锂离子电池（LIBs）在电动汽车（EV）和可再生能源存储中的应用被视为将全球能源和交通系统转变为低碳系统的解决方案[1]、[2]。LIBs是全球实现气候目标的关键[3]。预计到2050年，对LIBs的需求将呈指数级增长[3]、[4]。虽然LIBs通过减少交通运输排放带来了积极影响，但其指数级需求可能会在整个生命周期（从原材料开采到最终处置）加剧环境影响和资源风险[5]、[6]、[7]。LIBs的生产过程对矿产资源（其中一些为关键资源）、化学品和能源的需求很高[8]、[9]，从而导致污染物（如全氟和多氟烷基物质（PFAS）[10]、温室气体、氯氟烃、磷酸盐、氮氧化物、颗粒物和二氧化硫）的直接和间接排放。这些污染物可能破坏地球系统平衡并导致地球边界（PB）的突破[7]。然而，LIBs生产对地球边界的具体贡献程度仍不明确[7]、[11]。鉴于LIBs的重要性和应用速度，评估其生产对地球边界的影响迫在眉睫[12]。
地球边界框架定义了“安全操作空间”（Safe Operating Space, SOS），在此范围内所有人类活动都不会破坏九个关键的地球系统过程[13]、[14]。目前已有六个地球边界已被突破，分别是气候变化、生物圈完整性、土地系统变化、生物地球化学流动（氮和磷）、淡水使用以及新出现的环境问题[15]。为了避免对全球地球系统造成不可逆转的后果，必须在生产和消费过程中进行根本性变革，尤其是在能源和交通等污染最严重的行业[14]、[16]、[17]、[18]。为了将工业系统维持在地球边界范围内，需要利用基于地球边界的可持续性评估来了解技术和行业对地球支持系统的影响[19]。分析运输和能源领域政策实施后果时，应采用生命周期评估方法，并考虑绝对环境限制，例如地球边界框架中规定的全球环境限制[20]。
生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）是一种评估产品和服务从原材料开采到寿命终结阶段环境影响的方法和工具[21]。LCA在LIBs供应链中至关重要，因为它有助于评估当前的环境影响并指导减排策略，从而提高可持续性[22]。LCA结果通常用于比较不同方案的相对表现，但这些结果本身并不能说明低排放的产品系统是否真正可持续[23]。为此，需要将LCA结果与可持续性基准（如地球边界框架）进行对比[24]。将LCA结果与既定的环境预算（例如全球SOS的分配份额）进行比较，可以得出绝对环境可持续性评估（AESA）[25]。基于地球边界的生命周期评估（PB-LCA）是一种新兴的AESA方法，它考虑了地球系统的生物物理限制（或承载能力）来评估系统/产品的可持续性[26]、[27]。PB-LCA以地球边界框架为参考，比较产品、服务和工业部门的环境负担与其分配的SOS份额[27]、[28]。如果产品系统的量化影响（以不同地球边界的指标表示）低于其分配的SOS份额，则可认为该系统是可持续的；否则则不可持续[20]、[29]。
基于PB-LCA的AESA已应用于多个领域，如能源系统[30]、食品[31]、废物管理系统[32]等[19]。尽管已经广泛开展了LIBs生命周期环境影响的相对评估[9]、[22]、[33]、[34]，但考虑LIBs对地球承载能力直接影响及其在电动汽车中应用的AESA仍较为有限[12]。目前仅有五项研究涵盖了有限的地球边界影响类别、国家和LIBs化学成分[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。有研究评估了法国电动汽车队队的可持续性是否符合气候变化地球边界，发现其已超出分配的SOS份额[36]。另有研究评估了德国乘用车的可持续性是否符合气候变化地球边界，发现2022年、2025年和2030年德国乘用车也超过了其SOS份额[35]。还提出了一种基于电动汽车电池生产和德国实际情况的逐步方法来确定产品层面的绝对环境可持续性目标[37]。