天然的、合成的还是回收的？对电池级石墨生产的生命周期和技术经济分析

《Journal of Environmental Management》：Natural, synthetic, or recycled? A life cycle and techno-economic analysis of battery-grade graphite production

石墨生产三种来源的环境经济分析表明回收石墨具有最低全球变暖潜力和最高经济效益，其GWP较天然和合成石墨降低70%，NPV达1.27亿美元，投资回收期仅0.5年。

　　在当前全球对锂离子电池（LIBs）需求不断上升的背景下，石墨作为LIBs的核心负极材料，其生产和获取方式正受到越来越多的关注。随着新能源产业的快速发展，尤其是电动汽车的普及，石墨的需求预计将在未来十年内显著增长。根据现有数据，石墨在LIBs中的占比约为15%-20%重量，而一辆完全电动车辆大约含有50千克的石墨。因此，如何实现石墨生产的可持续性，成为全球能源和环境研究的重要课题。为了满足这一需求，研究者们正在探索不同来源的石墨生产方式，包括天然石墨、合成石墨和回收石墨。

天然石墨通常是从地质沉积物中通过采矿活动获取的，这种获取方式虽然具有一定的资源基础，但往往伴随着较高的环境影响。例如，采矿过程中可能会对当地生态系统造成破坏，并且需要大量的能源和水资源进行开采和加工。此外，天然石墨的生产依赖于进口，尤其是在美国，2021年该国未生产任何天然石墨，全部需求均需通过进口满足。相比之下，合成石墨的生产过程更加可控，但通常需要较高的能源消耗和成本，因为其制造过程涉及高温处理，如石油焦或煤的高温石墨化。这种高能耗的生产方式使得合成石墨的经济性和环境友好性受到一定限制。

回收石墨则是一种相对较新的生产方式，它通过从废旧LIBs中提取石墨，不仅减少了对新资源的依赖，还降低了生产过程中的环境影响。回收石墨的获取通常包括火法冶金、湿法冶金和机械处理等步骤。这些步骤能够有效回收石墨，并且在某些情况下还能提取其他有价值的金属，如钴、镍等，从而增加回收的经济收益。在本研究中，回收石墨的环境影响被量化为全球变暖潜值（GWP）降低了约70%，这表明其在减少碳足迹和实现可持续发展方面具有显著优势。

从经济角度来看，回收石墨的生产成本相对较低，尤其是在考虑其附加收益的情况下。例如，回收过程中产生的混合金属浸出液可以作为另一种产品出售，从而提高整体的盈利能力。研究显示，回收石墨的净现值（NPV）达到了1.276亿美元，投资回收期仅为0.5年，而投资回报率（ROROI）高达223.8%。这些数据表明，回收石墨不仅在环境方面表现优异，而且在经济上也更具竞争力。

本研究采用生命周期评估（LCA）和技术创新经济分析（TEA）的方法，对天然、合成和回收石墨的生产过程进行了全面比较。LCA的结果表明，能量和消耗品是主要的环境影响因素，而TEA的结果则显示，所有生产路线均具有正现金流，但回收路线的经济回报最高。通过结合这两种分析方法，研究不仅揭示了不同生产方式的环境影响和经济成本，还为未来的投资决策提供了依据。

此外，本研究还对LCA和TEA的方法进行了改进，采用了一个标准的功能单元（functional unit）进行比较，这使得研究结果更具可比性和实用性。研究还强调了对库存数据和假设条件进行敏感性分析的重要性，以确保结果的准确性和可靠性。通过对能量和消耗品的变化进行分析，研究发现能量是影响环境影响的最关键因素，而合成石墨对能量变化的反应最为敏感。

在政策和工业层面，本研究的发现具有重要的指导意义。回收石墨的推广不仅有助于减少对新资源的依赖，还能有效降低整个供应链的环境影响。同时，回收石墨的高经济回报也表明，它在实现可持续发展目标方面具有显著潜力。因此，政策制定者和行业参与者应重视回收石墨的开发和应用，以推动新能源产业的绿色转型。

综上所述，本研究通过对不同来源石墨生产的生命周期评估和技术创新经济分析，揭示了回收石墨在环境和经济方面的双重优势。回收石墨的低环境影响和高经济回报，使其成为未来石墨生产的重要方向。随着全球对可持续发展的重视，回收石墨的生产技术将不断完善，从而为新能源产业的绿色发展提供有力支持。