《Environmental Science & Technology》：Future Environmental Performance of Lithium from Brines Shaped by Energy and Reagent Decarbonization and Technology Optimization
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电池级碳酸锂（Li?CO?）生产的快速扩张引发了对其未来环境影响的日益关注，这些影响必须与项目投产时间表相结合进行评估。在此，研究人员评估了24个运营中和已宣布的盐湖卤水基Li?CO?项目的生命周期气候变化和水资源短缺影响，考虑了未来技术优化以及能源和化学试剂
电池级碳酸锂（Li?CO?）生产的快速扩张引发了对其未来环境影响的日益关注，这些影响必须与项目投产时间表相结合进行评估。在此，研究人员评估了24个运营中和已宣布的盐湖卤水基Li?CO?项目的生命周期气候变化和水资源短缺影响，考虑了未来技术优化以及能源和化学试剂行业的经济体-wide脱碳进程。到2035年，这些发展可将单个项目的气候变化影响降低26%–89%。项目层面的大幅减排并不一定意味着这些项目Li?CO?供应组合中影响强度的降低，后者取决于计划产能的成功实现。技术优化和经济体-wide脱碳仅能抵消已宣布项目带来的较高影响，而实现有意义的削减则需要向电气化供热转型。这一转变，结合资源密集度更高的直接锂提取（DLE）技术，可能会加剧生产场地之外的水资源短缺影响。构建可持续的锂供应链要求尽早采取缓解措施，以抵消即将上马项目的较高影响，将供热脱碳作为近期而非长期目标，加速纯碱和石灰行业的脱碳进程，并采取供应链-wide的水资源管理方法。
**盐湖卤水锂未来环境绩效的研究进展与展望**
**1. 研究背景**
锂是需求增长最快的原材料，这得益于其在锂离子电池（LIBs）中的关键作用以及电动汽车（EVs）的快速普及。满足电池级碳酸锂（Li?CO?）和氢氧化锂（LiOH）日益增长的需求，需要大幅扩展采矿和精炼产能，其中很大一部分预计来自占全球锂资源70%以上的含锂盐湖卤水。生命周期评估（LCA）研究表明，盐湖卤水基锂供应链涉及大量温室气体（GHG）排放，原因在于其能源密集型加工过程和锂纯化过程中化学试剂的大量使用，同时还需要大量的淡水使用，且这些活动往往发生在如阿塔卡马沙漠等水资源匮乏地区。新兴的直接锂提取（DLE）技术旨在提高对低品位卤水的获取并提升锂回收效率，但可能因更高的能源、试剂和水资源需求而进一步加剧环境影响。
目前，智利的阿塔卡马盐湖拥有高品质卤水，且被现有LCA研究认定为环境绩效相对较好，其供应量占全球盐湖卤水基锂供应量的60%以上。短期内，预计将向阿根廷盐湖和中国盐湖实现多元化发展，由此产生的环境影响取决于新项目所在地的卤水化学特征、技术选择、工艺配置和当地条件。现有针对特定运营中和已宣布项目的LCA研究，为理解主要影响驱动因素提供了良好基础，包括锂浓度和杂质含量（如镁、钙和硼）对能源和试剂使用的影响、当地环境（如电力供应、工艺热燃料和淡水可用性）的高度影响、试剂生产对总体影响的显著贡献，以及溶剂萃取、吸附、纳滤和膜电解等DLE技术可能带来的更高影响。
