《Journal of Environmental Management》：Criticality and scale effects in China's power lithium-ion battery system
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摘要运输行业的快速电气化使动力锂离子电池（PLIB）成为低碳出行的核心资源系统。在中国，作为全球最大的PLIB生产和消费国，关键的可持续性挑战不仅在于电池产能的扩张，还在于能否保障并管理原材料需求。然而，大多数电池资源风险评估仅关注材料或技术的关键性，而非关键性如何与材料需求
摘要
运输行业的快速电气化使动力锂离子电池（PLIB）成为低碳出行的核心资源系统。在中国，作为全球最大的PLIB生产和消费国，关键的可持续性挑战不仅在于电池产能的扩张，还在于能否保障并管理原材料需求。然而，大多数电池资源风险评估仅关注材料或技术的关键性，而非关键性如何与材料需求和技术部署相互作用。本研究通过将原材料需求与材料级关键性相结合，以及装机量与技术级关键性相结合，评估了2010年至2024年中国PLIB系统的资源压力。结果表明，中国新能源乘用车的PLIB装机量从2020年的46.7 GWh增至2024年的486.5 GWh，大幅增加了对原材料的需求。钴、镍和锰显示出相对较高的关键性，而关键性最低的石墨则表现出巨大的资源压力，因为其需求在2024年达到了434.3千吨，超过镍的三倍。在技术层面，NMC化学体系的关键性高于NCA和LFP。向高镍NMC的转变减少了与钴相关的压力，但增加了对镍相关资源压力的暴露。尽管在NMC化学体系中关键性最低，但NMC811在2021年后由于产能快速扩张而表现出最高的资源压力。尽管LFP保持了最低的关键性，但其大规模部署（2024年为320.12 GWh）仍产生了不可忽略的资源压力，突显了部署规模对低关键性技术的放大效应。这些发现表明，电池技术规划应同时考虑材料关键性和部署规模。
引言
交通运输部门是全球温室气体排放的主要来源（Zhao等，2024），电动汽车的快速增长已成为道路交通脱碳的重要途径（McCollum等，2018）。然而，电动汽车的扩张也加剧了对PLIB的依赖，并将部分可持续性负担从尾气排放转移到关键原材料的供应和环境影响上，尤其是锂、钴、镍、锰和石墨（Shang等，2024；Yuan等，2024；Du等，2022；Wang等，2025）。中国作为全球最大的电动汽车市场和主要制造枢纽（Hu等，2024），因此面临双重可持续性挑战：在保障关键电池材料的同时，管理快速技术部署带来的资源压力。
关键性评估为评估资源风险提供了重要的分析基础，因为与某种材料或技术相关的压力取决于其风险特征和使用规模。Graedel将其定义为一种整体性评估资源重要性的方法，考虑生产、使用和生命周期各阶段的风险（Graedel和Nuss，2014；Helbig等，2016）。过去几十年来，世界各国政府和研究者陆续提出了各种评估方法（表S1），旨在支持资源治理和政策制定。其中，Graedel及其合著者提出的框架是应用最广泛和最全面的方法之一（Graedel等，2012），从三个维度评估关键性：供应限制概率（SRP）、供应限制脆弱性（SRV）和环境影响（EI）。该框架之外，后续研究还提出了替代方法，如经济稀缺性潜力（ESP）方法（Schneider等，2014）和ESSENZ方法（Bach等，2016）。
现有研究已从全球、区域和国家级别评估了PLIB材料和技术的关键性，为了解电池发展中潜在的资源约束提供了有价值的见解。在全球层面，以往的研究比较了电池材料技术的供应风险和关键性（Helbig等，2018）。后续研究纳入了额外维度，如环境影响（Manjong等，2023；Wentker等，2019；Yokoi等，2024）和经济重要性（Abdelbaky等，2022）。在区域层面，Greenwood等（2021）比较了五个主要PLIB生产枢纽——中国、欧盟、日本、韩国和美国——的电池技术供应风险。在国家层面，Huang等（2024）评估了中国电池矿物和技术的关键性。一项后续研究（Huang等，2025）进一步纳入了环境影响，实现了更综合的比较。
