中国省级电力NEC锂电池能源和环境足迹的时空评估：耦合材料流动分析与生命周期评估

中国正见证电力电池行业的快速发展，同时电池退役潮也在不断增加。本研究创新地开发了耦合材料流动分析与生命周期评估模型，以评估2025年至2035年间中国各省锂铁磷酸盐（LFP）和镍钴锰（NCM）电池的能源足迹（EF）、碳足迹（CF）和水足迹（WF）的时空分布。主要发现如下。（1）2025年至2035年间，中国31省的LFP和NCM电池销售和库存总体呈初期增长后下降的趋势，退役尚未达到峰值。退役趋势是LFP电池逐渐超过NCM电池。（2）LFP电池的生命周期EF、CF和WF性能优于NCM电池。（3）中国电力电池行业的EF、CF和WF整体呈现初期增长后逐渐下降的趋势，空间差异显著。这些足迹主要集中在山东、江苏、浙江、广东、河北、河南和四川七个省份。
在新能源汽车行业的强劲增长支撑下，中国已成为全球最大的电动汽车电池消费国，占全球需求超过一半[1]。中国开发了以镍钴锰（NCM）和锂铁磷酸盐（LFP）电池为基础的电力电池系统，技术处于行业前沿[2]。然而，NCM和LFP电池的生产和使用带来了巨大的资源和环境压力，严重阻碍了交通行业的可持续发展。随着第一代电动汽车大规模退役的推进，中国必须全面评估电池的资源和环境影响，战略规划行业布局，持续优化发展，探索未来电池技术的合理路径。
确定电力电池需求何时、何地以及出现程度，是评估电池行业能源和环境足迹的基本前提。目前，中国新能源乘用车市场呈现出明显的地区异质性。NEV的渗透率受经济发展、气候条件和地理环境的变化影响，从东部沿海省份向中部和西部地区逐步下降。2024年，只有12个省份报告了渗透率超过全国平均水平[3]。这种区域失衡直接导致电池需求、库存和回收量在空间上的差异。鉴于中国广阔的地理面积以及多重因素的影响——包括技术轨迹、经济发展水平和区域能源结构——假设各省均有统一的回收率，将导致对环境影响和资源效益的准确估计。因此，必须调查省级电池需求、在用库存和报废退役情况，以便进行更精细的时空评估，促进省际比较，并提出更详细、有针对性的改进建议。
尽管如此，当前的研究主要集中在利用时间序列方法预测国家层面的新能源汽车销量，包括应用ARIMA模型[4]、灰色模型[5]和深度学习技术[6]来预测中国新能源汽车的销售情况。除了计量经济学和机器学习方法外，一些学者采用更直接的方法，基于国家发展目标进行预测，将乘用车数量乘以政策驱动的推广目标，以推导出电动汽车的预期销量。基于此，一些学者试图预测省级电力电池的退役情况。Li 等人（2022）[7] 结合线性拟合与韦布尔分布，估算国家车辆退役参数，并直接应用于省级预测。同样，Li等（2025）假设所有省份电动车普及率和LFP/NCM比值相同，以估算省级二生应用和电池回收潜力[8]。这些研究假设相对简单，未考虑省际电池类型或退役时间的差异。此外，现有研究往往侧重于销售预测或退休潜力，缺乏对全国省级销售、股票和退休情况的全面描绘。
生命周期评估（LCA）为评估产品、服务或工艺在整个生命周期——从生产到废弃物处置——的环境影响提供了有力的框架，并广泛应用于环境政策和战略规划中[9]。现有文献通常采用某一设施1千瓦时或1吨电池的一年快照，而未将分析扩展到宏观层面、区域差异化的评估。例如，有些研究专注于锂离子电池（LIBs）[10]或镍锰钴（NMC）[11]的从摇篮到门极的能源和环境性能，对LFP和NMC生产相关的温室气体排放进行比较分析[12]，或NMC与镍钴铝（NCA）[13]。其他研究专注于动力电池的回收阶段，评估环境影响——包括气候变化、非生物资源消耗和酸化——适用于LFP[14]、氧化钛酸锂[15]以及LFP和NMC电池[16]在不同回收工艺下的表现。基于以往研究，采用摇篮到坟墓生命周期评估，评估NCM[17]、Li-S [18]、NiMH[19]、钠离子[20]、全固态NCM（A-NCM）和全固态LFP（A-LFP）电池[21]在生产、使用及报废回收阶段的碳足迹和环境影响。以往的LCA研究大多忽视了时间的动态效应。随着电池市场的快速渗透和退役潮的到来，电池的能源和环境足迹并非一成不变;未来电池体积和成分的变化将产生重大影响。因此，中国电池行业的时空宏观能源和环境足迹仍难以理解。
为克服LCA的静态限制，有必要将LCA与物料流动分析（MFA）结合[22]。MFA与LCA的结合应用促进了对能源和环境影响的全面评估：MFA阐明了电力电池的各种流动和处置路径，LCA则量化了每种路径相关的环境影响。MFA与LCA的整合在能源和环境管理研究中日益受到认可，包括塑料供应链[23,24]、建筑[25]和快速包装材料[26]。然而，它尚未被用于评估电池行业的能源和环境足迹。
本研究开发了一体化的物料流动与生命周期评估模型，评估2025年至2035年期间中国省级LFP和NCM电池的能源、碳和水足迹时空分布，全面呈现省级电力电池行业的能源和环境足迹全景。主要贡献如下。（1）确定何时、何地以及产生多少电池需求是评估足迹的基础。本研究首次呈现了2025年至2035年期间中国各省级电池销售、库存和退役的长期预测。（2）以往研究主要聚焦于基于案例的电力电池LCA，缺乏宏观层面、省级的比较。本研究首次采用MFA-LCA耦合方法，在中国省级范围内动态评估LFP和NCM电池的时空能能及环境足迹。（3）虽然大多数现有电池LCA研究强调碳足迹评估，但本研究创新地提供了长期省级能源、碳和水足迹的综合分析，为未来政策制定提供宝贵见解。

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