《Journal of Cleaner Production》：Regionally differentiated sustainability trade-offs between primary and secondary resource production routes for LIB cathode materials in China
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中国正极材料可持续生产路径的时空差异与区域技术差异研究。通过开发具有技术区域差异化特征的Tech-Region模型，分析中国省份层面锂离子电池正极材料两种生产路线的时空演变规律。结果显示，次生资源路线虽仅占2022年总产量的6.3%，但其碳排放强度较原生路线低14%，到2060年将贡献22%以上产能，并推动全国平均碳减排强度达26.5%，环境负担下降42.5%。区域电力结构差异（如河北、宁夏）与技术部署（如广东2030年短期恶化）是影响关键因素。
郭明珠|张迪|孙杰|傅宇彤|李博宇|郭少华|曲申|赵赫
中国科学院过程工程研究所，国家绿色循环战略金属资源工程研究中心，北京，100190，中国
摘要
随着退役锂离子电池（LIBs）数量的增加和资源的稀缺，对阴极材料可持续供应链的需求日益凸显。然而，初级金属生产与废旧电池回收之间的可持续性权衡尚未得到充分研究。在此，我们开发了一个具有技术区域差异（Tech-Region）特征的模型，用于评估中国各省两种阴极材料生产路线的时空变化。结果表明，尽管二次资源生产路线目前仅贡献了中国LIBs阴极材料的6.3%，但其碳排放量比初级资源生产路线低14%，环境负担相对较小。到2060年，全国NCM811阴极材料的需求将增加近七倍，而二次资源生产路线的份额将上升至22%以上。尽管产量大幅增长，但由于电力脱碳和回收技术的扩展，全国平均碳排放强度在2060年下降了26.5%，环境影响强度下降了42.5%。电力脱碳显著降低了碳强度，而环境影响强度则更受二次生产路线普及程度的空间差异影响。高普及率地区（如河北、宁夏）的环境改善幅度超过50%。相比之下，由于全国阴极材料生产结构的变化，广东的环境表现将在2030年暂时恶化。蒙特卡洛模拟证实，在不确定性条件下，生产路线和地区之间的比较趋势仍然稳健。该模型为不同地区LIBs阴极材料生产的可持续性权衡提供了有效的预测方法，有助于新能源产业的可持续发展。
引言
新能源汽车（NEVs）产业是全球能源转型和交通电气化的关键（Wang等人，2023年）。作为NEVs的核心技术，锂离子电池（LIBs）有助于减少温室气体（GHG）排放和能源消耗（Lai等人，2022年）。然而，预计到2030年全球LIB需求将增加四倍（Tao等人，2021年），这引发了关于资源可用性和环境影响的担忧。
在电池组件中，阴极材料是影响电池性能、环境负担和成本的主要因素（Ciez和Whitacre，2019年）。它们的生产严重依赖锂、钴和锰等关键金属（Rajaeifar等人，2022年），这些金属的全球分布不均加剧了资源和地缘政治风险（Song等人，2019年）。同时，退役LIBs数量的增加为回收提供了机会，使得基于二次资源的生产路线成为传统初级资源生产的一种有前景的替代方案（Jiang等人，2022年）。目前，阴极材料主要通过两种途径生产：（1）初级资源生产路线，涉及能源密集型的采矿和精炼过程；（2）二次资源生产路线，基于火法和湿法工艺，从废旧LIBs中回收阴极材料（Dong等人，2024年）。尽管二次路线减少了原生材料的使用，但仍需要大量的能源和化学投入（Mossali等人，2020年），因此需要进行全面的可持续性评估。
许多生命周期评估（LCA）研究考察了LIB系统的环境影响（表S1），强调了LIB回收的环境效益。湿法再制造减少了能源使用和温室气体排放（Xiong等人，2020年）。金属副产品（如铝和铜的回收）有助于抵消初级生产的影响（Kallitsis等人，2022年）。其他研究也证实，回收通过回收碳酸锂和硫酸钴来减轻上游负担（Xu等人，2021年）。然而，大多数现有评估侧重于电池级别的比较，而非单独评估阴极材料。例如，Liu等人（2023年）评估了NCM、LFP和LCO阴极活性材料的湿法回收过程的环境影响。Tian等人（2024年）比较了不同回收工艺对报废LFP电池阴极材料的环境影响和经济成本。Du等人（2022年）发现，从废旧电池回收的NCM阴极材料的全球变暖潜能值（GWP）性能优于原生材料生产。然而，这些研究通常依赖于静态的国家级假设，如平均电力排放因子，没有考虑各省电力生成的显著差异。此外，它们往往孤立地评估特定技术，忽略了地区特定的生产特征。这些假设限制了捕捉电力结构和技术采用地区差异对阴极材料生产可持续性影响的能力。
