碱性电池与充电电池
这是对与标准和可充电闭式电池生命周期分析 (LCA) 相关的现有文献的回顾。此类电池包括消费者熟悉的 AA、AAA、C、D 和 9V 电池类型。尽管该项目的范围不是从头开始执行 LCA，但希望可用的文献以及像您这样的读者的补充将完成本页的内容。本 wiki 的部分包括：(1) 电池技术基础知识，(2) 一次电池与二次电池之间的区别，(3) 作为代表性样本的三种不同电池类型的具体信息，(4) LCA 审查，包括各个方面的制造、分销、使用和处置。
Contents
电池基础知识
电池主要有两种类型：干电池和湿电池。干电池在消费者使用中更为常见，因此，本次生命周期回顾将重点关注干电池。传统锌碳干电池的三个主要部分是电解膏、正极和负极外罐。正极是导电碳棒。电解膏将阳极（带负电的一侧）和阴极（带正电的一侧）分开。糊剂和罐之间的化学反应产生的自由电子被收集在阳极中，但被吸引到阴极。然而，除非有外部路径，否则电池的结构会限制电子到达阴极。当建立外部电路时，这会产生电流，就像河流中的电流一样，当水因海拔电位而被允许向下流时。闭合电路形成的电势允许电子从阳极流向阴极；然后，电流可用于向电器（例如手电筒的灯泡灯丝）输送能量。阳极和阴极之间的电势差就是电池的电压。电压影响电子通过电路的流动或电流。[1]术语“电池”正确地用于指电池的集合，但在上下文清楚的情况下，电池通常可能指单个电池。电池可以串联排列以倍增端电压，或并联排列以增加可用电流。单个电池的开路电压取决于电池的类型。传统的锌碳电池和碱性干电池的标称电压为 1.5V，锂电池的电压可能约为 3 至 4V，普通铅酸电池的电压接近 2V。
小学与中学
本生命周期评估中考虑的干电池类型可进一步分为一次（一次性）和二次（可充电）类型。区别在于二次电池在初次使用后充电的能力。原电池是在充满电的情况下制造的，由于此类电池中使用的电化学反应的不可逆性质，因此可能无法再充电。二次电池并不总是在充满电的情况下制造的，并且可以由用户充电多次。虽然二次电池的可逆性质允许它们充电，但其活性化学物质的成分会随着使用而降解，导致充电循环次数有限。二次电池将接受多次充电，但由于它们的存储容量随着每次循环而减少，因此可用循环的数量受到限制。[2]
电池类型
本节介绍一些更常见的一次电池和二次电池类型。LCA 将仅涵盖这些类型。选择它们是因为它们是最常用的，并且在应用中大部分可以互换。[3]
类型 1：碱性电池
碱性电池使用碳和二氧化镁（MnO 2）作为阴极，并使用锌粉作为阳极。钢壳和黄铜条分别将阴极和阳极连接到电池的端子。一些碱性电池可能含有汞以增加导电性。使用氢氧化钾 (KOH) 碱性糊剂作为电解质。[4]
类型 2：锌碳电池
锌碳电池使用碳和二氧化镁（MnO 2）作为阴极，锌作为阳极。黄铜带将阴极连接到负极端子，而固体锌阳极直接连接到正极端子。亚氯酸锌(ZnCl 2 )用作电解质。较旧的锌碳电池的阳极可能含有少量的铅或镉。[5]
类型 3：镍镉 (NiCd)
镍镉电池使用镉阴极和氢氧化镍阳极。使用的电解质是氢氧化钾（KOH）和氢氧化锂（LiOH）的混合物。[6]
生命周期分析结果/方法
生命周期评估或分析对于平等比较两种相似产品或服务的影响非常重要。在这种情况下，一次性（一次电池）（例如碱性电池）和可充电（二次电池）（例如镍镉 (Ni-Cd)、镍氢 (Ni-MH) 或锂离子 (Li-ion)）之间的比较）是根据现有文献进行研究的。该 LCA 仅检查玩具和小型电子设备中常见的消费类电池，例如“AA”和“C”电池。电池寿命各个阶段的一些考虑因素包括：[7]
- PED（一次能源需求）：从地球提取的一次能源总量（以兆焦为单位）。
- GWP（全球变暖潜势）：特定气体的释放对全球大气变暖的贡献（以千克CO 2当量计）
- ODP（臭氧层消耗潜能）：特定气体的释放对平流层臭氧的消耗（单位为千克 R11 当量）
- AP（酸化电位）：释放到大气中的气体造成的酸化（以 kg SO 2当量计），
- EP（富营养化潜力）：通过在废水中释放特定物质来富集水的营养元素（单位为 kg PO 4 3-当量）
- WD（水消耗）：水消耗量（以 kg H 2 O 为单位）。
为了进行最有效和最具可比性的分析，每次比较都必须进行标准化，以“同类比较”。能量是一个很好的标准化指标。例如，兆焦耳 (MJ) 可用于表示制造给定重量的电池所需的能量、运输给定重量的柴油燃烧所需的能量或回收给定重量的电池所需的能量。对于此生命周期，最容易以克每兆焦耳 (g/MJ) 为基础对所有内容进行标准化。
制造业
