量化新能源电池的空间动态运输碳足迹：基于 GIS-LCA 的可解释方法

《Environmental Science & Technology》：Quantifying Spatially Dynamic Transportation Carbon Footprint of New Energy Batteries: The GIS-LCA Based Interpretable Approach

　　

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摘要

本研究聚焦于新能源电池从材料获取到制造过程中的交通运输驱动的空间特征与动态、碳足迹（CF）及环境影响。基于生命周期评估（LCA）方法，通过GIS-LCA平台获取运输数据，构建量化框架，分析锂离子电池、固态电池（Li-FeS?、LLZO、LiPON）及氢燃料电池（HFCs）的铁路运输碳足迹。在全生命周期（从摇篮到坟墓）框架下，不同电池技术的运输碳足迹存在差异。NMC电池的运输相关碳足迹相对较高（0.512 kgCO?eq），而HFC系统的数值较低（0.00973 kgCO?eq），主要受原材料类型、运输距离及生产基地空间分布驱动。运输碳足迹占生产阶段的不足10%，但其路径空间动态和区域物流网络差异导致了显著的碳排放（CE）分布变化，例如上海基地的PVC运输碳排放比北京基地低95%以上。本研究为电池行业低碳技术路径选择、供应链布局优化和区域协同减排提供了科学支持。这些发现支持本地化采购和空间优化供应链以减少运输排放水平。

特刊

本文作为《环境科学与技术》特刊"从孤立到互联系统：整体应对复杂环境问题"的一部分发表。

1. 引言

随着气候变化问题日益紧迫，全球能源转型和碳减排已成为各国共同关注的焦点。(1, 2) 近年来，国际社会通过《巴黎协定》等多边协议确立了气候变化缓解目标，旨在将全球平均温度升幅控制在2°C以下。(3) 为实现这一目标，世界各国纷纷设定了碳中和目标，力争在未来数十年内实现温室气体"净零排放"。在此背景下，中国已宣布承诺在2030年前实现碳达峰，并在2060年前实现碳中和。在全球这一大背景下，能源系统脱碳已成为应对气候变化的关键途径。新能源产业的快速发展，特别是太阳能、风能和储能技术的推广，使得清洁能源的大规模应用成为可能。(4) 同时，电池技术作为能源存储和转换的关键手段，广泛应用于电动汽车、可再生能源储能等领域，被视为全球能源转型的重要支柱。虽然电池的生产与应用在减少终端使用阶段的碳排放（CE）方面发挥了重要作用，但其全生命周期碳足迹（CF）也引起了广泛关注。(5, 6) 特别是在生产阶段和供应链过程中，涉及大量的能源消耗和原材料运输，可能导致相当可观的碳排放。(6, 7) 因此，降低电池全生命周期的碳足迹，尤其是优化生产和物流环节的碳排放，已成为电池行业在实现低碳目标过程中必须解决的紧迫问题。(8, 9)

中国作为全球最大的电池生产和消费市场，在全球新能源产业中发挥着至关重要的作用。中国承诺在2030年前实现二氧化碳排放达峰，并在2060年前实现碳中和，这与官方气候政策分析和学术文献一致。(10) 中国已出台了一系列政策，旨在优化能源结构并提升绿色产业竞争力。电池产业的可持续发展不仅是中国实现自身目标的关键组成部分，也将对全球新能源的普及和应用产生深远影响。(11)

电池技术作为能源存储和转换的核心手段，在全球能源转型中发挥着至关重要的作用。从传统锂离子电池（LIB）到新兴的固态电池和氢燃料电池（HFC），这些技术路线的逐步发展加速了电动汽车、可再生能源储能和工业电气化的进程。锂离子电池凭借其高能量密度和技术成熟度，已成为当前市场的主流选择。然而，其生产严重依赖锂、镍、钴等金属原材料，这些原材料的开采、加工和运输带来了巨大的环境压力。(12, 13) 为应对锂离子电池的局限性，固态电池（SSB）通过引入固态电解质，提高了安全性和能量密度，同时降低了与液态电解质相关的安全风险。由于其稀土金属来源的集中性，其碳足迹也较低。(14) 氢燃料电池通过氢化学反应发电的独特原理，进一步降低了生产和运输过程中的碳排放，特别是由于其原材料简单且可实现本地化生产。这使其成为未来低碳能源技术的重要方向。(15?17)