尽管以往研究为理解电池资源关键性提供了重要基础，但大多数研究将原材料或电池技术作为风险特征来评估，而非作为嵌入快速扩张工业系统中的风险。相对较少的研究将关键性与实际材料需求规模和技术部署规模相结合。因此，中国PLIB产业扩张相关的资源压力仍未能得到充分考察。这一空白限制了对潜在资源约束进行识别的经验基础，并影响了技术路径规划的制定。
为弥补这一研究空白，本研究在以往关键性评估方法（Bach等，2016；Graedel等，2015；Greenwood等，2021；Huang等，2025）的基础上，探讨了2010年至2024年中国新能源乘用车PLIB在材料和技术层面的资源压力演变。通过将关键性与原材料需求和装机量相联系，本研究提供了一个整合视角，展示大规模电池部署下资源约束如何演变。具体而言，本研究试图回答三个问题。第一，2010年至2024年中国新能源乘用车的PLIB装机量及相关的原材料需求如何演变？第二，原材料和电池技术的关键性有何主要特征和时间动态？第三，在纳入需求和部署规模后，材料和技术层面的资源压力如何演变？
为回答这些问题，本研究首先量化了主要PLIB化学体系的装机量，包括镍钴锰酸锂（NMC）、镍钴铝酸锂（NCA）和磷酸铁锂（LFP），以及相关的锂（Li）、钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）和石墨（Gr）需求。随后评估了原材料和电池技术的关键性，考察其时间演变，并描述关键性和规模如何共同塑造资源压力。
章节片段
动力锂离子电池技术与原材料
本研究聚焦于2010年至2024年中国新能源乘用车领域使用的PLIB。选择中国是因为它既是主要的PLIB生产国，也是最大的市场，在全球动力电池和原材料供应链中占据突出地位（国际能源署，2024）。分析仅限于新能源乘用车，因为该领域代表了PLIB的主要应用领域（国际能源署，2023），占比可观……
动力锂离子电池的原材料需求
基于2010年至2024年中国新能源乘用车PLIB的年度新装机容量（图S2）和不同化学体系的市场份额（图S3），估算了不同PLIB化学体系的新装机容量及相应的原材料需求，如图2(a)和(b)所示。2020年后，中国PLIB市场进入快速扩张阶段，装机容量急剧上升，原材料需求同步增长。这一增长……
讨论
本研究表明，中国新能源乘用车与PLIB相关的资源压力不能仅从关键性推断，而是从材料级和技术级关键性及其需求或部署规模的相互作用中产生。在2010年至2024年期间，该领域快速扩张，尤其是2020年后，装机容量和原材料需求显著增加。LFP和NMC811表现出最快的产能扩张，而石墨和镍则占……
结论
本研究系统评估了2010年至2024年中国新能源乘用车PLIB相关的材料级和技术级资源压力演变。首先，量化了各PLIB化学体系的年度新装机容量及相关的原材料需求。其次，评估了原材料关键性，并将其与年度材料需求相结合以表征材料级资源压力。最后，基于原材料评估了技术关键性……
CRediT作者贡献声明
Yue Zhang：数据整理、正式分析、方法学、可视化、初稿撰写。Yao Wang：正式分析、审稿与编辑。Fengmei Ma：概念化、方法学、审稿与编辑。Asaf Tzachor：概念化、正式分析、审稿与编辑。Heming Wang：概念化、方法学、监督、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（52470207和72574212）的资助。Asaf Tzachor感谢Yannay能源安全研究所的支持。作者感谢陈维强教授对本研究提出的宝贵建议。
Yue Zhang|Yao Wang|Fengmei Ma|Asaf Tzachor|Heming Wang
东北大学生态产业国家环境保护重点实验室，沈阳，中国，110819
