهده شد._۴ باتری و باتری NCM.

پس از آن، مجموع انتشارات هسته ای در طول مراحل استخراج و پردازش مواد باتری مقایسه شد. مقایسه در نشان داده شده است شکل ۴.

بیشترین میزان انتشار گازهای گلخانه ای از انرژی هسته ای در طول استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم یون (۹۰۱۹٫۹۱ متر) مشاهده شد.^۲آ). مقدار کمتر و نسبتاً قابل مقایسه ای از این نوع انتشار در مورد باتری های لیتیوم آهن فسفات (۵۰۴۹٫۴۴ متر) رخ می دهد.^۲الف) و باتری های لیتیوم نیکل کبالت منگنز (۶۰۶۱٫۲۹ متر^۲آ). برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با انرژی هسته‌ای، لازم است فعالیت‌های بهبودی در طول فرآیند بهره‌برداری از معادن زیرزمینی اورانیوم انجام شود، زیرا این معادن بیشترین انتشار را ایجاد می‌کنند. [۹۳].

۳٫۴٫ تجزیه و تحلیل ردپای اکولوژیکی و پیشنهادات برای اقدامات بهبود

نتایج به‌دست‌آمده از تجزیه و تحلیل دقیق بارهای محیطی بر حسب کل ردپای اکولوژیکی ایجاد شده در طول استخراج و پردازش مواد باتری خلاصه شد. نتایج خلاصه بارهای محیطی در ارائه شده است جدول ۷.

از نظر کل بار زیست محیطی از جمله معیارهای ردپای اکولوژیکی، بیشترین میزان انتشار در طول استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم یون سنتی ایجاد می شود. تقریبا نیمی از انتشارات ناشی از ردپای زیست محیطی در طول استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم نیکل کبالت منگنز تولید می شود. [۴]. در مورد باتری های فسفات آهن لیتیوم نیز وضعیت نسبتا مشابه است [۱۷].

دی اکسید کربن (CO₂) انتشار بیشترین بار زیست محیطی را در طول استخراج و پردازش مواد باتری لیتیوم یونی تحت بررسی ایجاد می کند. بعد، انرژی هسته ای است، سپس اشغال زمین (شامل توسعه و نوسازی). با جمع بندی تجزیه و تحلیل ها، مشخص شد که بیشترین مقدار CO₂ انتشارات مربوط به فرآیندهای زیر است:

تولید برق از زغال سنگ سخت [۷۷,۷۸];
تولید آهک زنده (تکه ای، فله ای) [۳۳,۷۹];
تولید همزمان گرما و برق، گاز طبیعی، گاز معمولی [۸۰].

در مورد تصرف / توسعه / نوسازی زمین، بزرگترین بار زیست محیطی شامل موارد زیر است:

عملیات معدن زغال سنگ سخت؛
غنی سازی سنگ فسفات (تر) [۸۷];
تولید اسید فسفریک [۸۸];
جنگلداری از چوب نرم (صنوبر، کاج) و جنگلداری چوب سخت (توس).

به نوبه خود، در مورد انتشار انرژی هسته ای، بیشترین بار زیست محیطی در درجه اول به فرآیند بهره برداری از معادن زیرزمینی اورانیوم مربوط می شود. [۹۳].

به منظور کاهش ردپای اکولوژیکی در مراحل استخراج و فرآوری مواد برای باتری‌های لیتیوم یون، لیتیوم آهن فسفات و لیتیوم نیکل کبالت منگنز، لازم است اقداماتی برای بهبود انجام شود. این فعالیت ها ابتدا باید بار اصلی زیست محیطی را پوشش دهند. نمونه‌هایی از تحقیقات با پیشنهادهایی برای اقدامات برای بهبود به منظور کاهش ردپای اکولوژیکی باتری‌ها در جدول ۸.

نتایج تجزیه و تحلیل مقایسه ای باتری های لیتیوم یونی و فعالیت هایی که متعاقباً برای بهبود پیشنهاد شده اند ممکن است مبنای اقدامات شرکت های تولید کننده برای بهینه سازی استخراج و پردازش مواد در چرخه عمر باتری های آزمایش شده باشد.

نتایج تجزیه و تحلیل بر استخراج و فرآوری مواد متمرکز است، اما باید در نظر داشت که تولید و استفاده از باتری‌های لیتیومی ممکن است باعث آلودگی محیطی شود. برای بهبود حفاظت از محیط زیست، قبل از هر چیز، خوب است که بازده بازیافت باتری را از نقطه استفاده تجاری افزایش دهیم. [۹۴]، که در آن بازیافت مواد باتری، به عنوان مثال، از طریق بازسازی، یکی از ارزان ترین و تمیزترین رویکردها است. [۹۵]. باتری های لیتیوم یونی حاوی فلزات زیادی هستند که بازیافت و دفع آنها نه تنها به کاهش آلودگی محیط زیست کمک می کند، بلکه به طور موثری به کاهش از دست دادن منابع و افزایش مزایای اجتماعی و اقتصادی فلزات، بازیافت و دفع آنها کمک می کند. [۹۶]. برای مثال، افزایش حفاظت در برابر شارژ بیش از حد در مورد باتری‌های با ظرفیت و توان بالا نیز مهم است. [۹۷]برای رایج کردن تکنیک های پیش گرمایش، عمدتاً در رابطه با شارژ در دمای پایین که باعث رسوب لیتیوم می شود، که پس از ورود به جداکننده حتی ممکن است باعث انفجار شود. [۹۸]، و برای ایجاد پایداری حرارتی بهبود یافته و رطوبت کم [۹۹,۱۰۰,۱۰۱,۱۰۲].