新能源电池全生命周期碳足迹的研究已成为近年来的热点话题。Peters等人研究了锂离子电池的环境影响，(18) 发现生产阶段中正极材料镍-锰-钴的制造对碳足迹贡献显著。相比之下，磷酸铁锂（LFP）电池由于原材料开采和加工更为环保，其碳排放较低。此外，Dunn等人研究了回收废旧锂离子电池对生命周期碳足迹的影响，(19) 发现采用湿法冶金回收技术不仅能降低回收阶段的环境影响，还显著提高了资源利用效率。然而，现有研究主要集中在生产和使用阶段，针对特定阶段的比较可能无法反映生命周期影响的全貌。因此，本研究纳入从摇篮到坟墓的生命周期碳足迹，以背景化不同技术之间运输阶段的差异。在中国大陆境内，锂、镍、钴等原材料的长距离运输可能对供应链碳足迹产生重大影响，特别是由于锂电池供应链的区域优化尚未得到深入研究。固态电池凭借其高安全性和能量密度，是下一代电池技术研究的关键焦点。Rietdorf等人对硫化物基固态电池进行了生命周期评估，发现生产阶段的高温烧结过程显著增加了碳排放。(20) Zhang等人进一步分析了采用无机固态电解质的全固态锂离子电池（SSLB），(21) 强调虽然其生产能耗较高，但由于使用阶段的高能效，其整体生命周期碳排放可能低于传统锂离子电池。然而，固态电池在运输阶段的优势及其全生命周期碳足迹的全面量化仍不完整。关于氢燃料电池的研究大多集中在制氢阶段。Valente等人发现绿氢显著降低了碳排放，(22) 但缺乏对制造和运输阶段的分析，特别是关于中国的区域特征和供应链优化方面。在电池供应链中，尽管运输碳足迹在单个电池生命周期中所占比例相对较小，(23, 24) 但随着电池产业的快速扩张，其累积碳排放将变得显著。特别是在中国大陆，随着电池生产需求的增长，原材料运输和运输路线的碳足迹呈逐年上升之势。因此，探索运输阶段的碳排放特征对整个行业的低碳转型至关重要。为避免在比较不同技术时出现针对特定阶段的解读偏差，本文进一步纳入在统一质量基准功能单元（1 kg电池系统）和一致的系统边界假设下各电池系统的从摇篮到坟墓全生命周期碳足迹结果。这一完整生命周期背景用于解释运输排放的相对贡献，并支持跨技术比较。

运输方式对碳排放的影响存在显著差异，铁路运输因高效低碳而成为长距离工业原材料运输的首选。(25, 26) 铁路运输的单位距离碳排放远低于公路和水路运输，尤其在大宗货物运输中，其能源效率极高。与公路运输相比，铁路运输不仅碳排放强度更低，还减少了运输过程中的能源消耗。(27) 国际排放清单的实证数据显示，铁路运输的碳排放通常为公路运输的三分之一到二分之一（针对等效运输任务）。在许多情况下，重型卡车运输的碳强度可能超过铁路运输系统的两倍。鉴于电池供应链中运输的大宗原材料量巨大且距离遥远，运输方式的差异可导致供应链整体排放量的巨大变化。然而，与水路运输相比，虽然水路运输的单位距离碳排放略低，但其应用受水路和港口覆盖范围的限制。(28) 在中国大陆，铁路作为全国性物流网络，为电池原材料运输提供了坚实保障。在中国大陆，铁路作为全国性物流网络，由电气化和柴油动力线路混合组成，其中电气化铁路占货运能力的大部分。电气化铁路系统通常依赖电网电力，其碳强度取决于区域发电结构，而柴油动力线路则直接消耗化石燃料。因此，牵引系统和能源来源的差异可能影响运输相关排放。然而，本研究采用平均排放因子来反映全国铁路货运系统的整体表现。

特别是在电池供应链中，锂、镍、钴等关键原材料往往需要从不同地区的来源地运输至生产基地。在实践中，这些物流流程可能涉及初步开采、中间加工和最终交付阶段，从而增加了运输相关排放的空间复杂性。铁路运输的高效性和低碳特性为优化供应链碳排放提供了重要机遇。然而，尽管铁路运输具有明显的低碳优势，但其在电池供应链中的具体碳足迹表现和影响机制仍需进一步量化和分析。原材料运输的碳足迹受多种因素影响，包括材料类型、重量、运输路线和距离，所有这些都与生产基地的布局密切相关。(29?31) 铁路运输通过优化供应链可显著减少长距离运输的碳排放，同时提高物流效率。然而，在现有研究中，不同电池技术原材料铁路运输碳足迹的差异尚未得到充分量化。

