清華新聞網(wǎng)6月11日電（通訊員 王放）近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張少君副教授課題組在動(dòng)力電池關(guān)鍵材料碳足跡研究方面取得系列進(jìn)展。課題組聯(lián)合寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司和沙特阿拉伯國家石油公司（沙特阿美）的研究人員，系統(tǒng)調(diào)研了我國鋰電池關(guān)鍵材料——電池級(jí)鋰鹽（碳酸鋰和氫氧化鋰）與人造石墨的生產(chǎn)工藝、物料投入及能源消耗數(shù)據(jù)，分析了具有行業(yè)代表性的材料碳足跡特征，指出了采用國際主流碳足跡數(shù)據(jù)庫可能導(dǎo)致的偏差，并闡明了未來低碳路徑下材料碳足跡的削減潛力。該研究不僅為應(yīng)對(duì)包括《歐盟電池法案》在內(nèi)的電池碳足跡準(zhǔn)入要求提供了重要支撐，也為推動(dòng)鋰電材料產(chǎn)業(yè)鏈的綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了科學(xué)指導(dǎo)。
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(shù)據(jù)庫和以往文獻(xiàn)所披露的碳酸鋰/氫氧化鋰生命周期清單（LCI）數(shù)據(jù)主要集中于傳統(tǒng)的鋰輝石路線和南美地區(qū)的鹽湖提鋰路線，并且企業(yè)樣本量較少。現(xiàn)有研究缺乏對(duì)我國特有的鋰云母路線的報(bào)道，也缺乏對(duì)我國新型鹽湖提鋰技術(shù)（如納濾膜法）的關(guān)注。
研究團(tuán)隊(duì)收集了我國26家工廠的數(shù)據(jù)，覆蓋2023年我國80%碳酸鋰和28%氫氧化鋰的理論產(chǎn)能；基于研究團(tuán)隊(duì)建立和整理的碳足跡背景數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了鹽湖、鋰輝石、鋰云母三類生產(chǎn)路線下電池級(jí)鋰的碳足跡特征（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，企業(yè)間原礦品位、提鋰技術(shù)水平和能源結(jié)構(gòu)效率存在差異，使得不同生產(chǎn)路線、不同企業(yè)間電池級(jí)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(nèi)。基于企業(yè)產(chǎn)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(yè)案例最低可達(dá)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(dòng)新型鹽湖提鋰技術(shù)、提升能源效率和采用清潔能源等舉措，我國電池級(jí)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(fèi)的電池級(jí)鋰的行業(yè)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(jí)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(fù)極材料。其中，人造石墨由于微觀結(jié)構(gòu)更均勻和可控，在循環(huán)壽命、體積膨脹率（反映安全性能）和倍率性能等指標(biāo)上相對(duì)于天然石墨具備明顯優(yōu)勢，因此，人造石墨在我國負(fù)極材料出貨量中占比超過80%。研究團(tuán)隊(duì)調(diào)研結(jié)果顯示，不同企業(yè)、不同性能的人造石墨產(chǎn)品在工藝環(huán)節(jié)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(shè)置預(yù)炭化工序、是否設(shè)置炭化工序。在高性能電池需求的驅(qū)動(dòng)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(chǎn)的包覆瀝青，這些原料生產(chǎn)的石墨產(chǎn)品具有更高性能和更高碳足跡。因此，人造石墨生產(chǎn)工藝復(fù)雜性和原料多樣性給碳足跡精準(zhǔn)評(píng)估帶來挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊(duì)調(diào)研了我國12家投產(chǎn)運(yùn)營和22家規(guī)劃建設(shè)中的人造石墨工廠（覆蓋全球理論產(chǎn)能的1/3），同時(shí)調(diào)研了人造石墨產(chǎn)業(yè)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(gòu)建了基于實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)、涵蓋全產(chǎn)業(yè)鏈多種原料的碳足跡數(shù)據(jù)庫。研究表明，當(dāng)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(jìn)一步提升性能的高端人造石墨產(chǎn)品，不同企業(yè)下的平均碳足跡為11.2 t CO2e/t。未來，通過實(shí)施綠電替代和綠氫替代（油系針狀焦生產(chǎn)過程使用），人造石墨的碳足跡最高可實(shí)現(xiàn)70%的減排潛力。
圖2.我國分工廠的電池級(jí)人造石墨碳足跡。（a）投產(chǎn)運(yùn)營（b）擬建工廠
相關(guān)研究成果以“中國電池級(jí)鋰鹽的碳足跡”（Carbon Footprint of Battery-Grade Lithium Chemicals in China）和“電池級(jí)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(fā)表于《ACS可持續(xù)化學(xué)與工程》（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）。
兩篇論文第一作者分別為清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2021級(jí)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(xué)環(huán)境學(xué)院教授吳燁、2022級(jí)博士生熊翌靈，寧德時(shí)代的劉子瑜、潘學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)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
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
