Life cycle assessment of lithium-ion traction batteries

Abstract

Despite increased awareness of climate change and governmental goals to reduce anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions, the trend of increasing GHG emissions continues. In consuming about half of global primary oil, the transport sector contributes to about one-fourth of energy-related GHG emissions. Road transport is by far the largest and fastest growing transport segment, mainly due to the rapidly increasing number of light duty vehicles. The estimated one billion light duty vehicles currently in operation are responsible for about half of the transport sector’s energy demand and GHG emissions. Due to increasing standards of living and economic activity, the number of light duty vehicles is expected to more than double by 2050. As such, reducing energy- and fuel carbon-intensities of these vehicles is crucial. Battery electric vehicles (BEVs) have been promoted as a promising alternative to conventional vehicles due to their zero tailpipe emissions and higher powertrain efficiency. However, the change in powertrain technology may introduce unfavourable environmental trade-offs. Because lithium-ion traction batteries are the core of BEVs, understanding their environmental impacts is essential. This thesis assesses the environmental characteristics of lithium-ion traction batteries and evaluates how these influence the overall environmental profile of BEVs. Environmental impacts associated with the life cycle of a product are best analysed using the method referred to as life cycle assessment (LCA). LCA provides a systematic framework and process for assessing environmental impacts that occur in production, use, and end-of-life treatment of a product. The robustness of an LCA study hinges on its inventory data. Thus, we used industry data where these were available. This work resulted in the five articles that are included in this thesis. Article I assesses the environmental impacts associated with the production of a lithium-ion traction battery pack and provides a detailed cradle-to-gate inventory based on primary industry data. Article II discusses the energy demand in battery production and the extent to which production volumes can explain the differences in energy demands in the LCA literature. Article III investigates how increasing the battery pack size and range influences the life cycle GHG emissions of BEVs. The article also evaluates the importance of the electricity and its energy sources to these life cycle emissions. Article IV considers prospective materials that may improve the technical performance of energy storage systems used in electric vehicles. Inspired by the holistic life cycle approach of LCA, the article develops an environmental screening framework and evaluates the environmental attributes of nanomaterials in lithiumion battery cells and proton exchange membrane fuel cells. Article V considers the underlying data and assumptions in LCA studies of lithium-ion traction batteries to identify the causes of differences in reported results. We find that the life cycle environmental impacts of a lithium nickel-cobalt-manganese oxide traction battery pack are considerable. The production phase is particularly impact intensive due to the significant use of metals and energy. Three production chains associated with the battery cells are found to be particularly impact intensive: manufacture of battery cells, copper in the negative current collector, and nickel sulphate in the positive active material. The other cell and battery pack components have smaller contributions. Impacts associated with the use phase and end-of-life treatment are less significant than those pertaining to production. The indirect impacts associated with the electricity use during operation largely depend on the conversion losses, battery weight, and the energy sources used to generate the electricity that charges the battery. Environmental impacts associated with end-of-life treatment may differ as there are several different industrial recycling schemes for lithium-ion batteries. Predictably, larger battery packs with more battery cells are more impact intensive than smaller battery packs with fewer cells. Thus, at the current state of the technology, there is a trade-off between driving range and environmental benefits. Prospective electrode materials can potentially allow for longer driving ranges through higher gravimetric energy density. We evaluate nanostructured electrode materials and find that there are indeed promising candidates that may allow for lithium-ion cells with higher gravimetric energy density. However, the use of nanostructured electrode materials may also result in higher production impacts as the synthesis of nanomaterials is generally energy intensive, but this depends on the electrode materials and the methods used to synthesise them. The large environmental impacts of traction batteries holds repercussions for BEVs. The production of the battery pack alone can result in higher environmental loads in some impact categories than the production of a conventional vehicle. However, BEVs are more energy efficient than conventional vehicles and can compensate for the higher production impacts by having lower use phase impacts, but this depends on the impact intensity of the electricity. As such, BEVs introduce environmental trade-offs between life cycle benefits and disadvantages. Because increasing battery pack size and range result in higher life cycle impacts, BEVs with longer driving ranges generally tend to have larger life cycle environmental impacts than those with shorter driving ranges. In terms of GHG emissions, the ability of BEVs to compensate for the higher production impact depends on the carbon intensity of the electricity used for charging. To ensure and maximize the environmental benefits of the electric powertrain, it is imperative that batteries last as long as the vehicles they power. Production of replacement cells may compromise the ability of BEVs to compensate for higher production impact. In conclusion, this thesis provides new information and understanding of the environmental characteristics of lithium-ion traction batteries through five articles. The environmental burdens associated with traction batteries hold implications for the environmental sustainability of BEVs. Based on our findings, we identify impact reduction measures that may reduce the environmental burdens associated with lithium-ion batteries.

