《Energy》：Prospective environmental and resource sustainability assessment of advanced matching technologies for sodium-ion and lithium-ion batteries
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钠离子电池（SIBs）和锂离子电池（LIBs）的环境影响及供应链风险被基于生命周期评估（LCA）进行比较，提出混合化学系统优化方案。铁基SIBs与少量高镍LIBs混合（25%配比）可实现性能与可持续性平衡，综合评分低于0.5。研究为政策制定和电池技术选型提供决策支持。
陈全伟|朱志成|赖鑫|陈俊杰|张文天|李宁|黄云峰|郑月玖|宋小龙|韩学兵|欧阳明高
上海工程技术大学智能制造与控制工程学院，中国上海201209
摘要
目前关于电池的生命周期评估（LCA）研究主要集中在单一化学体系或单一维度上，对于结合了下一代电池的混合化学体系的资源与环境可持续性影响考虑较少。本研究基于LCA定量比较了9种单一化学体系和12种混合化学体系电池的环境影响和供应风险。研究了随着匹配比例变化，混合体系在环境和资源性能上的模式，并提出了一种综合评估电池环境-资源可持续性的方法。结果表明，钠离子电池（SIBs）（不含钒基电池）避免了使用镍和钴，这两种金属稀缺且供应风险较高。与锂离子电池（LIBs）相比，SIBs的环境影响更低，供应风险可降低70%以上。混合化学体系的环境影响和供应风险主要由匹配比例的调控以及特定化学组合的选择决定。通过控制LIBs的比例并采用低风险的SIBs，可以最小化资源和环境的负担。基于铁的SIBs在资源-环境性能上表现最佳。将它们与少量（例如25%）高镍LIBs结合使用的混合体系可以在保持较低综合得分（<0.5）的同时提高能量密度。这代表了平衡性能和可持续性的理想策略。本研究为政策制定者和行业提供了优化当前和未来电池生产以及确定最佳电池匹配技术的宝贵见解，对构建更具韧性和可持续性的供应链具有重要意义。
引言
全球气候变化危机迫切要求向低碳能源结构转型，而交通运输电气化已成为实现碳中和目标的核心途径[1,2]。作为减排的关键手段，2023年全球电动汽车（EVs）销量达到1400万辆，预计到2030年这一数字将增至2.3亿辆[2]。由于锂离子电池（LIBs）具有成熟的工业基础、高能量密度和长循环寿命，长期以来一直主导着电动汽车动力电池市场。预计到2030年，全球对LIBs的需求将达到1525 GWh[3,4]。然而，LIBs面临与关键金属资源相关的供应风险和生产过程中的显著环境影响等挑战。因此，提供更高经济效率和资源供应安全性的钠离子电池（SIBs）已成为下一代电池的研究焦点[5]。钠是地壳中第六大丰富的元素，其储量是锂的1000倍。此外，SIBs避免了使用大量稀缺且昂贵的金属，从而在资源和成本上具有显著优势[6]。不过，SIBs也存在能量密度较低和循环寿命较短等性能劣势。
为了平衡性能与资源-环境影响，提出了结合SIBs和LIBs的混合体系[7]。该体系结合了LIBs的高能量密度以及SIBs的低成本、优异的低温性能和高安全性等优点[8]。尽管在能量密度上有所妥协，但其在恶劣环境中的可靠性、快速能量补充能力和成本优势使其成为极具竞争力的“全能型”电池[9]。当前的研究探讨了混合化学体系电池的电性能和热性能。在LiFePO4（LFP）和LiCoxNiyMn1-x-yO2（NCM）的混合体系中，使用NCM作为“基准”可以将LFP的充电状态（SOC）估计误差控制在2%以内[10]。同时，通过调整平衡算法，即使不同化学成分的电池老化速度不同，也能保持一致的输出特性[11]。此外，增加混合体系中LFP的比例是防止热失控及其扩散的有效方法[12]。SIBs与NCM的良好组合还表现出优异的热安全性，能够延缓热扩散并降低峰值温度[9]。尽管当前在混合电池系统的系统控制和安全性优化方面取得了积极进展，但对其环境性能和资源供应风险的系统定量评估仍尚缺。