铁路运输作为中国大陆主要的低碳物流方式，在优化电池行业供应链和减少碳排放方面发挥着关键作用。传统生命周期评估（LCA）方法通常使用材料质量、运输方式和平均运输距离等聚合参数来量化运输影响，这可能忽略了电池供应链的空间异质性。在实践中，运输相关排放受到原材料来源地、生产基地地理分布以及实际运输路线的强烈影响。将地理信息系统（GIS）与LCA相结合，可以通过将材料来源地和生产基地与真实铁路网络相链接，将这些空间关系明确纳入评估中。因此，这种GIS-LCA方法不仅能够在排放量方面评估运输碳足迹，还能将其与具体的材料流、路线和区域配置联系起来。这种空间显式分析为识别高排放运输环节以及支持本地化采购、区域集聚和供应链布局优化提供了更清晰的依据。

目前，缺乏将GIS与LCA方法整合以共同评估电池原材料运输路线空间动态和碳足迹的系统性研究。本研究提出了基于GIS-LCA的空间显式碳排放量化框架，系统分析了三种主流电池原材料的运输路线和碳排放特征。这填补了电池生产供应链中"路径-空间-碳足迹"联动机制的研究空白。(32?34)

在此背景下，本研究探讨以下核心问题：三种电池技术（锂离子、固态和HFCs）之间的铁路运输碳足迹有何差异？

不同电池原材料的类型、生产方法和运输路线如何影响铁路运输阶段的碳强度？在统一的系统假设下，运输阶段的碳足迹如何对电池技术的从摇篮到坟墓全生命周期影响做出贡献？哪些结构性因素和空间因素驱动了这些差异？哪些原材料对铁路运输中的碳足迹贡献最大？这些材料由于运输距离更长或重量更大而具有更高的碳排放。基于这些特征，提供了优化建议。本研究采用生命周期评估（LCA）方法考察电池原材料的运输碳足迹，重点关注运输阶段对电池整体生命周期碳足迹的影响。现有研究主要集中在生产和使用阶段，对材料运输阶段的碳足迹定量分析有限，而这是电池生命周期中一个重要且常被忽视的组成部分。本研究结合铁路运输路线、原材料重量和运输距离等变量，构建了铁路运输碳足迹量化框架。它系统地比较了锂离子电池（LIBs）、固态电池（SSBs）和氢燃料电池（HFCs）之间的运输碳足迹差异，突出了运输阶段对电池技术低碳转型的影响。这不仅为运输碳排放的理论分析提供了新视角，也为未来低碳技术选择奠定了理论基础。通过对铁路运输路线、原材料重量和碳排放因素的系统评估，结合基于 GIS 的运输网络空间分析，本研究揭示了不同生命周期阶段各类电池技术的运输碳足迹差异，并探讨了区域原材料分布对碳足迹的影响。这弥补了现有文献的空白，并为优化电池供应链布局和推广低碳发展提供了科学支持。

2. 方法

2.1. 数据来源与处理

本研究的运输距离和数据源自 GIS-LCA 平台，该平台集成了 GIS 空间分析技术与 LCA。通过对铁路网络进行空间建模，它基于实际地图生成准确的运输路径和碳足迹数据，有效捕捉了原材料运输的空间动态。本研究涉及的原材料包括锂离子电池（LFP、NMC）、固态电池（Li-FeS2、LLZO、LiPON）和氢燃料电池的关键组件。这些原材料分布在中国大陆多个地区，本研究中假设铁路运输是唯一的运输方式。GIS-LCA 平台通过选择原材料的起源地和目的地以及运输方式，利用实际铁路地图计算运输距离，并基于其综合数据库为每种原材料生成碳排放因子。GIS-LCA 平台的数据源涵盖了中国主要运输网络和各类材料特性，确保了本研究中运输距离和碳排放的计算科学准确，为碳足迹模型提供了全面可靠的输入参数。本研究选取中国大陆当前电池行业最具代表性的生产基地，以确保研究结果的前瞻性和实用意义。锂离子电池（LFP 和 NMC）和固态电池均以福建省宁德市的“宁德时代 Huxi 工厂”（CATL Huxi Factory）作为生产基地。该工厂是中国领先的动力电池制造商，主导行业，并计划到 2027 年实现固态电池的大规模量产。对于氢燃料电池，选定的生产基地是上海氢动力技术（Shanghai Hydrogen Propulsion Technology）和北京中科富海（Beijing SinoHytec）。这两家公司都是氢燃料电池行业的领导者，代表了该领域在中国的最新技术进步和发展方向。选择这些工厂作为研究对象（图 1）不仅反映了当前电池行业实际的运输和碳排放特性，也为未来电池技术的低碳发展提供了科学支持。原材料的具体类型、重量和运输路线将在后续列表中详细说明。图 1 电池原材料运输路线的空间分布图。

