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(zhāngshǎojūn)副教授课题组在动力电池关键材料碳足迹研究方面取得系列进展。课题组联合宁德(níngdé)时代新能源科技股份(kējìgǔfèn)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、物料投入及能源消耗数据，分析了具有行业(hángyè)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(dītàn)路径下材料碳足迹的削减潜力。该(gāi)研究不仅为应对包括《欧盟(ōuméng)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指导(zhǐdǎo)。

碳酸锂和(hé)氢氧化锂是(shì)制备锂电池（包括三元锂电池和磷酸铁锂电池）正极材料的重要(zhòngyào)原材料。国际碳足迹数据库和以往文献所披露(pīlù)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，并且企业样本量较少(shǎo)。现有研究缺乏对我国特有的锂云母路线的报道，也缺乏对我国新型(xīnxíng)盐湖提锂技术（如纳滤膜法）的关注。

研究团队收集了我国26家工厂的(de)数据，覆盖2023年我国80%碳(tàn)酸锂(tànsuānlǐ)和(hé)(hé)28%氢氧化锂的理论产能；基于研究团队建立和整理(zhěnglǐ)的碳足迹背景数据，系统分析了盐湖、锂辉石(lǐhuīshí)、锂云母三类生产路线下(xià)电池级锂的碳足迹特征（图1）。研究发现(fāxiàn)，企业间原矿品位(pǐnwèi)、提锂技术水平和能源结构效率存在差异(chāyì)，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(qízhōng)采用纳(nà)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(jǔcuò)，我国电池级锂的碳足迹有望降低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(kějiàng)至7.0 t CO2e/t Li2CO3~8.8 t CO2e/t Li2CO3。

图1.中国分工厂的电池级(jí)锂碳足迹。（a）盐湖(yánhú)提锂（b）锂辉石提锂（c）锂云母提锂

石墨(shímò)是重要的锂电池负极(fùjí)材料。其中，人造石墨由于微观(wēiguān)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(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(bǐ)超过80%。研究团队调研结果显示，不同企业、不同性能的人造石墨产品在工艺环节上存在着多种选择。例如，原料中石油焦和油系针状(zhēnzhuàng)焦的混配比例、是否(shìfǒu)将石墨化工序(gōngxù)外包、是否设置预炭化(tànhuà)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。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12家投产运营和22家规划建设中的人造石墨(shímò)工厂（覆盖全球理论产能的1/3），同时调研了人造石墨产业链上的石油焦、针状焦、中温沥青(lìqīng)、包覆沥青和石墨坩埚工厂，构建了基于实际生产数据(shùjù)、涵盖全产业链多种原料(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(tíshēng)性能的高端(gāoduān)人造石墨产品，不同企业下(xià)的平均碳足迹为11.2 t CO2e/t。未来，通过实施绿(lǜ)电替代和绿氢替代（油系针状焦生产过程(guòchéng)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(gōngchǎng)的电池级人造石墨(shímò)碳足迹。（a）投产运营（b）拟建工厂

相关研究成果以(yǐ)“中国电池级(jí)锂盐(yán)的(de)(de)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脱碳(tuōtàn)潜力”（Carbon Footprint and Decarbonization Potential of Battery-Grade Synthetic Graphite）为题，分别在线发表于《ACS可(kě)持续化学(huàxué)与工程》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）。

两篇论文第一作者(zuòzhě)分别(fēnbié)为(wèi)清华大学环境学院(xuéyuàn)2021级博士生刘敏和博士后王放，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，宁德时代的(de)刘子瑜、潘学兴、林光亮(guāngliàng)，沙特阿美的丹尼(ní)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(wūěr)塔多·佩雷斯（Omar Hurtado Perez）。研究得到国家重点研发计划的支持。