研究发现，镍锰钴氧化物（NMC）811电池的生产目标为每千瓦时9.7千克二氧化碳当量（CO2-eq）。另一项研究基于德国实际情况，为NMC811电池提出了一个绝对生产目标，即寿命为10至15年的电池的二氧化碳当量为27.25千克/千瓦时[38]。Kumar等人[39]提出了一种适用于产品/技术层面的逐步AESA方法。该方法比较了两种电池（NMC622和钠离子电池（NaNMC111）在开发初期的表现，结果显示这两种电池在所有影响类别（气候变化、酸化、人类毒性、非生物耗竭）中均超过了其分配的SOS份额，但臭氧耗竭方面除外，这表明由于缺乏工业规模的详细数据，下一代电池的性能存在较大不确定性。
AESA研究的一个显著特点是将其分配给研究对象的产品系统的地球承载能力份额（即地球边界框架中的SOS）[40]。这种分配基于分配正义理论的伦理规范，如平等主义（Egalitarian）、不平等主义（Inegalitarian）和功利主义（Utilitarian）视角[25]、[29]。为了实施这些规范，可以应用不同的共享原则（也称为分配原则），例如平等主义视角下的“人均平等”（EPC）、不平等主义视角下的“历史排放量”（Grandfathering, GF）以及功利主义视角下的“福利”[25]。在LIBs的研究中，先前的AESA研究[35]、[36]、[37]、[38]、[39]应用了不同的伦理规范（平等主义、不平等主义和功利主义）组合、共享原则（EPC、GF和福利）和指标来分配SOS。三项研究[35]、[37]、[38]结合了基于人口的数量标准和基于运输行业历史排放量的GF标准。另一项研究[36]综合考虑了基于人口的数量标准、基于运输行业历史排放量的GF标准以及基于消费者支出和电池成本的福利标准。总体而言，现有的LIBs相关AESA研究结合了基于人口的数量标准和基于运输行业历史排放量的GF标准，或基于不同经济价值的福利标准。这些研究使用了不同的指标和共享原则来实施分配，但尚未就哪些共享原则和指标最适合电池行业达成共识。
因此，关于LIBs对地球边界影响的知识仍存在显著空白，主要问题包括：i) 缺乏评估所有地球边界影响类别的研究；ii) 缺乏对全球及各国电动汽车供应情况的评估，以及对中国、欧盟27国（EU-27）和美国这三个最大消费国的比较；iii> 缺乏对关键市场中LIBs消费未来影响的评估，以预测潜在的违规行为和挑战。尽管由于气候紧急情况，全球普遍关注气候变化地球边界，但考虑到其他地球边界也已受到突破[41]，因此迫切需要评估其他地球边界的影响。为了避免负担转移和意外后果[42]，必须考虑其他环境挑战，因为LIBs生产会释放有毒污染物，并消耗导致空气污染、矿物和水资源枯竭、酸化以及毒性等多种环境问题的材料和能源资源[7]、[33]、[43]、[44]。
本研究旨在通过基于地球边界的生命周期评估（PB-LCA）来评估LIBs生产以满足中国、欧盟27国和美国电动汽车需求的绝对环境可持续性。利用2023年和2030年的合并和预测销售数据，评估了八个地球边界中的十个影响类别，旨在详细分析产生的影响、主要排放流及其对LIBs生产绝对环境可持续性的贡献。以下研究问题（RQ）指导了本研究：
RQ1: LIBs的生产对每个地球边界影响类别有何影响？
RQ2: 每个地球边界的影响热点是什么？
RQ3: LIBs生产对每个消费市场的电动汽车每年产生哪些影响，以及每个地球边界的影响是什么？
RQ4: 消费模式如何影响对地球边界的影响？
本研究的贡献在于：首先，它首次量化了LIBs供应三大全球电动汽车市场的绝对环境可持续性表现。其次，它揭示了LIBs生产在全球地球边界预算中的作用。此外，研究还详细分析了影响LIBs生命周期中地球边界的主要驱动因素，帮助决策者了解主要风险和问题的来源，并确定最需要重点关注的领域，同时考虑了生物物理和社会经济方面。最后，所采用的方法论可以为未来LIBs行业的AESA研究提供基础。