作为全球最大的LIB生产国，中国各省在工业产能（He等人，2025年）、能源结构（Chen等人，2021年）和资源禀赋（Xiao等人，2025年）方面存在显著差异，这可能导致不同的环境结果。例如，依赖煤炭的内蒙古和山西等省份的碳排放通常高于水电资源丰富的四川等地。此外，地区间技术部署的差异也影响可持续性表现。一项关于中国废水行业的研究指出，不同地区处理技术部署的不均衡导致了较大的温室气体差异（Du等人，2023年）。同样，对于阴极材料生产而言，初级与二次生产路线的采用差异也可能影响可持续性表现。这些观察结果强调了需要进行考虑电力结构和技术部署的空间明确的可持续性评估。一些建模框架试图解决这些复杂性，将多区域投入-产出（MRIO）模型与基于过程的库存相结合，以捕捉区域间的贸易和排放再分配（例如，Lu和Chen，2025年；Zhang等人，2023年）。然而，它们通常依赖于静态的年度投入-产出表，限制了其对未来转型的评估能力。另一方面，扩散模型（如逻辑模型或Bass型模型）可以模拟技术采用的时间动态，但通常将技术视为同质的，忽略了环境性能的空间差异（Rietmann等人，2020年）。因此，现有方法很少提供一个统一的框架，同时联系省级电力条件和不断发展的技术部署与特定路线的可持续性结果。
为此，我们开发了一个具有技术区域差异（Tech-Region）特征的多维模型，该模型整合了时间演化、区域异质性、技术部署和能源转型。该模型评估了中国初级和二次资源生产路线之间阴极材料的可持续性权衡。具体而言，本研究旨在：（1）使用生命周期方法量化阴极材料生产的碳排放和环境影响；（2）揭示在中国不断变化的能源和技术路径下，各省碳排放和环境影响的时空变化；（3）探讨驱动中国各省碳排放和环境性能时空变化的根本因素。这有助于进行更准确、更局部的评估，并支持基于情景的工业规划，为中国绿色电池转型提供有针对性的工业规划和政策干预。
模型框架概述
建模框架概述
为了评估中国各地锂离子电池阴极材料初级和二次生产路线之间的时空可持续性，我们开发了一个具有技术区域差异（Tech-Region）特征的模型（图1）。该框架将省级电力结构转型和技术部署联系在一个统一的分析工作流中。该模型包含两个核心要素。要素I量化了特定于省份的可持续性指标，包括碳排放等
中国锂离子电池阴极材料生产路线的可持续性评估
了解全国范围内的阴极材料生产结构和可持续性表现对于指导中国的低碳转型至关重要。2022年，总产量达到656,000吨，其中高镍阴极材料占比44.7%。同时，全国仅有215,000吨废旧三元电池被回收（电池回收产业研究部，2023年）。阴极材料的生产主要依赖于初级资源
在Tech-Region框架下对初级和二次阴极材料生产路线的可持续性分析
在中国，阴极材料主要通过初级资源生产，而基于回收的阴极材料在2022年仅贡献了6.3%。这种不平衡引发了资源安全和环境负担的担忧。同时，初级和二次生产路线之间的空间和时间可持续性权衡尚未得到充分研究。电力构成、资源禀赋和工业布局的地区差异导致了碳排放的显著变化
结论
本研究提出了一个具有技术区域差异（Tech-Region）特征的多维模型框架，该框架整合了时间演化、区域异质性、技术部署和能源转型，以评估中国初级和二次资源生产路线之间的可持续性权衡。研究结果表明，阴极材料生产严重依赖初级资源生产路线，2022年其占比达到93.7%
CRediT作者贡献声明
郭明珠：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析、数据整理。张迪：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。孙杰：调查、数据整理。傅宇彤：数据整理。李博宇：软件支持。郭少华：调查。曲申：撰写——审稿与编辑、资金获取。赵赫：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
我们衷心感谢中国科学院战略性优先研究计划（资助编号：XDA 0390202）、中国科学院第十四个五年信息化计划，科学数据中心系统建设（资助编号：WX145XQ07-12）以及国家自然科学基金（编号：52425005和52370189）的资助。
