中国动力锂离子邱健蓄电池原材料的临界性评估与材料流动分析：迈向可持续供应与回收
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邱健蓄电池 发布时间：2026-08-11 22:54:18 点击： 次
为了确保动力锂离子电池（PLIB）行业的可持续发展，评估原材料（RM）和阴极材料的关键性至关重要，因为这能评估它们在供应中断期间的环境和经济影响。该工作利用动态材料流动分析和改进的临界矩阵，评估RM和阴极材料在不同场景下的临界性。结果显示，2015年至2022年间，Li、Ni、Co和Mn资源的需求显著增长，而所有材料的累计回收量仍保持较小。当改进用过的PLIB收集框架时，2040年RM的回收量可满足约60%的相应需求。建立健全的废弃物管理体系并提升资源效率，可以最大限度地降低三元材料的致命性。本研究强调了加强回收框架和战略规划的必要性，以确保关键材料的可持续供应。
简介
由于新技术的加速普及和国家经济快速发展，对清洁生产的需求日益紧迫（Rath 等，2021）。材料的总需求以及高科技生产中所用元素的多样性，在很大程度上使工业矿产和金属成为了关注焦点。
根据国际能源署（IEA）的数据，2022年全球电动汽车（EV）销量超过1000万辆，今年这一数字将再增长35%，达到1400万辆（IEA，2023年）。新能源车行业的快速发展加速了消费电子产品中锂离子电池的需求。其中，作为储能和电动汽车的核心组件和能源来源，动力锂离子电池（PLIB）展现出持续且快速的市场增长。预计中国相当比例的PLIB将从2021年起逐步进入退役阶段（Chen 等，2019），如果不采取有效措施，这些用过的电池不仅对生态系统和人类健康构成危害。这无疑也是对依赖特定RMs的PLIBs的资源浪费（Iturrondobeitia等，2022）。因此，PLIB供应链中许多重要资源的安全性和可持续性引起了全球关注（Du等，2022）。目前全球铁、铝和锂的储量丰富，而镍、铵和锰储量则较不安全，中国这些矿产资源的储量仅占全球储量的不到10%（见S1）（USGS，2023）。此外，初级矿石的采矿成本和环境负担可能对全球供应造成压力和不确定性，因为可能出现RM供应短缺、价格波动，或导致主要供应商经济或政治不稳定（Gu等，2017;Baars 等，2021）。政府和学术界开始研究PLIBs资源供应中断的影响和可能性，加强了预测供应链瓶颈和关键资源识别的努力。
鉴于战略金属和矿产资源等资源管理资产具有“重要性”与“稀缺性”双重属性，全球各国政府和研究人员已建立了多种临界性评估方法，以支持政策制定者为稳健工业系统顶级设计提供参考（Yan等，2021）。表S1列出了评估限制值关键性的常用方法，以及目的、主要特征和评估结果。其中，欧盟（EU）临界性矩阵应用最为广泛（Tyagi等，2023），每四年会发布一份关键原材料清单。矩阵中的坐标（经济重要性（EI）和供应风险（SR））通过带有定量指标的方程计算得出。Graedel 等人（2012）提出了另一种最广泛使用的临界性方法，进一步将环境影响（EIM）引入评估矩阵（见图 S2）。尽管稀缺资源的潜在供应风险和经济重要性在国家和地区层面已被广泛讨论（Helbig 等，2018;Baars 等，2021;Sun 等，2021;Carrara等，2023），针对针对特定生产和回收工艺的临界性评估工作甚少。美国（Bauer 等，2010;Graedel 等，2012），欧盟（EC，2010），日本（Hatayama 和 Tahara，2015;Nansai 等，2015），以及其他发达国家（Angerer 等，2009;李，2014年;Roelich等人，2014年）将关键资源纳入国家发展战略，旨在降低资源依赖和供应中断的风险。然而，这些努力的成功实施仅适用于国家能源战略的发展。然而，许多先前研究中使用的环境影响参数并未直接适用于中国的生产和回收过程。
此外，现有锂离子电池的临界性评估主要侧重于金属矿产产品的均质化评估，简化了生产过程的材料流动，且缺乏对阴极材料的全面评估（Helbig 等，2018;Wang 等，2018;Yan 等，2020;Bongartz 等，2021;Berr 等，2023）。三元（NCM）阴极和磷酸铁锂（LFP）正极是全球电池产业的核心材料，但随着中国全面电气化的推进，高能三元正极必然将引领未来新能源市场。与此同时，这也引发了三元材料资源消耗可能对环境施加更大压力的可能性，尤其是在资源稀缺和环境压力方面（Liu等，2022）。然而，电池临界性量化、整合RM替代和金属循环性对降低临界性的影响，未能充分探讨PLIBs行业的可持续性。
许多先前的研究利用物料流动分析（MFA）来考察PLIBs或相关材料系统，以评估资源安全、生命周期末期管理的基础设施需求、环境影响，以及关键资源回收量满足未来需求（即循环性）的潜力（Dunn等，2021;毛等，2022）。然而，关于其他重要因素，如生产和炼制材料的社会和环境影响，研究较少。在研究过程中，特别是Li等人（Ziemann等，2012年;Pehlken 等，2017;Olivetti 等，2017）。由于PLIBs的生产涉及多种稀有和贵金属，开发动态的临界性评估模型，考虑材料流动，不仅鼓励回收，也确保RM的安全性和可持续性。本研究基于欧盟委员会（EC，2020年）发布的临界性评估，加入循环系数及其他物料流动参数，以及中国等重化工业国家关注的环境影响。我们的目标是探索中国PLIB供应链中RMs的物料流动和关键性。考虑未来PLIB及其RMs在电池生产、收集和回收情景下的资源、经济和环境安全发展。希望为工业生产过程中关键材料的替代、回收策略的提升以及促进清洁生产提供参考。本研究旨在回答以下问题：
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中国PLIBs的供需趋势和循环性如何？这对供应链整体可持续性有何影响？
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市场驱动的地缘政治冲突和技术进步如何影响不同阴极材料的动态临界性？
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评估结果如何帮助中国PLIBs行业的各方利益相关者？
