清华团队在锂电池关键材料碳足迹研究方面取得系列进展

近日，清华大学环境学院张少君副教授课题组在动力电池关键材料碳足迹研究方面(fāngmiàn)取得系列进展。课题组联合宁德时代新能源科技股份有限公司和沙特阿拉伯国家石油公司（沙特阿美）的研究人员，系统调研了我国锂电池关键材料——电池级锂盐（碳酸锂和氢氧化锂）与人造石墨的生产工艺、物料投入及能源消耗(néngyuánxiāohào)数据(shùjù)，分析了具有行业代表性的材料碳足迹特征，指出了采用国际主流(zhǔliú)碳足迹数据库可能导致的偏差，并(bìng)阐明了未来低碳路径下材料碳足迹的削减(xuējiǎn)潜力。该研究不仅为应对包括《欧盟电池法案(fǎàn)》在内的电池碳足迹准入要求提供(tígōng)了重要支撑，也为推动锂电材料产业链的绿色低碳转型提供了科学(kēxué)指导。

碳酸锂和(hé)氢氧化锂是制备锂电池(lǐdiànchí)（包括三元锂电池和磷酸铁锂电池）正极材料的(de)重要原材料。国际碳足迹数据库和以往文献所披露的碳酸锂/氢氧化锂生命周期清单(qīngdān)（LCI）数据主要集中于传统的锂辉石路线和南美地区的盐湖提锂路线，并且企业样本量较少。现有研究缺乏对(duì)我国特有的锂云母路线的报道，也缺乏对我国新型盐湖提锂技术（如纳滤膜(lǜmó)法）的关注。

研究团队收集了我国(wǒguó)26家工厂的(de)数据，覆盖2023年我国80%碳(tàn)酸锂(lǐ)(lǐ)和28%氢氧化锂的理论产能；基于研究团队建立和整理(zhěnglǐ)的碳足迹(zújì)背景数据，系统分析了盐湖、锂辉石、锂云母(yúnmǔ)三类(sānlèi)生产路线(lùxiàn)下电池级锂的碳足迹特征（图1）。研究发现，企业间(jiān)原矿品位、提锂技术水平和能源(néngyuán)结构(jiégòu)效率存在(zài)差异，使得(shǐde)不同生产路线、不同企业间电池级锂的碳足迹分布于6.3 t CO2e/t Li2CO3~36.8 t CO2e/t Li2CO3的巨大范围内。基于企业产能平均的盐湖锂碳足迹为13.3 t CO2e/t Li2CO3（其中采用纳滤膜法的企业案例最低可达6.3 t CO2e/t Li2CO3），锂辉石锂和锂云母锂的碳足迹分别为13.9 t CO2e/t Li2CO3和24.5 t CO2e/t Li2CO3。未来，通过推动新型盐湖提锂技术、提升能源效率和采用清洁能源等举措，我国电池级锂的碳足迹有望降低17%~67%。在乐观情景(qíngjǐng)下，2030年前我国所消费的电池级锂的行业平均碳足迹可降至7.0 t CO2e/t Li2CO3~8.8 t CO2e/t Li2CO3。

图1.中国分(fēn)工厂的电池级锂(lǐ)碳足迹。（a）盐湖提锂（b）锂辉石提锂（c）锂云母提锂

石墨(shímò)是重要的(de)锂电池负极材料。其中，人造(rénzào)石墨由于微观结构更均匀和(hé)可控，在循环寿命、体积膨胀率（反映安全性能）和倍率性能等指标上相对于天然石墨具备明显优势，因此，人造石墨在我国负极材料出货量中占比超过80%。研究(yánjiū)团队调研结果显示，不同(bùtóng)企业、不同性能的人造石墨产品(chǎnpǐn)在工艺环节上存在着多(duō)种选择。例如，原料中石油焦和油系针状焦的混配比例、是否将石墨化工序外包、是否设置预炭化工序、是否设置炭化工序。在高性能(gāoxìngnéng)电池需求的驱动下，人造石墨越多来越多地使用油系针状焦和基于乙烯焦油生产的包覆沥青，这些原料生产的石墨产品具有更高性能和更高碳足迹(zújì)。因此，人造石墨生产工艺复杂性和原料多样性给碳足迹精准评估带来挑战。

研究团队调研了我国(wǒguó)12家投产运营和22家规划建设中的人造石墨工厂（覆盖全球理论(lǐlùn)产能的1/3），同时调研了人造石墨产业链上的石油焦、针状(zhēnzhuàng)焦、中温沥青、包覆沥青和石墨坩埚工厂，构建(gòujiàn)了基于实际生产数据、涵盖全产业链多种原料的碳足迹数据库。研究表明，当前我国人造石墨的平均碳足迹为9.0 t CO2e/t，主要源于高耗电的石墨化(huà)工序及高碳(gāotàn)原料的使用（图2）。以油系针状焦为原料并采用碳化工序进一步提升性能的高端人造石墨产品(chǎnpǐn)，不同企业下的平均碳足迹为11.2 t CO2e/t。未来(wèilái)，通过实施绿(lǜ)电替代和绿氢替代（油系针状焦生产过程使用），人造石墨的碳足迹最高可实现70%的减排潜力(qiánlì)。

图2.我国分工厂的电池(diànchí)级人造石墨碳足迹。（a）投产(tóuchǎn)运营（b）拟建工厂

相关研究成果以“中国电池(diànchí)级锂盐的(de)碳(tàn)足迹”（Carbon Footprint of Battery-Grade Lithium Chemicals in China）和“电池级人造(rénzào)石墨(shímò)的碳足迹与(yǔ)脱碳潜力”（Carbon Footprint and Decarbonization Potential of Battery-Grade Synthetic Graphite）为题，分别在线发表于《ACS可持续(chíxù)化学(huàxué)与工程(gōngchéng)》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）。

两篇论文第一作者(zuòzhě)分别为清华大学环境(huánjìng)学院2021级博士生刘敏和(hé)博士后王放，通讯作者分别为张少君，张少君和沙特阿美何鑫博士。论文其他作者包括清华大学环境学院教授吴烨、2022级博士生熊翌灵，宁德(dé)时代的(de)刘子(liúzi)瑜、潘学兴、林光亮，沙特阿美的丹尼尔·德卡斯特罗(kǎsītèluó)·戈麦斯（Daniel De Castro Gomez）、穆罕默德·阿尔莫尼（Mohammed A. Almoniee）和奥马尔·乌尔(wūěr)塔多·佩雷斯（Omar Hurtado Perez）。研究得到国家重点研发计划的支持。