除了制造电池的材料外，电池生产过程中还会消耗二次或间接材料和能量。制造设备必须运行、维护并最终更换，所有这些都会产生最终用于电池的材料之外的材料成本。在电池制造中，这些材料可以多种多样。为了对选定类型的一次电池和二次电池进行比较，对一次和二次存储设备的制造花费 1 亿美元进行了比较（表 1）。
| 基本的 | 贮存 | |||
| $100 | $100 | $2 | ||
| 化肥（美元） | 含氮的 | 65 | 95 | 1.9 |
| 硝酸铵 | 2,200 | 2,400 | 48 | |
| 硫酸铵 | 4,100 | 5,600 | 110 | |
| 有机肥 | 20,000 | 24,000 | 478 | |
| 磷肥 | 14 | 7 | 0.14 | |
| 过磷酸钙 | 2,600 | 2,200 | 43 | |
| 燃料 | 烟煤（吨） | 26,000 | 23,000 | 466 |
| 天然气（吨） | 7,000 | 7,600 | 152 | |
| 液化天然气（吨） | 500 | 540 | 11 | |
| 液化石油气（t） | 800 | 670 | 13 | |
| 车用汽油（吨） | 990 | 1,700 | 34 | |
| 煤油（公斤） | 880 | 870 | 17 | |
| 航空和喷气燃料（吨） | 450 | 430 | 8.6 | |
| 轻、重燃油（t） | 3,100 | 4,100 | 82 | |
| 矿石（吨） | 铁 | 11,000 | 2,800 | 56 |
| 铜 | 19,000 | 68,000 | 1,400 | |
| 铝土矿 | 840 | 1,100 | 22 | |
| 金子 | 16,000 | 66,000 | 1,300 | |
| 银 | 340 | 800 | 16 | |
| 矿石 ($) | 铁合金 | 21,000 | 9,400 | 190 |
| 铅和锌 | 93,000 | 758,000 | 15,000 | |
| 铀和钒 | 8,900 | 57,000 | 1,100 | |
| 用水量（10 ·6升） | 录取 | 3,100 | 1,900 | 38 |
| 回收和再利用 | 5,100 | 2,900 | 58 | |
| 未经治疗出院 | 1,400 | 870 | 17 | |
| 电力（10 ·6千瓦时） | 63 | 96 | 1.9 | |
| 燃料转换（TJ） | 1,400 | 1,400 | 28 | |
在创建表1时假设二次电池的成本是一次电池的四倍。对于这种直接比较，在大多数类别中，一次电池的制造资源比二次电池少。该表还考虑了二次电池的多次使用能力进行了比较。假设二次电池可以代替一次电池循环 200 次。[9]在这种假设下，二次电池在制造资源方面具有更大的优势。这种优势完全取决于二次电池的正确使用。电池生产中的另一个考虑因素是制造和回收技术的限制通常不允许使用回收材料。这种对纯资源的需求往往需要开采新资源。[10]
配送/运输
新电池和回收电池的分销和运输的影响主要是重量的函数。运输货物的卡车受到重量的限制。重型卡车可以比中型卡车运载更多的货物，但行驶相同的距离需要使用更多的燃料。
由于一次性（一次）电池和可充电（二次）电池的尺寸相当，因此集装箱或卡车上可以安装的电池数量也相当。变量是重量，它与发动机中燃烧的化学过程成正比，该化学过程转化为运载货物的卡车的动能。Ni-Cd和Ni-MH的重量比较如表2所示。
| 电池尺寸表 | ||||
| 电池类型 | 直径毫米 | 长度毫米 | 镍氢电池重量g | NiCAD重量g |
| 1/3A | 17 | 21 | 15 | 10 |
| 2/3A | 17 | 28.5 | 20-23 | 18-20 |
| 4/5A | 17 | 43 | 32-35 | 26-31 |
| A | 17 | 50 | 40 | 32 |
| 1/3 AA | 14.2 | 17.5 | 7 | 6.5 |
| 2/3 AA | 14.2 | 28.7 | 13-16 | 13-15 |
| 4/3 AA | 14.2 | 65.2 | 30 | 30 |
| 4/5 AA | 14.2 | 43 | 22 | 20 |
| AA | 14.2 | 50 | 27 | 21 |
| 1/3 AAA | 10.5 | 20.5 | 5.5 | 5.5 |
| 1/4 AAA | 10.5 | 14 | 2.5-4 | 2.5-3.5 |