然而，由于许多锂项目仍处于早期开发阶段，且运营中和已宣布的项目预计在未来十年将大规模扩张，基于当前条件的评估可能无法准确反映未来规模化后的环境绩效。此外，DLE技术仍处于新兴阶段，其评估应考虑潜在的技术优化。尽管一些研究已探索了低碳电力和能源效率措施，但它们通常侧重于现有的主流项目，或依赖无法捕捉项目特定特性（如卤水化学或技术选择）的平均影响因子。因此，未来技术进步和更广泛的经济体-wide脱碳效应在很大程度上被忽视了。此外，环境影响不仅由单个项目的绩效决定，还取决于产量如何在具有异质性的现有和新建项目之间分配。虽然现有LCA研究表明，已宣布项目可能比现有运营项目带来更高的影响，但这些潜在更高影响如何与项目级缓解努力和部署动态相互作用，以塑造行业整体环境绩效，仍缺乏深入探索。
**2. 研究内容与结论**
为弥补上述知识空白，研究人员对24个运营中和已宣布的、从盐湖卤水生产电池级Li?CO?的项目，评估了其2025年和2035年的气候变化和水资源短缺影响。研究采用前瞻性生命周期评估（prospective LCA），将代表基线条件和优化条件下生产技术的特定场地生命周期清单（LCIs）与反映能源部门、试剂生产和其他工业部门未来变化的经济体-wide脱碳情景相结合，并进一步将项目级影响与生产时间线联系起来，以评估计划产能扩张和缓解措施对整体环境绩效的联合效应。研究结论表明，到2035年，所考虑的发展可将单个项目的气候变化影响降低26%–89%。然而，项目层面的大幅减排并不一定意味着Li?CO?供应组合中影响强度的降低，这取决于已宣布产能的成功实现。技术优化和经济体-wide脱碳仅能抵消已宣布项目带来的较高影响，而实现有意义的削减则需要向电气化供热转型。这一转变，结合资源密集度更高的DLE技术，可能会加剧生产场地之外的水资源短缺影响。研究强调，构建可持续锂供应链需要尽早采取缓解措施，将供热脱碳作为近期目标，加速纯碱和石灰行业的脱碳，并采用供应链-wide的水资源管理方法。
**3. 主要技术方法**
研究人员运用了多种关键技术方法开展此项研究。首先，采用基于参数化模型的前瞻性生命周期评估（prospective LCA）方法，该模型依据质量与能量平衡生成项目特定的生命周期清单，整合了从公司报告、专利和文献中获取的技术与环境参数。其次，利用集成评估模型（IAM）REMIND v2.1在SSP2-NDC情景下的预测，结合各国国家能源计划，模拟了经济体的脱碳路径。第三，借助开源工具`premise` v2.2.9更新了`ecoinvent` v3.10.1背景数据库，以反映能源、交通、重工业和试剂生产部门的未来变化。评估的气候变化影响使用IPCC AR6的100年全球增温潜势（GWPs），水资源短缺影响则采用有效剩余水（AWARE）方法进行量化。研究样本涵盖了来自智利、阿根廷、玻利维亚、中国、美国和德国的12个运营中和12个已宣布项目。
**4. 研究结果**
**4.1 项目级气候变化影响**
以2025年为基准年，24个项目的气候变化影响范围为4.3至74 kg CO?-eq kg?1 Li?CO?，均高于先前估计值，主要由于考虑了项目特定的电力和热源、更新的试剂和电力结构清单。研究识别出，采用DLE技术的项目因其处理低品质卤水需要更高的热和试剂需求，其影响常高于传统蒸发技术项目。到2035年，所考虑的三种情景（2035 Background、2035 +Optimized、2035 +ElecHeat）可缓解26%–89%的气候变化影响。背景系统转型（如电力脱碳、试剂生产改进）可贡献12%–50%的减排量，对试剂为主要热点的项目尤为显著。结合技术优化（2035 +Optimized）可使缓解潜力加倍，达到22%–85%的减排量，其中DLE技术项目因锂回收效率的大幅提升而从优化中获益更多。进一步采用热泵实现低温热电气化（2035 +ElecHeat）可在大多数项目中进一步降低影响，但其效果依赖于电气化技术和现有热源的碳排放强度。若采用工业电锅炉而非热泵，则可能导致影响大幅增加，尤其对依赖柴油或天然气发电的离网项目。
