《Journal of Cleaner Production》：Power play: A multi-criteria analysis of present and future battery technologies
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对12种当前和未来电池技术的碳足迹、成本和关键性进行整体分析。研究人员发现，钠离子电池的材料关键性比锂离子电池降低约95%。锂硫电池在当前设计下的碳足迹和材料成本是锂离子电池的3倍。固态电池的比能量超过锂离子电池，但依赖于关键且昂贵的材料输入。提高比能量缩小了
对12种当前和未来电池技术的碳足迹、成本和关键性进行整体分析。研究人员发现，钠离子电池的材料关键性比锂离子电池降低约95%。锂硫电池在当前设计下的碳足迹和材料成本是锂离子电池的3倍。固态电池的比能量超过锂离子电池，但依赖于关键且昂贵的材料输入。提高比能量缩小了后锂离子技术之间的可持续性差距。
随着电动汽车和电网储能的快速发展，电池需求预计将以26%的年复合增长率增长至2030年。锂离子电池（LIBs）凭借技术成熟度和性能主导市场，但资源可用性、环境影响、高比能量需求以及易燃液体电解质等问题推动了对替代技术的探索。后锂离子电池（PLIBs）因使用更丰富的材料并可能提供比能量优势而受到关注，但实现规模化效益需评估环境、经济和供应链约束。现有研究多单独采用生命周期评估（LCA）或关键性评估，缺乏整合环境、供应链关键性和材料成本的多准则框架。本研究针对这一空白，对12种当前和新兴电池化学体系进行多准则评估，涵盖碳足迹、材料关键性、原材料成本、比能量和能量密度，旨在了解可持续性-性能权衡，为下一代电池技术发展提供指导。该论文发表在《Journal of Cleaner Production》。
研究人员为开展研究主要采用了以下关键技术方法：生命周期评估（LCA）用于计算从摇篮到大门（cradle-to-gate）的碳足迹（全球变暖潜值GWP，100年时间尺度），功能单位为1 kWh电池单元生产；ESSENZ方法用于评估原材料的社会经济供应风险，采用11项指标计算特征化因子（CFs）；成本分析基于原材料市场价格与物料需求估算；多准则技术分析通过蜘蛛网图对GWP、关键性、成本、比能量和能量密度进行归一化比较。所有数据来源于Ecoinvent 3.10、工业市场报告及文献，未涉及样本队列。
研究结果如下：
3.1 后锂离子电池的碳足迹：通过LCA计算，PLIBs当前平均生产碳排放比LIBs高约114%。其中，钠离子电池（SIBs）增幅最小（+52%），而锂硫电池（LSBs）增幅最大（+217%）。SIBs中，普鲁士白阴极的GWP低于层状氧化物阴极，阳极前驱体选择（甜菜硬碳vs石油焦）影响显著。LSBs的高排放主要源于过量电解质（如LiTFSI）和锂金属阳极。固态电池（SSBs）中，硫化物型（SSB-Sulfidic-LFP）因能量密集型工艺（干室处理）和LFP阴极导致GWP高于氧化物型（SSB-Oxide-NMC900）。
3.2 后锂离子电池的关键性：通过ESSENZ方法评估，SIBs的关键性比LIBs低约95%，主要使用钠、碳、锰、铝等低关键性元素。而SSBs和LSBs因锂金属阳极使锂需求增加4倍，关键性平均比LIBs高22%。LSB-GSC因高比能量和低材料需求，关键性低于所有LIBs。LIBs中，钴和镍是主要热点，NCA和NMC811的关键性比LFP高46%和19%。
3.3 材料成本：原材料成本分析显示，仅SIBs的成本低于高镍LIBs（NMC811和NCA）。SSBs和LSBs因锂金属箔和特种化学品（如Li2S售价857 $/kg）导致成本平均比LIBs高50%以上。SIBs中，普鲁士白成本最低，主要开支来自铝箔和铜箔。LSB-CMK-3因大量使用三甲基氯硅烷（约10 kg/kWh）而成本高企。
讨论部分总结了碳足迹、关键性和成本之间的权衡：SIBs在可持续性和成本上表现优异，但比能量和能量密度低；SSBs通过锂金属阳极提升比能量，但增加了关键性和成本；LSBs中高硫含量设计（如LSB-GSC）可提升比能量，但GWP仍高。敏感性分析表明，将比能量提升至理论值（如LSB-CMK-3从198 Wh/kg升至660 Wh/kg）可显著缩小PLIBs与LIBs之间的可持续性差距，但依赖锂金属的电池在材料成本上仍处于劣势。研究局限性包括生产阶段分析、实验室规模数据、未考虑寿命和回收等。
研究结论部分翻译如下：本研究展示了对后锂离子电池技术的多准则评估，与主流锂离子电池化学体系在碳足迹、材料关键性、原材料成本、比能量和能量密度维度上进行基准比较。研究结果表明，尽管PLIBs在改善特定可持续性指标方面提供明确机会，但它们也引入了新的挑战和权衡，特别是与材料依赖性和供应链成熟度相关。PLIBs目前平均生产碳排放比LIBs高114%。在PLIBs中，SIBs的碳足迹增幅最小（+52%），而LSBs增幅最大（+217%），主要由于锂金属和电解质生产的碳强度。开发下一代电池系统的关键动机是减少对关键矿物（锂、镍、钴）的依赖，但研究发现目前仅SIBs能将材料关键性降低95%（与LIBs相比）。对于固态和锂硫体系，每kWh的锂需求可高达4倍，放大了材料关键性和原材料成本。此外，LSBs的电解质密集型设计和对特种化学品（如硫化物SSBs中的硫化锂）的依赖加剧了PLIBs的材料成本。SSBs和LSBs目前材料成本比LIBs平均高50%以上。SIBs在当前水平具有竞争力，但以降低比能量和能量密度为代价。在所有评估的化学体系中，低比能量的LSBs表现最差，导致最高GWP、高关键性和第二高材料成本。对于此类化学体系，若比能量按理论预测提升3倍，则可在所有标准上与LIBs竞争。提高比能量有助于缩小PLIBs与LIBs之间的可持续性差距，但依赖锂金属的电池在材料成本上仍表现较差。这些发现受限于从摇篮到大门和电池单元层面的范围，未来工作扩展到从摇篮到坟墓分析及未来成本情景将进一步强化结论。
