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(huánjìng)学院(xuéyuàn)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(shātèālābó)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(shímò)的生产工艺、物料投入及能源消耗数据，分析了具有行业代表性(dàibiǎoxìng)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(xià)材料碳足迹的削减潜力。该研究不仅为应对包括《欧盟电池法案》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(chǎnyèliàn)的绿色低碳转型提供了科学指导。

碳酸锂(tànsuānlǐ)和氢氧化锂(qīngyǎnghuàlǐ)是制备锂电池（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。国际碳足迹数据库和以往文献所(suǒ)披露的碳酸锂/氢氧化锂生命周期清单（LCI）数据主要集中(jízhōng)于传统的锂辉石路线和南美地区的盐湖提锂(tílǐ)路线，并且企业样本量较少。现有研究缺乏对我国特有的锂云母路线的报道，也缺乏对我国新型盐湖提锂技术（如纳滤膜法）的关注。

研究(yánjiū)团队收集了(le)我国26家工厂的(de)数据，覆盖2023年我国80%碳(tàn)(tàn)酸锂(lǐ)和28%氢氧化锂的理论产能；基于研究团队建立和整理的碳足迹(zújì)背景数据，系统分析了盐湖、锂辉石、锂云母三类生产路线下(xià)电池级(jí)锂的碳足迹特征（图1）。研究发现，企业间原矿(yuánkuàng)品位、提锂技术水平和能源结构效率存在差异，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(cǎiyòng)纳(nà)滤膜法的企业案例最低(zuìdī)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(tuīdòng)新型盐湖提锂技术、提升能源效率和采用清洁(qīngjié)能源等举措，我国电池级锂的碳足迹有望降低17%~67%。在乐观情景下，2030年前我国所消费的电池级锂的行业(hángyè)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(de)电池级锂碳足迹。（a）盐湖提锂（b）锂辉石提锂（c）锂云母(yúnmǔ)提锂

石墨(shímò)(shímò)是重要的锂电池负极材料。其中，人造石墨由于微观结构更均匀和可控，在(zài)循环寿命、体积(tǐjī)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(míngxiǎn)优势，因此，人造石墨在我国负极材料出货量(chūhuòliàng)中占比超过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(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(zhèxiē)原料生产的石墨产品具有更高性能和更高碳(gāotàn)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(de)人造石墨工厂（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(jiāo)、针状焦、中温沥青、包覆沥青和石墨坩埚工厂，构建了基于实际生产数据、涵盖(hángài)全产业链多种原料的碳足迹数据库(shùjùkù)。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(gōngxù)及高碳原料的使用（图2）。以油系针状焦为(jiāowèi)原料并采用(cǎiyòng)碳化工序进一步(jìnyíbù)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(tōngguò)实施(shíshī)绿电替代和绿氢替代（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。

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

相关研究成果以“中国电池级(jí)锂(lǐ)盐的(de)碳(tàn)足迹(zújì)”（Carbon Footprint of Battery-Grade Lithium Chemicals in China）和“电池级人造石墨(shímò)的碳足迹与脱碳潜力”（Carbon Footprint and Decarbonization Potential of Battery-Grade Synthetic Graphite）为题，分别(fēnbié)在线发表于(yú)《ACS可持续化学(huàxué)与工程》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）。

两篇论文第一作者分别为清华大学环境学院2021级(jí)博士生刘敏和博士后(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吴烨、2022级博士生熊(xióng)翌灵，宁德时代的刘子瑜、潘学兴、林光亮(guāngliàng)，沙特阿美的丹尼(ní)尔·德卡斯特罗·戈麦斯(gēmàisī)（Daniel De Castro Gomez）、穆罕默德(mùhǎnmòdé)·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(guójiā)重点研发计划的支持。