**4.2 项目级水资源短缺影响**
2025年水资源短缺影响范围为0.7至43 m3world-eq kg?1 Li?CO?。到2035年，影响变化趋势不一，从减少78%到增加47%不等。背景系统转型对高水压力地区项目（如阿塔卡马盐湖）的缓解作用有限，因其现场淡水消耗占主导地位，而对阿根廷等较为湿润地区项目，试剂生产的节水改进（如纯碱生产用水效率提升、氯碱行业隔膜技术淘汰）能带来显著降低。技术优化对水资源短缺的影响不一，DLE技术项目因现场淡水消耗和试剂需求同时降低而获益最大，但优化主要针对总体能效提升以减缓气候变化，某些情况下可能增加废水产生量和水资源短缺影响。转向热泵会增加大多数项目的水资源短缺影响，因其额外电力消耗，尤其在阿根廷等水电占比较高的国家，这揭示了低碳供热与水资源短缺之间的关键权衡。
**4.3 生产级环境绩效**
将项目级影响按产量加权后，2025年12个运营项目的生产级气候变化影响为14 kg CO?-eq kg Li?CO??1。到2035年，综合分析显示，仅考虑背景系统转型时，生产级气候变化影响反而较2025年上升20%–41%，表明新增或扩张项目的更高影响抵消了脱碳措施的减排效果。即使进一步技术优化，也仅能在仅运营项目情景中实现15%的减排，而在包含已宣布项目情景中仅降低3%。这揭示了一个关键发现：项目级的巨大减缓潜力并未转化为生产级影响强度的相应降低。唯有转向热泵供热，才能实现47%–60%的显著减排。生产级水资源短缺影响方面，2025年为6.3 m3world-eq kg Li?CO??1，到2035年在各情景下范围为7至14 m3world-eq kg Li?CO??1。影响增加主要源于阿根廷项目扩张的能源和试剂密集型生产，其水资源消耗主要来自电力生产和试剂制造。技术优化可通过减少试剂消耗来抵消这一趋势，而采用电锅炉则会使影响飙升115%–128%。
**5. 讨论与结论**
讨论部分强调了几个关键议题。供热脱碳被认为是实现有意义减排的关键杠杆，应作为近期目标而非长期目标，这与当前行业路线图中将工艺热脱碳视为中长期目标的做法形成鲜明对比。对于盐湖卤水基Li?CO?生产的低温热需求，工业热泵等低碳选项已可用，但需注意其可能增加水资源短缺影响。研究还强调，锂行业强烈依赖化学试剂行业的脱碳进展，而试剂相关排放（Scope 3）常被矿业脱碳路线图忽视。纯碱和石灰生产的替代发展路径可能对减缓潜力产生重大影响，凸显了加速制定这些行业具体脱碳路径的紧迫性。此外，水资源管理需采取供应链-wide视角，因为随着缓解措施的实施，来自电力和试剂生产的水资源短缺影响可能如现场影响一样显著。最后，研究指出，若所有计划产能实现，将带来可观的绝对排放增加，但与电动汽车替代内燃机汽车所避免的排放相比仍属适度；然而，对LIB碳足迹，尤其是在欧盟电池法规框架下，具有重要影响。
研究结论指出，尽管未来场景建模存在固有局限性，这种自下而上的前瞻性LCA方法综合了特定场地清单与生产技术和整体经济的未来变化，为识别环境影响的未来驱动因素、支持制定具有生命周期视角和前瞻性的有效减缓策略提供了宝贵见解。面对众多尚在开发中的扩张计划和新建项目，一个重要的机遇是将减缓措施尽早整合到项目生命周期中，以最大程度减少干扰并避免可能阻碍后期减排的基础设施锁定。运营项目在采取减缓措施时可能面临技术挑战和更高成本的限制。在推进技术改进的同时，必须优先考虑供热脱碳，化学试剂行业需要加快制定详细的脱碳路径。此外，锂生产商应采取供应链-wide的水资源管理方法，优先选择具有低GHG排放和最小水足迹的电力和试剂，这为追求更可持续的锂供应链带来了额外挑战。