| 2/3 AAA | 10.5 | 30 | 8-9 | 6-8 |
| 4/3 AAA | 10.5 | 67 | 18 | 17 |
| 5/3 AAA | 10.5 | 67 | 19 | 19 |
| 5/4 AAA | 10.5 | 50 | 15 | 14 |
| 2/3℃ | 26 | 31 | 50 | 45 |
| C | 26 | 46 | 80 | 72 |
| SC = 子 C | ||||
| 2/3 SC | 23 | 28 | 28 | 25 |
| 4/3 SC | 23 | 50 | 66 | 60 |
| 4/5 SC | 23 | 34 | 42 | 38 |
| SC | 23 | 43 | 55 | 52 |
| 1/2D | 33 | 37 | 81 | 81-84 |
| 4/3D | 33 | 89 | 175 | 140-190 |
| D | 33 | 58 | 105-160 | 105-145 |
所有尺寸的 Ni-Cd 的平均重量为 40.15 克，单位重量（克）的平均毫安时 (mAhr) 为 31.21 mAhr/g。Ni-MH 的平均值分别为 42.60 克和 48.36 mAhr/g。[12]由于镍氢电池较重，但在使用过程中单位重量可提供更多电流，因此适合电池运输标准化的标准为 mAhr/克/MJ，其中 MJ 是用于运输电池的柴油中的能量。因此，一辆从洛杉矶到阿克塔（约 800 公里）的中型卡车每公吨每公里消耗 6.8 兆焦 (MJ/t-km) [13]一吨（1000 公斤）镍镉电池平均需要 1.7 (10) -4 MJ/mAhr 或 0.17 kJ/mAhr，而镍氢电池需要 1.12(10) -4 MJ/mAhr。
因此，镍氢电池是更好的选择，因为达到相同的距离所需的能量更少。与此相反，对于镍氢电池来说，每兆焦耳的柴油燃烧能量可传输 8.89 安时的能量。现在您尝试对镍氢电池和碱性（一次）电池进行相同的比较......
使用
电池的使用只要处理得当，不会有很大的影响。许多电池制造商警告说，“充电电池的大多数问题都可以追溯到误用” [14] [15]误用导致泄漏，最常见的原因是：(1) 过度使用，即被迫透支能量存储容量，(2) 被加热到电池阈值以上，这在过度充电期间很常见，或 (3) 外壳长期被空气中的水蒸气腐蚀。对可充电电池生命周期的另一个值得注意的贡献是充电器及其组件（表 3）。
| 材料/组件 | 用量（克） | 物品 |
| 聚丙烯 | 250 | 案件 |
| 铜 | 25 | 电源和弦导体 |
| PVC | 7 | 电源弦绝缘 |
| 聚丙烯 | 38 | 电源插头 |
| 钢 | 5 | 螺丝 |
| 弹簧钢 | 5 | 斯普林斯 |
| 软钢 | 8 | 联系人 |
| “磁性”铁 | 150 | 变压器铁芯 |
| 钢 | 20 | 变压器框架 |
| 铜 | 150 | 变压器绕组 |
| 纸板 | 10 | 变压器绝缘 |
| 铜 | 3 | 内部电缆 |
| 印刷电路板 | 20 | 印刷电路板 |
| 总重量 | 691 |
处理
电池处置方案包括填埋、稳定化、焚烧和回收[17] 。电池通常与其他城市固体废物一起送往垃圾填埋场。这通常是原电池的处理方法。垃圾填埋场存在含有重金属的电池渗滤液污染地下水的风险。
电池的稳定性涉及化学处理，以防止重金属释放到环境中。[18]这种类型的处理和处置费用昂贵，并且由于当前的电池技术倾向于避免使用重金属，因此其使用量正在下降。
当电池与城市固体废物混合时，通常会发生电池焚烧。电池焚烧已被证明会产生汞、镉、铅和二恶英的排放。[19]焚烧炉烟气通常含有大部分排放的汞。与此同时，焚烧后留下的飞灰是镉和铅通常集中的地方。
电池的回收通常使用湿法冶金或火法冶金工艺来完成（在下一节中讨论）。
电池处置中的金属对环境的影响仍在研究中。文化习俗决定了电池的处理方式，无论是否有可用的回收计划。随着电池回收量的增加，在处理前废弃的含有重金属的电池将会减少。
回收
电池回收已被证明对环境有益。[20]当材料回收技术（例如钢铁行业中使用的技术）用于电池回收时，效益尤其高。然而，收集对环境的影响可能超过回收的好处。电池回收的负面影响主要与废旧电池的运输有关。将电池收集与其他废物整合起来，然后将它们分开，可以帮助回收为环境带来净效益。此类集成的示例包括：[21]
- 电池收集与纸张回收
- 用磁铁分离的废物中的电池
- 电池与电器的集合
