Quantitative Assessment of Environmental and Economic Impacts of Battery Cell Using LCA

Bc. Anna Ivanichenko

Master's thesis

Abstract:

In the last decade, solid-state battery development has garnered significant scientific attention, expected to yield substantial improvements in mechano-electrochemical stability and safety, while also reducing environmental burden and battery costs. However, the solid-state battery is still an emerging technology, and its environmental and economic implications are not fully understood. This thesis aims to present a cradle-to-gate life cycle assessment of a novel solid-state battery with a polymer bio-based electrolyte at laboratory-scale cell production to evaluate environmental impacts and identify environmental hotspots. The assessment utilizes the ReCiPe 2016 impact assessment method and incorporates environmental price methodology to monetize the environmental impact results. The Life Cycle Assessment (LCA) results demonstrate that the primary environmental impact of laboratory cells comes from the coin cell container and electrolyte, which together account for over 92% of all impact categories except non-carcinogenic (82%). The environmental cost of producing one cell is 0.0156 euros. The electrolyte significantly contributes to the environmental impact due to its high energy consumption and the presence of the LITFSI component, which together account for over 83% of all environmental impact categories. Sensitivity analysis indicates that potential reductions in environmental impact could be achieved by reducing electrolyte thickness and transitioning the Czech energy mix towards more renewable sources.

Abstract:

V poslední dekádě získal vývoj solid-state baterií značnou pozornost vědeckého světa, a očekává se, že tento typ baterií přinese podstatné zlepšení elektrochemické stability a bezpečnosti, zároveň sníží ekologickou zátěž a náklady na jejich výrobu. Nicméně, solid-state baterie jsou stále novou technologií, a jejich environmentální a ekonomické dopdady nejsou úplně pochopeny. Tato diplomní práce si klade za cíl představit posouzení životního cyklu "od kolébky po bránu" nové solid-state baterie s polymerním elektrolytem na bázi biomateriálu, to na úrovni laboratorního článku, a vyhodnotit tak environmentální dopady a identifikovat kritická environmentální místa. Hodnocení využívá metodu hodnocení dopadů ReCiPe 2016 a Environmental Prices. Výsledky analýzy životního cyklu ukazují, že hlavní environmentální dopady laboratorních článků pochází z pouzdra mincové baterie a elektrolytu, které společně představují více než 92 % všech kategorií dopadů s výjimkou nekarcinogenních (82 %). Environmentální cena výroby jednoho článku činí 0,0156 eura. Elektrolyt významně přispívá k environmentálnímu dopadu, a to kvůli své vysoké spotřebě energie a přítomnosti složky LITFSI, která společně představují více než 83 % všech kategorií environmentálních dopadů. Citlivostní analýza ukazuje, že potenciální snížení environmentálních dopadů by bylo možné dosáhnout strategiemi, jako je optimalizace tloušťky elektrolytu a využití obnovitelných zdrojů energie v procesu výroby.

Keywords

environmentální dopad, ekonomický dopad, LCA, environmentální cena, elektrolyt na bázi biomateriálu, solid-state baterie, LFP

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2024

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Viera Pechancová, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Master programme / field:
Environmental Engineering / -