单一化学体系电池的环境影响评估已得到广泛研究，涵盖了电池生产、使用、梯级利用和回收的整个生命周期过程[13,14]。NCM电池的生产环境影响主要集中在正极材料上，镍、钴和锰对人类健康危害的贡献超过62%[15]。使用过程中的环境影响主要通过电力生成间接产生。与新电池相比，梯级利用可以减少30.3%的温室气体排放[3,16]。电池回收的环境影响与回收方法密切相关，直接回收方法相比湿法冶金可减少超过30%的环境负担[17]。针对不同SIBs的生命周期评估（LCA）研究表明，它们的环境影响显著低于LIBs。预计到2050年，SIBs的气候影响将减少43%-57%[18,19]。由于能量密度较低和正极合成影响较大，基于钒的SIBs的影响类别高于普鲁士白型SIBs[8]。与LIBs相比，基于铁和锰的SIBs对非生物资源消耗潜力和人类毒性的影响可减少60%以上，因为它们对关键金属资源的需求较低[20]。当前研究主要集中在评估单一化学体系电池的环境性能上，对混合化学体系电池（如SIBs）的LCA考虑较少。
除了环境属性外，SIBs和LIBs还具有资源相关特性。全球50%以上的锂、钴和镍加工能力集中在中国，这给NCM电池的供应带来了额外风险[21]。相比之下，LFP电池由于不含关键金属元素，具有更强的供应链韧性[22]。当前关于资源供应风险的研究主要集中在LIBs上。然而，作为最具前景的下一代电池类型之一，SIBs的资源风险尚未得到有效评估。此外，现有文献通常分别研究电池的环境性能和物质流分析[15,21]，缺乏对环境影响和资源供应风险的综合评估。这一差距使得为优化当前电池生产和确保未来电池技术的可持续发展提供有效指导变得困难。
以往的研究主要集中在单一化学体系电池和单一维度评估上，对下一代电池发展的资源和环境影响考虑不足。这一限制阻碍了在交通和能源领域实现低碳转型的有效指导。本研究调查了九种单一化学体系和十二种混合化学体系（SIBs/LIBs）电池，定量评估了当前和未来电池化学体系的资源和环境性能。这对政策制定者和行业根据不同风险维度选择最佳电池技术组合以及构建更具韧性的供应链具有重要意义。本研究的主要贡献如下：
●识别了单一化学体系电池（涵盖主流NCM、LFP和各种SIBs）的环境和资源热点。这为设计低环境负担和低资源风险的电池提供了有针对性的见解，并有助于从源头上优化生产过程。
●揭示了SIBs/LIBs混合化学体系的环境影响和供应风险随匹配比例变化的模式，推动了多化学体系电池配置的创新。这为实现平衡性能和可持续性的电池设计提供了理论支持和数据基础。
●提出了一种评估不同电池化学体系环境和资源可持续性的综合评估方法。这为政府、汽车制造商和电池生产商制定环境政策和资源管理措施提供了科学依据和决策支持。
本研究的其余部分结构如下。第2节分析了不同的电池技术、生命周期评估过程和评估方法。第3节定量比较了SIBs和LIBs在单一和混合体系中的环境影响和供应风险，全面评估了不同化学体系电池的资源和环境性能。最后，第4节总结了研究结果。
部分摘录
锂离子电池
当前电动汽车市场中的商用动力电池主要是LFP和NCM电池，它们的区别体现在正极材料的选择上。LFP正极材料是一种具有橄榄石结构的晶体物质，这是LFP高安全性和长循环寿命的基础。LFP电池的能量密度相对较低（约140 Wh/kg），标称电压约为3.2 V[23]。由于地壳中铁和磷的储量极其丰富
单一化学体系的环境影响
图2(a)展示了不同化学体系的SIBs和LIBs的环境影响。SIBs在多种环境指标上的表现差异明显。SIBs在SOD、MEU和LU方面的影响显著更高，而LIBs在FEU、TEC、FEC、MEC和HNT方面的贡献更大。LFP电池在大多数类别中的环境影响低于NCM电池。特别是在IR、MRS和WC方面，LFP分别低73.6%、71.3%和76.6%
结论
本研究使用LCA定量评估了九种单一化学体系（SIBs和LIBs）和十二种混合化学体系电池的环境影响和供应风险。提出了一种综合评估电池资源和环境性能的框架，识别了SIBs和LIBs生产过程中的环境和资源热点。SIBs/LIBs混合体系的环境影响和供应风险模式随
CRediT作者贡献声明
陈全伟：撰写——原始草案、软件、方法论、调查、数据管理、概念化。朱志成：调查、概念化。赖鑫：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。陈俊杰：调查、正式分析、数据管理。张文天：数据管理。李宁：概念化。黄云峰：可视化。郑月玖：资金获取、概念化。宋小龙：方法论、资金
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52277223、52577238、52277222和42471331）、上海工程技术大学科学研究基金（EGD25QD03）、上海浦江计划（23PJD062）以及上海科技发展基金（22ZR1444500）的支持。