基于 LCA 碳足迹计算模型，本研究从以下三个方面比较不同电池类型的运输碳足迹：首先，基于运输碳足迹计算结果，本研究比较了不同电池技术（LIBs、SSBs 和 HFCs）之间总体碳排放的差异；其次，对于每种类型的电池，本研究分析了原材料对总碳足迹的贡献，识别了高排放材料的主要来源；最后，本研究探讨了生产基地的区域差异对运输碳足迹的影响，例如比较氢燃料电池生产中上海和北京不同原材料运输路径的碳排放差异。这些分析方法为揭示电池生产运输阶段的关键影响因素提供了数据支持。

2.2. 研究对象与清单分析

2.2.1. 研究对象

本研究选择三种类型的电池：锂离子电池、固态电池和氢燃料电池作为研究对象，重点关注其生产和应用背景以及相关运输碳足迹。锂离子电池包括磷酸铁锂电池和镍钴锰电池。磷酸铁锂电池使用磷酸铁锂作为正极材料，由于其安全性高、循环寿命长且生产成本相对较低，广泛应用于电动汽车和储能系统。镍钴锰电池使用镍钴锰氧化物作为正极材料，提供更高的能量密度，是高性能电动汽车的关键选择。这两类锂离子电池均在福建省宁德市的“宁德时代 Huxi 工厂”生产。固态电池作为下一代高性能电池的主流技术，包括三种主要类型：Li-FeS2、LLZO 和 LiPON。Li-FeS2 电池使用硫化铁锂材料，提供更高的能量密度和安全性，适用于未来高性能储能应用。LLZO 电池使用锂镧锆酸盐作为固态电解质，结合了高导电性和热稳定性，代表了固态电池技术的前沿。LiPON 电池使用薄膜技术，适用于微型化应用和特定使用场景。这三种固态电池均在福建省宁德市的“宁德时代 Huxi 工厂”生产。氢燃料电池由两部分组成：燃料电池堆和储存电池。燃料电池堆以质子交换膜和 Pt/C 催化层为核心技术，广泛应用于交通运输领域，如公交车和货运车辆。储存电池作为氢燃料电池系统的重要辅助组件，使用磷酸铁锂作为正极和石墨作为负极，表现出优异的储能性能。氢燃料电池的生产选取上海氢动力技术和北京中科富海作为代表，反映了中国氢能产业的区域分布特征。

2.2.2. 清单分析

生命周期清单的建立为本研究的核心计算过程奠定了基础。在本研究中，采用了统一的基于质量的 1 千克电池系统功能单位，以便在电池技术之间进行结构比较。所有系统均在和谐的从摇篮到坟墓系统边界下进行评估，包括原材料提取、材料加工、电池制造、运输、使用阶段和废弃后处理。应用了一致的使用寿命假设，以确保方法的可比性。运输碳足迹的计算主要基于原材料的重量、运输距离和铁路运输的碳排放因子。本研究使用政府间气候变化专门委员会（IPCC）2021 年提供的计算方法，铁路运输的统一碳排放因子为 0.0449 kgCO2eq/t·km。该方法基于最新的全球运输数据和技术进步，确保研究与当前发展保持同步，并充分反映运输行业碳排放评估的前沿水平。为了简化研究假设，本研究仅考虑铁路运输路线，所有距离均通过 GIS-LCA 网站确定。虽然大多数原材料原产地信息和运输路线数据完整，但由于 GIS-LCA 网站数据库存在缺口，少数原材料数据不完整。清单分析的核心目标是揭示不同原材料对运输阶段总碳足迹的贡献。具体的计算公式将在第 3 节中详细说明，并在此基础上，将比较不同电池类型的碳排放特性，以探索关键优化路径。为研究不同类型的电池的铁路运输碳足迹，本研究为每种电池建立了生命周期清单，包括各种原材料的类型、单位重量、原产地和运输路线的详细数据。这些清单为后续运输碳足迹的定量分析提供了重要的数据基础。以下是锂离子电池、固态电池和氢燃料电池的详细清单数据。尽管近期工业设施的制造效率可能有所提高，但磷酸铁锂电池的材料组成和核心生产结构仍具有足够的可比性，适用于结构性生命周期分析。具体来说，磷酸铁锂电池的清单来自 Majeau-Bettez 等人的研究 (35)，镍钴锰电池的清单来自 Cox 等人的研究 (36)，Li-FeS2 电池的清单来自 Zhang 等人的研究 (37)，LLZO 电池的清单来自 Kravchyk 等人的研究 (38)，LiPON 电池的清单来自 Nowak 等人的研究 (39)，氢燃料电池的清单来自 Evangelisti 和 Qiao 等人的研究 (40, 41)。虽然其中一些清单源自早期出版物，但这些电池技术的基本材料系统和核心生产路径与当前配置基本一致。制造效率的增量改进不会实质性改变本研究中用于比较分析的结构性生命周期框架。详细清单数据可在表 S1–S7 中找到。在进行生命周期清单分析之前，本研究明确了以下关键假设和原则，以确保研究方法的严谨性和科学性：首先，某些原材料由于普遍可得且本地采购（如水、电力和其他基本资源），其对整体运输碳足迹的影响被认为微不足道。因此，本研究的分析范围排除了这些材料的运输。其次，对于涉及专有商业信息的某些原材料（如电池电路板和其他复杂模块组件），由于供应链信息不可用以及内部生产过程可能存在特殊的封闭管理，其运输也被排除在分析之外，以保持研究范围的开放性和可操作性。最后，在原材料生产基地的选择方面，本研究考虑了以下因素：首先，相对于电池生产基地的地理位置，以确保最短的运输距离，从而减少运输过程中的碳排放；其次，原材料基地的生产规模和供应能力，以确保与电池生产基地的需求相匹配以及供应链的可持续性。这些原则确保了本研究的分析结果既具有实际相关性，又为未来的工业优化提供了科学支持。此外，氢燃料电池堆是将氢能转化为电能的核心组件，其效率和性能直接受到材料和结构设计的影响。膜电极组件是燃料电池堆的关键组件。其功能是促进阳极处氢气的氧化，并通过质子交换膜将质子传递到阴极，在那里与氧气反应生成水。本研究假设 1 千克膜电极组件（MEA）主要由质子交换膜（0.0700 千克）、气体扩散层（0.840 千克）和催化层（0.0900 千克）组成，并且在其生产过程中消耗约 11.70 兆焦耳的电能。总体而言，本研究假设每千瓦功率的燃料电池堆由 1.434 千克双极板、0.261 千克冷却垫片、0.265 千克膜电极组件和 0.302 千克端板和拉杆组成。这些质量分布特性为后续氢燃料电池运输碳足迹分析提供了重要的参考数据。

