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(diànchí)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(níngdé)时代新能源(xīnnéngyuán)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(de)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(tóurù)及能源消耗数据，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碳足迹数据库可能导致的偏差，并阐明了未来低碳路径下材料碳足迹的削减潜力。该研究不仅为应对(yìngduì)包括(bāokuò)《欧盟电池法案》在内的电池碳足迹准入要求提供了重要支撑，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。

碳酸锂和氢氧化锂是制备(zhìbèi)锂电池（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(yuáncáiliào)。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（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(bìngqiě)企业样本量较少。现有研究缺乏对我国特有的锂云母(yúnmǔ)路线的报道，也缺乏对我国新型盐湖提锂技术（如纳滤膜法(fǎ)）的关注。

研究团队收集了我国(wǒguó)26家工厂的(de)(de)数据，覆盖2023年我国80%碳酸锂(lǐ)和(hé)28%氢氧化锂的理论产能(chǎnnéng)；基于(jīyú)研究团队建立和整理的碳足迹背景数据，系统分析了盐湖、锂辉石、锂云母(yúnmǔ)三类生产路线下电池(diànchí)级(jí)锂的碳足迹特征（图1）。研究发现，企业(qǐyè)间原矿品位、提锂(tílǐ)技术水平和能源结构(jiégòu)效率(xiàolǜ)存在差异，使得不同生产路线、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(jiàngdī)17%~67%。在乐观(lèguān)情景下，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.中国分工厂的电池(diànchí)级锂碳足迹。（a）盐湖提锂(tílǐ)（b）锂辉石提锂（c）锂云母提锂

石墨是重要的锂电池负极材料。其中(zhōng)，人造石墨由于微观结构更均匀和(hé)(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(shàng)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%。研究团队调研结果显示，不同企业(qǐyè)、不同性能的人造石墨产品(chǎnpǐn)在工艺环节上存在着多种选择。例如，原料(yuánliào)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(yù)炭化工序、是否设置炭化工序。在高性能电池需求的驱动下，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(shēngchǎn)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(le)我国12家投产运营和22家规划建设中的(de)人造石墨工厂（覆盖全球(quánqiú)理论产能的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(yuánliào)(yuánliào)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(hàodiàn)的石墨化工序及高碳原料的使用（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，不同企业下的平均碳足迹为11.2 t CO2e/t。未来，通过实施绿电替代(tìdài)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(kě)实现70%的减排潜力。

图2.我国分工厂的电池级(jí)人造石墨碳(tàn)足迹。（a）投产运营（b）拟建工厂

相关研究成果(yánjiūchéngguǒ)以“中国电池级(jí)锂盐的碳(tàn)足迹”（Carbon Footprint of Battery-Grade Lithium Chemicals in China）和“电池级人造石墨的碳足迹与(yǔ)脱碳(tuōtàn)潜力”（Carbon Footprint and Decarbonization Potential of Battery-Grade Synthetic Graphite）为题，分别(fēnbié)在线(zàixiàn)发表于(yú)《ACS可持续化学(huàxué)与工程》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）。

两篇论文第一作者(zuòzhě)(zuòzhě)分别为清华大学环境学院2021级博士生刘敏和(hé)博士后(bóshìhòu)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(jiàoshòu)吴烨、2022级博士生熊翌灵，宁德时代的刘子(liúzi)瑜、潘学兴、林光亮，沙特阿美的丹尼尔·德卡斯特罗·戈麦斯（Daniel De Castro Gomez）、穆罕默德·阿尔莫尼（Mohammed A. Almoniee）和奥马尔·乌尔塔多·佩雷斯（Omar Hurtado Perez）。研究得到国家重点研发(yánfā)计划(jìhuà)的支持。