电池系统的环境和人类健康的影响评估

休•莫罗

国际镉协会杰弗瑞路9222号邮政信箱924大瀑布,美国弗吉尼亚州22066 - 0924

文摘

全生命周期分析可能是利用建立的相对环境和人类健康的影响电池系统整个生命周期,从原材料的生产到最终处置了电池。三个最重要的因素决定的总生命周期影响似乎电池组成,电池性能,和花的程度后电池回收有用的一生。这个评估检查充电和非可充电电池,包括铅酸、镍镉、镍氢、锂离子、碳和碱性锌锰电池。

电池金属,如铅、镉、汞、镍、钴、铬、钒,锂,锰和锌,以及酸性或碱性电解质,可能不利人类健康和环境的影响。这些材料的具体形式以及相对量现在将建立特定的电池系统的风险。然而,这种电池的收集和回收后使用寿命可能很大程度上减轻任何这样的负面影响。垃圾填埋或焚烧处理选项并不是理想的回收,但与这些选项相关的风险并不高得令人无法接受,要求任何现有电池技术的阶段出局。

电池性能特征,同样,在建立十分重要的潜在危险废物产生单位电池产生的能量。

可充电电池系统显然在这方面有着很大的优势,因为他们可能会多次充电和重用。然而,其他因素,如电池电压安时,评级,循环寿命、充电效率和自放电特性也可能是重要的建立危险废物产生单位的总数量的电池能量,因此电池的总环境影响单位能量。

安全问题也成为近年来更重要更积极开发了化学电池。特别是,腐蚀电解质的存在和高度可燃性的或爆炸性的电池材料在一定条件下已成为电池行业必须解决的问题。目前,看起来好像提高了电池的回收利用率将产生最大幅降低电池系统的环境和人类健康的影响。

介绍

全生命周期分析(LCA)正越来越多地利用建立的相对人类健康和环境的影响许多产品和过程。在这些分析中,总影响,从生产原材料的产品,通过其生产、使用和最终处置,然后通常与其他同类产品相比。环保人士和监管机构已经运用这些原则,支持一个产品在市场上的位移与一个所谓的“更环保”的产品。通常,然而,人们已经发现,一个产品可能表现出高- LCA的影响一个领域,而另一个产品在另一个领域可能不足。情况似乎是这样当各种电池化学反应进行了比较。

全生命周期分析的组件通常同意由以下四个基本步骤:

即定义范围和目标

二世。原材料和能源库存

三世。环境和人类健康的影响评估

四、改进评估

范围和目标定义(一步)是必要的,大部分生命周期分析可能宽或窄如意。例如,可以定义一个产品生命周期分析如此广泛,包括采矿设备的生产用于矿山的矿石生产的金属进入电池的生产。一般来说,然而,这些影响成为规范化在很多其他产品成为次要的影响结果的具体分析,例如,一个可充电镍镉电池。的主要区域,但是,应该包括,与直接相关的能源和排放的生产原料使用的电池。因此,它的范围是很重要的一个特定的生命周期分析仔细定义并对比产品的基础上进行相同的范围。

在电池的情况下,下面的阶段被认为是主要的贡献者环境和人类健康的影响,并将被包括在一个生命周期分析:

•电池原材料生产

•电池生产过程

•电池分布和运输要求

•电池使用

•电池充电和维护(可充电电池)

•电池回收或废物管理选项

一旦建立了这些阶段和范围定义的生命周期分析的相当好,然后一个完整的原材料和能源库存分析(步骤二)必须在每一个阶段来确定执行整体材料和能量平衡。如图1所示,能源和材料的输入左边每个阶段的制造、使用和处置电池平衡可用产品的输出和环境释放的右边。生产环境和人类健康的影响,从所有这些环境释放阶段应该最小化。