Sammendrag Til tross for økt bevissthet om klimaendringer og internasjonale mål om å redusere menneskeskapte klimagassutslipp, fortsetter utslippene av klimagasser å øke. På verdensbasis bruker transportsektoren mer enn halvparten av oljen som utvinnes hvert år, og den står for rundt en fjerdedel av energirelaterte klimagassutslipp. Vegtransport er langt på vei det største og raskest økende transportsegmentet, hovedsakelig på grunn av det økende antall personbiler. På verdensbasis er de rundt en milliard personbiler i bruk ansvarlig for omtrent halvparten av transportsektorens energiforbruk og klimagassutslipp. På grunn av økende levestandard og økonomisk aktivitet, er det forventet at antallet personbiler vil dobles innen 2035. Den forventede økningen gjør at det er viktig å redusere energi- og drivstoffintensiteten av personbiler. Ettersom elektriske biler har høyere energieffektivitet og ikke har direkte utslipp i bruksfasen, har de blitt fremhevet som et lovende alternativ til konvensjonelle biler med forbrenningsmotor. Likevel kan elektriske biler føre til uønskede miljøkonsekvenser. Siden litium-ion batterier utgjør hovedforskjellen mellom elektriske og vanlige biler, er det viktig å forstå deres miljøkarakteristikker. Miljøbelastninger som er knyttet til et produkts livsløp analyseres best med å gjøre en såkalt livsløpsvurdering (LCA). Med LCA metoden kan man evaluere miljøbelastninger som oppstår i forbindelse med produksjon, bruk og sluttbehandling av et produkt. Kvaliteten på en LCA studie hviler i midlertidig på datagrunnlaget. Derfor har vi brukt industridata så langt som det har vært mulig. Arbeidet har resultert i fem artikler som er inkludert i denne avhandlingen. Artikkel I evaluerer miljøbelastninger knyttet til produksjonen av et litium-ion batteri for bruk i elektriske bil. I artikkelen publiseres et detaljert vugge-til-port inventar basert på industridata. Artikkel II diskuterer energibruk i batteriproduksjon og evaluerer hvorvidt produksjonsvolum kan forklare forskjellen på energidata som er brukt i LCA studier. Artikkel III undersøker hvordan økt batteristørrelse og rekkevidde påvirker klimagassutslippene gjennom livsløpet til fire elektriske biler av forskjellig størrelser. Artikkelen vurderer også forskjellige elektrisitetskilders virkning på indirekte utslipp knyttet til bruksfasen. Artikkel IV vurderer forskjellige materialer som kan forbedre den tekniske ytelsen til energilagringssystemer som brukes i elektrisk biler. Inspirert av det holistiske livsløpsperspektivet i LCA, utvikler vi et rammeverk som kan evaluere miljøaspekter av forskjellige materialer som brukes i litium-ion battericeller og brenselceller. Artikkel V vurderer datagrunnlaget og antakelser i LCA studier av litium-ion batterier for å finne ut hvorfor studiene rapporterer så forskjellige resultater. Basert på de fem artiklene knyttet til denne avhandlingen, finner vi at miljøbelastningene for en litium nikkel-kobolt-mangan oksid batteripakke er betydelige. Produksjonen er spesielt belastende på grunn av utstrakt bruk av metaller og energi. Tre verdikjeder knyttet til battericellene har spesielt høye miljøbelastninger: produksjon av battericeller, strømfangerne i anoden laget av kopper og nikkelsulfat i det aktive katodematerialet. Andre celle- og batterikomponenter bidrar i mindre grad til de totale miljøbelastningene i produksjonen. Bruk og sluttbehandling av batteriet har mye lavere miljøbelastninger enn de som er knyttet til produksjonen. De indirekte miljøbelastningene i bruksfasen stammer fra energiomvandlingstap, energi for å transportere batteriet, og energikildene som brukes for produsere elektrisiteten som lader batteriet. Miljøbelastninger knyttet til sluttbehandling kan variere ettersom det finnes flere forskjellige industrielle resirkuleringsmetoder for litium-ion batterier. Som forventet er større batteripakker med flere celler mer miljøbelastende enn mindre batteripakker med færre celler. Med dagens teknologi er det derfor en avveiing mellom rekkevidde og miljøfordeler. Å øke rekkevidden gjennom bruk av materialer som kan tilby høyere gravimetrisk energitetthet er et alternativ til å lage større og tyngre batteripakker. Ved å vurdere forskjellige nanomaterialer ser vi at det er flere lovende kandidater som kan føre til litium-ion battericeller med høyere gravimetrisk energitetthet. Likevel kan bruken av nanomaterialer kunne føre til høyere miljøbelastninger i forbindelse med batteriproduksjon siden fremstilling av nanomaterialer generelt er energikrevende, men dette er avhengig av materialene og metoden som brukes for å fremstille disse. De høye miljøbelastningene knyttet til batteripakka har følger for elektriske biler. Produksjonen av batteripakka alene kan føre til høyere miljøbelastninger enn produksjon av en vanlig bil i enkelte miljøkategorier. Sammenlignet med konvensjonelle biler, er det derfor ikke sikkert at elektriske biler klarer å kompensere med lavere miljøbelastninger i bruksfasen. Derfor vil bruk av elektriske biler kunne føre til en vekselvirkning mellom fordeler og ulemper i forskjellige miljøkategorier. Ettersom det å øke batteriets størrelse og rekkevidde resulterer i høyere miljøbelastninger, har elektriske biler med lengre rekkevidde generelt høyere miljøbelastninger enn de som har kortere rekkevidde. Med tanke på klimagassutslipp vil elektriske bilers evne til å kompensere for høyere produksjonsutslipp være avhengig av karbonintensiteten til strømmen som lader batteriene. For å sikre og maksimere elektriske bilers miljøfordeler, er det viktig at batteriene har like lang levetid som bilene. Utskiftning av battericeller kan gjøre det vanskelig å gjøre opp for de høyere miljøbelastninger knyttet til produksjon. Avhandlingen tilfører ny informasjon om og forståelse for miljøbelastningene knyttet til litium-ion batterier gjennom fem artikler. Miljøbelastningene til batteriene er såpass betydelige at de har følger for bærekraftigheten til elektriske biler. Basert på våre funn påpekes tiltak som kan redusere miljøbelastninger for batterier og dermed også elektriske biler.