برای جلوگیری از آسیب های بعدی به جامعه توسط باتری های لیتیومی، لازم است فرآیندی سنجیده برای به دست آوردن و استخراج مواد به کار رفته در آنها، عمدتاً لیتیوم که به مقدار قابل توجهی در حال اتمام است، معرفی شود. همچنین توسعه یک فرآیند تولید موثر که به نفع استفاده از این باتری ها باشد، به عنوان مثال، کاهش خطر انفجار و تشکیل گازها و دودهای خطرناک بسیار مهم است. یکی دیگر از جنبه های مهم استفاده از یک فرآیند بازیافت موثر برای باتری هایی است که وقتی در مقادیر بیش از حد تولید می شوند، خطر ایجاد می کنند.

۴٫ نتیجه گیری

کاهش تاثیر منفی باتری خودروهای الکتریکی همچنان یک چالش است. به عنوان بخشی از توسعه پایدار آنها، یافتن منابع بار اصلی زیست محیطی در فازهای فردی چرخه عمر این باتری ها مهم است. بنابراین، هدف از این تحقیق انجام یک تحلیل مقایسه ای عمیق باتری های خودروهای الکتریکی بود. موضوع تحقیق باتری های محبوب، یعنی لیتیوم یون، لیتیوم فسفات آهن و لیتیوم نیکل کبالت منگنز بودند. آنها از نظر بارهای زیست محیطی، از جمله معیارهای ردپای اکولوژیکی، به عنوان مثال، دی اکسید کربن (CO) تجزیه و تحلیل شدند._۲) انتشارات، استفاده از زمین و انتشار انرژی هسته ای. تجزیه و تحلیل ها بر اساس داده های مدل GREET و داده های پایگاه داده Ecoinvent در برنامه OpenLCA بود. در طول تجزیه و تحلیل، بارهای زیست محیطی اصلی شناسایی شدند، یعنی زغال سنگ سخت، تولید آهک زنده، تولید همزمان گرما و برق (گاز طبیعی، معمولی)، ساخت جاده، عملیات معدن زغال سنگ سخت، استخراج سنگ فسفات (تر)، تولید اسید فسفریک. ، جنگلداری چوب نرم (صنوبر، کاج)، جنگلداری چوب سخت (توس) و بهره برداری از معادن زیرزمینی اورانیوم. در نتیجه، نشان داده شد که در محدوده اتخاذ شده این تحقیق، سودمندترین باتری، فسفات آهن لیتیوم بود. مشخصه این باتری کمترین میزان بار زیست محیطی ناشی از ردپای اکولوژیکی در مراحل استخراج و پردازش مواد به کار رفته در آن بود. با این حال، کمترین مزیت باتری لیتیوم یونی بود. علاوه بر این، برای به حداقل رساندن بار اصلی محیطی، فعالیت‌هایی برای بهبود پیشنهاد شده‌اند که از بررسی ترکیبی ادبیات حاصل می‌شود.

یکی از محدودیت های تحقیق انجام شده تمرکز آن بر مراحل اولیه چرخه حیات، یعنی استخراج و فرآوری مواد است. علاوه بر این، اگر مطالعه جنبه های خاصی را در نظر گرفته بود، به عنوان مثال، محل استخراج مواد، ممکن است نتایج تحقیق متفاوت باشد. در محدوده اتخاذ شده این تحقیق، نتایج یک دیدگاه اساسی از فعالیت ها و فرآیندهای اساسی در استخراج و پردازش مواد لیتیوم یون و انواع آنها را تشکیل می دهد.

بنابراین، تحقیقات آینده با هدف گسترش این تحقیق به مراحل بعدی چرخه عمر باتری‌های انتخابی، از جمله انواع دیگر، انجام خواهد شد. همچنین برنامه ریزی شده است که تجزیه و تحلیل را گسترش دهد تا جنبه های اقتصادی، از جمله جنبه های کیفی، که شامل رضایت مشتریان و سایر طرف های ذینفع از استفاده از باتری ها و همچنین وسایل نقلیه ای است که از آنها تغذیه می شود، گسترش دهد.

نتایج به‌دست‌آمده از تجزیه و تحلیل می‌تواند مبنایی برای انجام اقداماتی با هدف کاهش اثرات منفی زیست‌محیطی ناشی از مراحل استخراج و پردازش مواد باتری برای وسایل نقلیه الکتریکی باشد. در عین حال، آنها می توانند توسط شرکت های تولیدی و همچنین شرکت هایی که با استخراج و فرآوری مواد سروکار دارند به عنوان بخشی از تلاش های آنها برای دستیابی به توسعه پایدار مورد استفاده قرار گیرند.

منبع:
۱- shahrsaz.ir , پایداری | متن کامل رایگان | تجزیه و تحلیل ردپای اکولوژیکی از استخراج و پردازش مواد در فاز LCA باتری‌های لیتیوم یونی
,۲۰۲۴-۰۶-۱۲ ۰۳:۳۰:۰۰
۲- https://www.mdpi.com/2071-1050/16/12/5005