2.3.

计算方法
为了量化不同电池类型在原材料铁路运输过程中产生的碳足迹（CF），本研究使用以下计算公式：CF = W × D × E。
在此公式中，CF 代表运输碳足迹，单位为 kgCO2eq，指原材料运输过程中产生的总二氧化碳当量排放。W 代表运输原材料的质量，单位为吨，对应生产 1 kg 电池功能单位所需的材料总量。D 代表铁路运输距离，单位为千米，指从原材料来源地到电池生产基地的距离。E 代表铁路运输碳排放因子，单位为 kgCO2eq/(t·km)，指通过铁路运输 1 吨材料 1 千米所产生的二氧化碳当量排放。

3. 结果与讨论

3.1. 电池生产过程中的运输排放
为了评估不同电池技术在生产阶段原材料运输过程中的碳排放量（CE）差异，本研究选取六种代表性电池类型进行比较分析，包括 LFP、NMC、三种 SSB（Li-FeS2、LLZO、LiPON）以及 HFC（结合燃料电池堆和储能电池）。为了保持运输路线与其他电池生产基地的地理可比性，HFC 部分的运输碳足迹数据采用上海氢推进技术的数据作为代表。本研究使用从 GIS-LCA 平台获得的运输路径和距离信息。假设所有运输方式均为铁路，并应用 IPCC 2021 推荐的排放因子（0.04485 kgCO2eq/t·km，相当于 44.85 gCO2eq/t·km）进行碳足迹计算。通过计算每种电池中涉及的各种原材料的质量（kg）与其运输距离（km）的乘积，获得单位功能单位（FU = 1 kg 电池）的总运输碳排放量。所有结果均以每个功能单位归一化的碳排放量（每 1 kg 电池系统 kgCO2eq）呈现，以确保技术之间的可比性。在生产过程的原材料运输阶段，不同电池技术表现出显著的碳足迹差异（图 2）。就总运输碳排放量而言，NMC 电池具有最高的运输碳足迹，达到 0.512 kgCO2eq，这主要归因于其复杂的正极金属材料成分和较长的运输路线。LFP 电池紧随其后，碳足迹为 0.266 kgCO2eq，与其他主流锂离子电池相比，其运输排放相对较低。对于 SSB，LLZO 和 LiPON 的碳足迹分别为 0.0927 kgCO2eq 和 0.0617 kgCO2eq，而 Li-FeS2 电池的碳足迹最低，仅为 0.0603 kgCO2eq，反映了固态路线在原材料运输中的减排潜力。相比之下，HFC 的运输碳足迹最小，仅为 0.00973 kgCO2eq，显示出明显的低碳优势。
图 2
图 2. 不同电池技术的原材料运输碳足迹（kgCO2eq/kg）。
各技术路线的运输碳排放量主要集中在电池结构内高密度或关键功能材料的运输上。在锂离子电池（LFP 和 NMC）中，碳排放量主要集中在正负极材料和电解质的运输上，特别是散装关键原材料，如六氟磷酸锂、NMC 正极材料和石墨烯。SSB 通过引入固态电解质（如 Li2S、Ta2O5 和 LiPON），也减少了对某些传统溶剂基材料的使用，导致碳排放结构发生转变。HFC 的碳排放量主要来自燃料电池堆的核心组件，如膜电极组件和双极板，而储能模块原材料的运输碳足迹相对较低。总体而言，运输碳足迹受到多种因素的影响，包括材料类型和密度、运输距离和路线选择以及生产基地的地理布局。不同电池类型在技术结构和供应链策略上的差异最终塑造了它们在运输阶段的碳排放表现。下一节将进一步分解每种电池内部不同材料类型（如正极、负极、电解质等）对碳足迹的贡献比例，以揭示高排放阶段的结构特征。

