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碳酸鋰和氫氧化鋰是制備鋰電池（包括三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池）正極材料的重要原材料。國際碳足跡數據庫和以往文獻所披露的碳酸鋰/氫氧化鋰生命周期清單（LCI）數據主要集中于傳統的鋰輝石路線和南美地區的鹽湖提鋰路線，并且企業樣本量較少。現有研究缺乏對我國特有的鋰云母路線的報道，也缺乏對我國新型鹽湖提鋰技術（如納濾膜法）的關注。

研究團隊收集了我國26家工廠的數據，覆蓋2023年我國80%碳酸鋰和28%氫氧化鋰的理論產能；基于研究團隊建立和整理的碳足跡背景數據，系統分析了鹽湖、鋰輝石、鋰云母三類生產路線下電池級鋰的碳足跡特征（圖1）。研究發現，企業間原礦品位、提鋰技術水平和能源結構效率存在差異，使得不同生產路線、不同企業間電池級鋰的碳足跡分布于6.3 t CO2e/t Li2CO3~36.8 t CO2e/t Li2CO3的巨大范圍內。基于企業產能平均的鹽湖鋰碳足跡為13.3 t CO2e/t Li2CO3（其中采用納濾膜法的企業案例最低可達6.3 t CO2e/t Li2CO3），鋰輝石鋰和鋰云母鋰的碳足跡分別為13.9 t CO2e/t Li2CO3和24.5 t CO2e/t Li2CO3。未來，通過推動新型鹽湖提鋰技術、提升能源效率和采用清潔能源等舉措，我國電池級鋰的碳足跡有望降低17%~67%。在樂觀情景下，2030年前我國所消費的電池級鋰的行業平均碳足跡可降至7.0 t CO2e/t Li2CO3~8.8 t CO2e/t Li2CO3。

圖1.中國分工廠的電池級鋰碳足跡。（a）鹽湖提鋰（b）鋰輝石提鋰（c）鋰云母提鋰

石墨是重要的鋰電池負極材料。其中，人造石墨由于微觀結構更均勻和可控，在循環壽命、體積膨脹率（反映安全性能）和倍率性能等指標上相對于天然石墨具備明顯優勢，因此，人造石墨在我國負極材料出貨量中占比超過80%。研究團隊調研結果顯示，不同企業、不同性能的人造石墨產品在工藝環節上存在著多種選擇。例如，原料中石油焦和油系針狀焦的混配比例、是否將石墨化工序外包、是否設置預炭化工序、是否設置炭化工序。在高性能電池需求的驅動下，人造石墨越多來越多地使用油系針狀焦和基于乙烯焦油生產的包覆瀝青，這些原料生產的石墨產品具有更高性能和更高碳足跡。因此，人造石墨生產工藝復雜性和原料多樣性給碳足跡精準評估帶來挑戰。

研究團隊調研了我國12家投產運營和22家規劃建設中的人造石墨工廠（覆蓋全球理論產能的1/3），同時調研了人造石墨產業鏈上的石油焦、針狀焦、中溫瀝青、包覆瀝青和石墨坩堝工廠，構建了基于實際生產數據、涵蓋全產業鏈多種原料的碳足跡數據庫。研究表明，當前我國人造石墨的平均碳足跡為9.0 t CO2e/t，主要源于高耗電的石墨化工序及高碳原料的使用（圖2）。以油系針狀焦為原料并采用碳化工序進一步提升性能的高端人造石墨產品，不同企業下的平均碳足跡為11.2 t CO2e/t。未來，通過實施綠電替代和綠氫替代（油系針狀焦生產過程使用），人造石墨的碳足跡最高可實現70%的減排潛力。

圖2.我國分工廠的電池級人造石墨碳足跡。（a）投產運營（b）擬建工廠

相關研究成果以“中國電池級鋰鹽的碳足跡”（Carbon Footprint of Battery-Grade Lithium Chemicals in China）和“電池級人造石墨的碳足跡與脫碳潛力”（Carbon Footprint and Decarbonization Potential of Battery-Grade Synthetic Graphite）為題，分別在線發表于《ACS可持續化學與工程》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）。

兩篇論文第一作者分別為清華大學環境學院2021級博士生劉敏和博士后王放，通訊作者分別為張少君，張少君和沙特阿美何鑫博士。論文其他作者包括清華大學環境學院教授吳燁、2022級博士生熊翌靈，寧德時代的劉子瑜、潘學興、林光亮，沙特阿美的丹尼爾·德卡斯特羅·戈麥斯（Daniel De Castro Gomez）、穆罕默德·阿爾莫尼（Mohammed A. Almoniee）和奧馬爾·烏爾塔多·佩雷斯（Omar Hurtado Perez）。研究得到國家重點研發計劃的支持。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.4c08394

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.5c00921