电池系统在执行生命周期分析,很快变得明显,库存分析某些阶段相比是微不足道的。例如,与分配相关的排放和交通运输的电池和电器他们权力分散到很多数以十亿美元计的单位

输入

能源

原材料

图1所示。原材料和能源电池系统的库存分析

输出

水的排放

空气排放

固体废物

回收的材料

有用的产品

图1所示。原材料和能源库存分析电池系统无关紧要的LCA一个电池。此外,内置电池正常使用期间没有排放,排放相关的充电电池很大程度上取决于发电基础设施在一个特定的国家。依赖于雷竞技手机版app高硫煤的国家,其影响可能是重要的,但在国家水力发电,核能,太阳能发电或其他清洁能源源,与充电电池相关的排放几乎是不存在的。在任何情况下,这些排放,即使在脏的情况下ios版雷竞技官网入口 ,似乎也在许多应用程序中,对单个电池影响甚微的生命周期分析。每一个阶段将在下面更详细地考虑,但似乎好像电池原材料生产、电池制造、电池性能在使用过程中,电池回收或处置的废物是最重要的阶段比较电池系统的生命周期分析。相关的碳排放和能源消耗在这些阶段将建立每个电池系统产生的环境负荷,进而可能转化为人类健康和环境影响分析,假设每个材料的某些影响值排放和能源消耗。

进一步因子特定生命周期分析评价电池系统是人类健康和环境的影响,他们必须规范化总寿命电池的能量输出。换句话说,影响表达的每千瓦时的能量生成的影响。这个需求是必要的,因为电池系统所有在一生的总能量输出大大不同。充电电池通常有更高的总寿命比一次性电池能量输出,因此他们的环境和人类健康的影响较低。换句话说,它需要更多的一次性电池充电电池中产生相同的总能量。因为电池的总生命能量系统是很重要的,它的生命周期分析,参数如工作电压、额定安培小时,循环寿命、充电效率和自放电特性可能成为重要因素建立电池系统的整体生命周期分析。

电池原材料生产

显然,第一个和库存分析阶段的最重要的因素是电池系统的总体构成。从技术上讲,生命周期分析只能专门上执行一个特定的电池组成,经常是各种成分的电池,名义上属于同一家族。此外,严格的生命周期分析应该考虑每个材料的电池,无论多么微小环境影响可能似乎。大多数生命周期的趋势分析电池系统到目前为止一直专注于“有害物质”或“重金属”包含在那些可能出现的电池而忽视贡献大量的不那么高调的物质。例如,生命周期分析铅酸电池通常专注于他们的含铅量和忽略了硫酸电解液。大多数的分析镍镉电池住在LCA的贡献同时最小化镉镍和钴的贡献。在一个严格的分析,必须考虑每一个材料的贡献。一些确实会发现是无关紧要的,很少或根本没有影响最后的总影响,但其他人可能有令人惊奇的是大影响。

另一个因素尚未正确地评估和考虑电池寿命周期分析材料的形式在batteiy系统本身。当评估电池材料对环境和人类健康的影响,大多数分析认为,例如在镍镉电池为镍,一个单一的环境影响价值和它的所有化合物或一个环境影响值镉和所有的化合物。因为这些单个值通常来自测试高度可溶的物种,他们几乎总是夸大了环境和人类健康影响材料实际使用的电池。例如,在镍镉电池,相对不溶性氧化镉化合物通常用于电池而环境和人类健康的影响值是基于高度可溶的氯化镉。因此,电池寿命周期分析通常是最坏的情况只要人类健康和环境的影响。然而,重要的是要认识到基础环境和人类健康的影响值。锌的情况,例如,代理化合物用来推导影响值是氧化锌是一种合理的选择。对于一些其他金属,如镍和镉上面所提到的,价值是基于高度的影响可溶性物种替代化合物非常夸大的相对风险。这个问题尚未得到解决电池系统的生命周期分析,和很难状态时多少会影响他们解决。

这些问题暂且不提,可以检查电池一般家庭和做一些分析这些家庭基于广义或平均成分,不过,认识到个人batteiy家族内部的变化可能是相当大的。几个这样的广义电池组成的家庭是显示在表i这些化学相差很大,下面如图所示的三组数据(1998年1999年藤本,明天和盖恩斯1994)。大电池化学变化的主要原因之一是如此难以得出广义的结论相对环境和人类健康的影响一个家庭的电池相比,另一个家庭。