3.2. 不同电池技术在运输和生产阶段的碳足迹比较
为了进一步明确运输阶段在电池生命周期碳排放中的相对重要性，本研究在统一的质量基准功能单位（1 kg 电池系统）下，比较了六种代表性电池（LFP、NMC、Li-FeS2、LLZO、LiPON 和 HFCs）的运输和生产阶段碳排放量，重点关注与材料相关的结构差异，而非服务等效性能指标。除非另有说明，本节讨论的所有碳足迹值均指每个功能单位归一化的特定排放值，并不代表行业规模的总绝对排放。本比较基于先前计算的运输碳足迹和文献中的生产阶段碳排放数据。同时，利用现有文献中关于相应电池生产阶段碳排放的可靠数据进行横向对比分析。构建了桑基图以说明不同材料类别在运输和生产阶段之间的碳排放分布差异，并对每种电池运输阶段的碳排放特征进行结构性分析。本节旨在探索不同电池技术中运输过程碳足迹份额的变化趋势，为后续关于材料路径选择和区域布局的研究提供初步依据。
在六种代表性电池技术（LFP、NMC、Li-FeS2、LLZO、LiPON 和 HFCs）中，运输和生产阶段的碳足迹表现出不同的材料贡献模式（图 3）。对于 LFP 电池，电解质材料（特别是六氟磷酸锂）和正极活性材料（如 NMP）是运输和生产碳足迹的主要贡献者。具体而言，六氟磷酸锂的运输碳足迹为 0.0519 kgCO2eq，占运输足迹的 19.54%，而其生产碳足迹为 0.200 kgCO2eq，占生产足迹的 3.65%。NMP 在运输和生产的碳足迹分别为 0.0621 kgCO2eq（占运输的 23.39%）和 0.542 kgCO2eq（占生产的 9.90%）。这些材料在运输和生产阶段的碳排放中都有显著贡献。通过比较 LFP 电池的运输和生产碳足迹，我们发现运输碳足迹占生产足迹的 4.85%。总体而言，运输碳足迹为 0.266 kgCO2eq，而总生产碳足迹为 5.48 kgCO2eq。此外，冷却系统、BMS 及其他材料在运输阶段的碳足迹贡献相对较低，对整体排放影响甚微。
图 3
图 3. 运输和生产阶段的原材料碳足迹（kgCO2eq/kg）。
在 NMC 电池的运输和生产阶段，电解质材料（特别是六氟磷酸锂）和正极活性材料（如镍钴锰氧化物）是运输和生产碳足迹的主要贡献者。具体而言，镍钴锰氧化物的运输碳足迹为 0.123 kgCO2eq，占运输足迹的 23.93%，而其生产碳足迹为 2.16900 kgCO2eq，占生产足迹的 28.25%。六氟磷酸锂的运输碳足迹为 0.0541 kgCO2eq，占运输足迹的 10.55%，而其生产碳足迹为 0.180 kgCO2eq，占生产足迹的 2.34%。这些材料在运输和生产阶段的碳排放中都有显著贡献。通过比较 NMC 电池的运输和生产碳足迹，我们发现运输碳足迹占生产足迹的 6.67%。总体而言，运输碳足迹为 0.512 kgCO2eq，而总生产碳足迹为 7.68 kgCO2eq。运输碳足迹份额最高的材料是镍钴锰氧化物和六氟磷酸锂，而冷却系统及其他材料在运输阶段的碳足迹贡献相对较低，对整体排放影响甚微。
在 Li-FeS2 电池的运输和生产阶段，电解质（特别是 Li2S）和正极活性材料（如 TiS2）对碳排放量的贡献最大。具体而言，Li2S 的运输碳足迹为 0.0170 kgCO2eq，占运输足迹的 27.94%，而其生产碳足迹为 0.545 kgCO2eq，占生产足迹的 9.59%。TiS2 的运输碳足迹为 0.0202 kgCO2eq，占运输足迹的 33.26%，而其生产碳足迹为 1.15500 kgCO2eq，占生产足迹的 20.32%。这些材料在运输和生产阶段的碳排放中都有显著贡献。通过比较 Li-FeS2 电池的运输和生产碳足迹，我们发现运输碳足迹占生产足迹的 1.06%。总体而言，运输碳足迹为 0.0603 kgCO2eq，而总生产碳足迹为 5.68 kgCO2eq。运输碳足迹在 Li-FeS2 电池生命周期中占比较小，主要是因为电解质（特别是 Li2S）和正极材料（如 TiS2 和 FeS2）的碳排放量在生产阶段占主导地位。BMS 及其他材料在运输阶段的碳足迹贡献相对较低，对整体排放影响甚微。
在 LLZO 电池的运输和生产阶段，电解质材料（特别是 Ta2O5）和负极材料（如锂）是运输和生产碳足迹的主要贡献者。具体而言，Ta2O5 的运输碳足迹为 0.0465 kgCO2eq，占运输足迹的 50.16%，而其生产碳足迹为 29.70000 kgCO2eq，占生产足迹的 73.44%。锂的运输碳足迹为 0.00263 kgCO2eq，占运输足迹的 2.84%，而其生产碳足迹为 4.77000 kgCO2eq，占生产足迹的 11.80%。这些材料在运输和生产阶段的碳排放中都有显著贡献。通过比较 LLZO 电池的运输和生产碳足迹，我们发现运输碳足迹占生产足迹的 0.23%。总体而言，运输碳足迹为 0.0927 kgCO2eq，而总生产碳足迹为 40.4 kgCO2eq。运输碳足迹在 LLZO 电池生命周期中占比较小，主要是因为电解质（特别是 Ta2O5）和负极材料（如锂）的碳排放量在生产阶段占主导地位。
在 LiPON 电池的运输和生产阶段，正极材料（特别是钴酸锂）和负极材料（如锂）对碳排放量的贡献最大。具体而言，钴酸锂的运输碳足迹为 0.0130 kgCO2eq，占运输足迹的 21.07%，而其生产碳足迹为 3.73900 kgCO2eq，占生产足迹的 21.66%。锂的运输碳足迹为 0.00497 kgCO2eq，占运输足迹的 8.06%，而其生产碳足迹为 9.02400 kgCO2eq，占生产足迹的 52.29%。这些材料在运输和生产阶段的碳排放中都有显著贡献。通过比较 LiPON 电池的运输和生产碳足迹，我们发现运输碳足迹占生产足迹的 0.36%。总体而言，运输碳足迹为 0.0617 kgCO2eq，而总生产碳足迹为 17.3 kgCO2eq。运输碳足迹在 LiPON 电池生命周期中占非常小的份额，主要是因为正极材料（如钴酸锂）和负极材料（如锂）的碳排放量在生产阶段占主导地位。
在 HFCs 的运输和生产阶段，膜电极组件和铝基板是运输和生产中碳足迹最高的主要材料。具体而言，膜电极组件的运输碳足迹为 0.00130 kgCO2eq，占燃料电池堆运输足迹的 23.26%，而其生产碳足迹为 1270.00 kgCO2eq，占燃料电池堆生产足迹的 68.35%。铝基板的运输碳足迹为 0.000220 kgCO2eq，占储能电池运输足迹的 5.34%，而其生产碳足迹为 340.14 kgCO2eq，占储能电池生产足迹的 76.63%。

