Environmental Assessment of Battery Chemistries : A Comparative Life Cycle Analysis = 이차전지의 화학계에 따른 환경성 평가: LCA 기반 비교분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study conducts a cradle-to-gate life cycle assessment (LCA) of four battery
manufacturing systems, including two conventional lithium-ion batteries (LIB–LFP and
LIB–NMC811) and two all-solid-state batteries (Sulfide–NMC811–ASSB and Polymer–
LFP–ASSB), using a functional unit of 1 kWh. Environmental impacts are evaluated
using ReCiPe 2016 Midpoint (H) for four categories (climate change, terrestrial
acidification, fossil resource scarcity, and particulate matter formation). In addition to
system-level comparison, a process-level decomposition is performed to identify
dominant contributors across manufacturing stages. A scenario analysis is further
conducted to examine the sensitivity of results to electricity-mix changes for the years
2023, 2030, and 2038.
The results show that all-solid-state systems exhibit substantially higher burdens in
climate change and fossil resource scarcity than conventional LIB systems, reflecting the
influence of electricity-intensive manufacturing steps associated with solid electrolyte
production and cathode–electrolyte composite processing. Polymer–LFP–ASSB records
the highest impacts in these categories despite the use of LFP chemistry, indicating that
process configuration and energy demand can outweigh chemistry-based expectations at
the manufacturing stage. In contrast, terrestrial acidification and particulate matter
formation display smaller system-to-system differences, with NMC-based configurations
remaining more strongly influenced by the cathode precursor stage.
Scenario results indicate that electricity decarbonization can lead to clear reductions in
climate change impacts by 2038 across all systems, with larger improvement magnitudes
observed for the more energy-intensive solid-state pathways. The scenario analysis also
suggests that relative performance between LIB chemistries can shift under low-carbon
electricity conditions, highlighting the importance of assessing battery technologies in
conjunction with the electricity context of production. Overall, the findings demonstrate
that the environmental performance of next-generation batteries is jointly determined by
process structure and electricity conditions, underscoring the need for low-carbon
electricity supply and targeted process optimization in manufacturing hotspots.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 차세대 전고체 배터리 기술의 환경적 함의를 파악하기 위해,
기존 리튬이온배터리와 두 종류의 전고체 배터리를 대상으로 제조단계 비교
생애주기평가를 수행하였다. 시스템 경계는 제조단계로 설정하였으며,
황화물계 및 고분자계 전해질 합성과 전극–전해질 복합화 공정은
실험실·파일럿 규모 문헌을 기반으로 전경 데이터를 구축하였다. 배경
데이터는 ecoinvent 3.11 cut-off 시스템 모델을 적용하였고, 환경영향은 ReCiPe
2016 Midpoint(H)의 세가지 핵심 범주를 중심으로 산정하였다.
분석 결과, 전고체전지 시스템은 기존 LIB 시스템에 비해 기후변화 및
화석자원 고갈에서 현저히 높은 환경부하를 보였다. 이는 고체 전해질 생산
및 양극–전해질 복합체 공정 등 전력집약적 제조 단계의 영향이 크게 작용한
결과로 해석된다. 특히 Polymer–LFP–ASSB는 LFP 계열 화학조성을 사용함에도
불구하고 해당 범주에서 가장 높은 영향을 기록하였으며, 이는 제조단계에서
공정 구성과 에너지 수요가 화학조성에 기반한 일반적 기대를 상회할 수
있음을 시사한다. 반면 육상 산성화와 미세먼지 형성은 시스템 간 차이가
상대적으로 작게 나타났고, NMC 기반 구성에서는 양극 전구체 단계의 영향이
여전히 더 크게 관찰되었다.
시나리오 분석에서는 2038년으로 갈수록 전력의 탈탄소화가 모든
시스템에서 기후변화 영향의 뚜렷한 감소로 이어짐을 확인하였으며, 특히
에너지집약도가 높은 전고체 제조 경로에서 개선 폭이 더 크게 나타났다.
또한 저탄소 전력 조건에서는 LIB 화학조성 간 상대적 성능이 변화할 수
있음을 보여주어, 배터리 기술 평가는 생산지의 전력 공급 맥락과 결합하여
수행될 필요가 있음을 강조한다. 종합하면, 차세대 배터리의 환경성능은 공정
구조와 전력 조건에 의해 공동으로 결정되며, 제조 단계의 핵심
공정(hotspot)에 대한 공정 최적화와 저탄소 전력 공급의 확보가 중요함을
시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract iii
• Contents v
• List of Tables viii
• List of Figures ix
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Korea’s Electricity Mix and the 11th Basic Plan 3
• 1.3 Secondary Batteries and Environmental Impacts 4
• 1.3.1 Lithium Iron Phosphate (LFP) 7
• 1.3.2 Lithium Nickel Cobalt Manganese oxide (NCM) 9
• 1.3.3 Sulfide All-Solid-State Battery (Sulfide-ASSB) 11
• 1.3.4 Polymer All-Solid-State Battery (Polymer-ASSB) 12
• 1.4 Life Cycle-Based Environmental Impact Assessment 14
• 1.5 Thesis Overview 15
• Chapter 2. Literature Review 16
• 2.1 Battery LCA 16
• 2.2 Research Gap Identification 19
• Chapter 3. Methodology 21
• 3.1 LCA 21
• 3.1.1 Goal and Scope Definition 21
• 3.1.2 Function Unit 23
• 3.1.3 System Boundary 24
• 3.2 Life Cycle Inventory 32
• 3.2.1 Data Sources and Quality 32
• 3.2.2 Description of Product and Process Systems 33
• 3.2.3 Assumption 44
• 3.2.4 Limitation 45
• 3.2.5 Interpretation of Constraints 47
• 3.3 LCIA Method 48
• 3.4 Electricity Mix Scenario Settings 52
• Chapter 4. Results 53
• 4.1 Comparable Result of Types of Battery 53
• 4.1.1 Climate Change 55
• 4.1.2 Terrestrial Acidification 55
• 4.1.3 Fossil Resource Scarcity 56
• 4.1.4 Particulate Matter Formation 56
• 4.2 Category Decomposition 57
• 4.2.1 Climate Change 58
• 4.2.2 Terrestrial Acidification 60
• 4.2.3 Fossil Resource Scarcity 62
• 4.2.4 Particulate Matter Formation 65
• 4.3 Scenario Analysis 68
• Chapter 5. Conclusion and Discussion 71
• 5.1 Interpretation of Results 71
• 5.1.1 Process structure and chemistry 71
• 5.1.2 Electricity-mix scenarios 73
• 5.1.3 Effects of process structure with electricity conditions 75
• 5.2 Policy and Industrial Implications 75
• 5.3 Limitations and Future Research Directions 78
• 5.4 Concluding Remarks 80
• Bibliography 82
• Appendix 1. Supplementary Table of Decomposition Results 94
• Abstract (Korean) 96