表即各种电池的名义组成的家庭

电池系统

名义组成,重量百分比

碱锰*

铅酸* *镍金属氢化物镍镉镍金属氢化物(ABS) * * (AB2)

30 65 pb - 25 h2s04 30 fe - ni - 15 cd 45 ni - 10毫克/ Al -公元9 - 4公司39 ni - 6 v - 6 zr - 3 2.5 cr - 3 ti -有限公司

* *镍镉镍氢锂离子* * * *

17.5 32.5 fe - ni - 22.5 cd - 3公司17.5 42.5 ni - fe - 7.5有限公司22.5 - 12.5稀土铁7.5 - 17.5 . - 7.5 a1 -铜- 3

铅酸* * *镍镉(PBE) * * * * * *镍镉(FNC)镍金属氢化物镍金属氢化物(AB5) * * * * * * (AB2)

69 pb - 22 h2so4 14铁31 - 26 ni - 18 cd 15 fe - ni - 22 cd 44 fe - ni - 29日5稀土- 2公司24 - 1 Mn 44 fe - ni - 7 zr - 2 cr - v - 3来发现

* * 1999(藤本

上面的数据和其他来源的数据显示一些有趣的电池成分随时间变化的趋势。例如,年长的镍镉电池,现在被收集和回收的,往往表现出低镉和钴值比镍镉电池的新一代。也有不同的镍和镉含量差异工业和消费类电池。消费者镍镉电池行业普遍认为今天收集回收包含15%的平均Cd。工业镍镉,另一方面,可能显示更广泛变异,和水平从7%到24% Cd指出在一些工业镍镉。

有趣的是,“锂离子电池实际上包含锂很少,而且应该更确切地指定一个Fe-Co-Al-Cu-Li电池。然而这些例子,应足以证明使用名义组成电池生命周期分析可能会引入大等不确定性因素分析,和任何电池的LCA的组成基础必须表示分析结果的一部分。

第一个分析必须执行显然是建立排放和能源生产过程中消耗的原材料用于电池生产。的金属用于大多数电池的电极材料、采矿、冶炼、和贱金属的精炼,及其后续转换成特定形式的材料使用的电池是必须解决的过程。直接排放的金属采矿、冶炼和精炼的电池金属如铅、镉、镍、钴、锌、锰等金属一般控制和今天都受到严格的监管。金属主要有色冶炼厂排放的减少

图2。人类接触镉的来源(Van典藏1998)(顺时针排列列出的来源:化肥42%)

图2。人类接触镉的来源(Van典藏1998)(顺时针排列从列出的来源:化肥,42%)

明显在过去的20年中,加拿大ARET(加速减少和消除毒物)计划和美国环境保护署的三(毒物释放库存)和33/50项目。此外,研究人类接触镉的来源,例如,表明只有6.3%的所有人类镉接触来自有色冶炼,主要是锌,铅,铜,只有2.5%来自镉镍镉电池等应用程序。这个数据以图形方式显示在图2中,基于研究在欧洲(Van典藏1998,范典藏和Ciarletta 1992)。因此,很明显,主要金属生产过程无显著影响的环境影响电池系统。

第二环境影响从生产有色金属电池是因为相对能量的利用产生一定数量的金属。在这种情况下,必要的能量产生公吨的数量可能与温室气体产生创造能量。然而,这可能是过于简单的视图非常依赖于大量的温室气体的类型使用化石燃料,空气污染控制设备,和能源生产燃烧的本质机制。能源消耗的主要金属生产五个常见的电池金属是总结在表二世(Schuckert 1997)。

从一个能源消耗的角度来看,金属铅和镉等低熔点的温度,需要更少的能源生产,因此较低的环境影响对温室气体的产生。金属是由电解过程或高温融化需要更高的能源投入生产,从而有更高的环境影响对温室气体。

表二。能源消耗主要金属生产

电池的金属

能源(GJ /吨)

锰镍铅锌/镉

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