可以看出，这些材料在运输和制造两个阶段都对碳足迹产生了显著贡献。总体而言，运输环节总碳足迹为0.00973 kgCO?eq，而制造环节总碳足迹为2302 kgCO?eq，运输碳足迹仅占制造碳足迹的约0.00042%，占比极小。在当前系统配置下，制造环节是碳足迹的主要来源。除关键材料外，其他材料（如石墨和聚乙烯）在运输和制造阶段的碳足迹相对较低，对整体碳足迹的贡献微乎其微。为提供数量级参考（图4），我们将结果表示为"每100 kgCO?eq全生命周期碳足迹对应的运输贡献量"。在该指标下，运输环节每100 kgCO?eq全生命周期排放分别贡献约2.40 kg（NMC）和1.70 kg（LFP），而相应贡献分别为0.40 kg（LiPON）、0.36 kg（Li–FeS?）、0.25 kg（LLZO）和0.005 kg（HFC）。HFC的贡献过小，未纳入图中，但在正文中进行了讨论。尽管运输环节在全生命周期排放中占比很小，但其在不同技术路线间的贡献差异显著，反映出供应链空间布局与原材料采购模式的不同。此处采用的全生命周期碳足迹值仅用于数量级参考，可能反映了不同技术路线间的边界假设差异（例如废弃处理），而非完全一致的LCA对比。图4 放大查看 下载至幻灯片 图4. 运输对全生命周期碳足迹的相对贡献（%）。 图4 放大查看 下载至幻灯片 图4. 运输对全生命周期碳足迹的相对贡献（%）。 关闭图4。