另外，电池计划通常旨在收集所有类型的家用电池。无论采用何种收集方法，电池随后都会被分为不同类型，以便更有效地回收。基于磁场和电池响应频率的高速电池分选机已在荷兰开发并投入使用。[22]德国已使用照片识别和 X 射线进行电池分离。[23]
一旦电池被分离，就有许多技术可以用来回收材料。钢铁生产中使用的电弧炉和锌生产中使用的旋转炉可用于回收电池。产品为金属合金、化合物或含有金属离子的溶液。以这种方式回收的镍氢 (NiMH) 电池可产生高镍材料，可用作不锈钢生产中的合金成分。或者，已经针对每种电池类型开发了用于将电池材料回收成特定产品的工艺。[24]
尽管电池回收有好处，但将电池从标准处置中完全转移仍面临公众的抵制。在荷兰和比利时，80-90% 的人口了解其国家的电池收集系统，但只有 30-50% 的人使用这些系统。[25]对回收的抵制源于人们的习惯以及这些习惯代代相传的持续存在。
一些国家已经考虑立法来帮助加快电池回收计划的发展。英国进行了一项研究来评估电池废物管理。对镍镉电池的禁令、电池收集目标、电池回收目标进行了调查。[26]该研究进一步显示了电池回收的净环境效益。
结论
根据相关文献的研究，二次（可充电）电池的影响并不比一次（碱性电池）小得多。这主要是因为二次电池不具有无限次的充电周期，并且可充电电池也需要电子充电器，这也包含在其生命周期中。每个电池的制造都是具有可比性的。
建议
该团队建议，与其投入二次电池技术的研发，不如开发一次电池的回收能力。这将包括开展教育活动，以确保更多消费者将废旧电池送到适当的设施而不是垃圾填埋场。该团队的个人建议是记住回收即使是小电池。即使一块电池看似微不足道，但累积的效果却很大。既然可以回收，请尽自己的一份力量，将废电池送到回收设施，即使它们很小而且看起来微不足道！>:-O
参考
- ↑ 渐进动力
- ^ AM 伯纳德斯等人。(2004)
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- ^ McDowell, J. 和 Siret, C.
- ^ RL 兰基和 FC 麦克迈克尔 (2000)
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- ↑ 电池批发 (2005)
- ↑ 电池批发 (2005)
- ^ Gleick, PH 和 Cooley, HS (2009)
- ↑ 电池批发 (2005)
- ^ RL 兰基和 FC 麦克迈克尔 (2000)
- ^ Parson, David (2006)“消费者使用的一次性电池与可充电电池的环境影响”LCA 案例研究
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- ^ AM 伯纳德斯等人。(2004)
- ^ K.费希尔等人。(2006)
- AM Bernardes、DCR Espinosa、JAS Tenório (2004)“电池回收：对当前流程和技术的回顾”《电源杂志》第 130 291–298 号。
- 电池批发 (2005)“容量与重量”，2010 年 3 月 17 日访问 www.batterieswholesale.com/capacity_weight.htm
- 电池批发 (2005)“损坏电池”，2010 年 3 月 17 日访问 www.batterieswholesale.com/damaging_batteries.htm
- K. Fisher、M. Collins、P. Laenen、E. Wallén、P. Garrett、S. Aumônier (2006)“电池废物管理生命周期评估”环境资源管理 (ERM) 有限公司。
- Gleick, PH 和 Cooley, HS (2009)“瓶装水的能源影响”环境。资源。莱特。4 014009 (6页)"
- Lankey, RL 和 McMichael, FC (2000)“比较一次电池和充电电池的生命周期方法”，Environ。科学。《技术》，第 34 期，第 2299-2304 页
- McDowell, J. 和 Siret, C.（日期未知）“节能电池 – 绿色还是绿色清洗？”
- Progressive Dynamics（日期未知）“电池基础知识”，2010 年 3 月 1 日访问 www.progressivedyn.com/battery_basics.html
注释（给编辑）
- 布雷特 - 电池类型和制造
- James - 使用和分发
- Ryan - 回收和处置