3.3 区域差异对运输碳足迹的影响

为了清晰起见，图5中展示的原材料被划分为四组：第一组包括聚氯乙烯、炭黑、醋酸乙烯、石墨和异丙醇；第二组包括铝基板、聚丙烯、磷酸铁锂和聚乙烯；第三组包括铝、钢、碳纤维、聚四氟乙烯和橡胶；第四组包括四氟乙烯、甲醇和碳载体铂催化剂。在区域运输碳足迹对比中（图5），上海基地的聚氯乙烯、炭黑和醋酸乙烯的运输碳排放显著低于北京，降幅分别超过95%、99%和96%。这些材料主要用于HFC系统中壳体结构、电极粘结和气扩散层的构建，其运输路线上的排放强度对整体全生命周期碳足迹有显著影响。由于上海在地理位置上更接近这些材料的主要供应来源地，更短的铁路运输距离在物流环节形成了低碳优势。GIS空间分析进一步验证了这一结果，表明生产基地与原材料来源地的空间匹配对碳足迹有显著影响，并凸显出运输网络的空间动态是区域差异的关键驱动因素。从实际供应链规划角度来看，这些结果表明聚氯乙烯、炭黑和醋酸乙烯是上海生产基地本地化采购或区域集聚的特别合适候选材料。其显著更低的运输碳足迹表明上海设施与相应供应地点之间存在更强的空间匹配。因此，优先考虑就近供应商或为这些材料建立区域集中供应网络，可以有效缩短铁路运输距离并降低相关排放。这种空间协调将有助于将GIS-LCA的发现转化为可执行的供应链战略，并增强上海生产基地的低碳优势。图5 放大查看 下载至幻灯片 图5. 区域差异对碳足迹的影响（kgCO?eq/kg）。 图5 放大查看 下载至幻灯片 图5. 区域差异对碳足迹的影响（kgCO?eq/kg）。 关闭图5。北京基地的聚乙烯、聚四氟乙烯和碳纤维等材料的运输碳足迹比上海低约30%–80%。这些材料通常用于膜电极、电解质隔膜和热管理结构，其运输排放的降低主要得益于北京与产地之间更高效的铁路线路配置和更匹配的距离。具体而言，聚四氟乙烯和碳纤维在北京的运输路线更短、更集中，有助于提高物流效率并降低单位碳排放。其较低的运输碳足迹表明北京与相应供应地点之间具有更有利的空间匹配，特别是聚四氟乙烯和碳纤维在北京的铁路运输路线更短、更集中。因此，优先选择区域供应商并加强这些材料的本地化采购网络，可以进一步缩短运输距离并降低相关排放。这一策略将有助于将GIS-LCA分析中识别出的空间优势转化为北京生产基地实际可执行的低碳供应链规划。这表明，如果燃料电池制造环节重点使用此类功能高分子材料，北京在物流环节具有更强的减排潜力，适合部署膜组件和电极层等核心结构的低碳生产。

总体而言，本研究建立了一个基于GIS-LCA的框架，用于在从摇篮到坟墓的全生命周期背景下量化电池供应链中空间明确的运输碳足迹。该框架通过在全生命周期统一质量基准功能单位（1 kg电池系统）下整合铁路网络数据与物料流量清单，实现了对不同电池技术运输相关排放的一致比较。结果表明，原材料采购来源、运输距离和区域空间布局共同塑造了运输阶段的碳足迹，为解释物流在全生命周期排放中的作用提供了结构化依据。在不同电池技术中，运输阶段排放在全生命周期碳足迹中占比有限但存在结构性差异。NMC电池因材料密集度高和供应链地理分布分散而表现出相对较高的运输相关贡献，而氢燃料电池系统在既定假设下的运输阶段影响要低得多。固态电池因电解质组成和采购模式的影响而呈现中间特征。尽管运输并非全生命周期排放的主导来源，但其在不同技术间的变异性凸显了供应链空间布局作为电池行业渐进式脱碳重要杠杆的重要性。此外，本分析采用统一的铁路排放因子以维持方法学一致性；未来运输技术转型（如铁路进一步电气化或更清洁的能源供应）可能带来的影响，仍是后续情景研究的重要方向。