目录

第一章 电池生命周期（LCA）可持续性评估

• 第1部分：基于动态MFA与资源相关的可持续性分析

• 第2部分：移动性锂离子电池生命周期评估（LCA）的现状

• 第3部分：一种通用、模块化和清晰的锂离子电池LCA模型

• 第4部分：面向未来的电池

• 第5部分：锂和后锂电池的生产及回收

第二章 电网规模锂离子电池储能的关键挑战

第三章 钠离子电池

第四章 新兴的锌电池技术用于大规模能源储存

第五章 可持续发展的锂电池行业所面临的挑战与展望

第六章 锂现状和可持续供应-支持电动汽车行业和无碳社会

第七章 生物材料在绿色可持续电池中的应用

参编人员

联合主席：

黄云辉 同济大学

Jennifer L. M. Rupp 麻省理工学院与慕尼黑工业大学

Marcel Weil 卡尔斯鲁厄理工学院

梁成都 浙江大学

小组成员：

Christian Bauer 保罗·舍勒研究所

Simon Burkhardt 吉森大学

Linda AgerWick Ellingsen 运输经济研究所

Neil P. Dasgupta 密歇根大学

Linda L. Gaines 阿贡国家实验室

郝瀚 清华大学

Roland Hischier 瑞士联邦材料科学与技术实验室

胡良兵 马里兰大学

Jürgen Janek 吉森大学

李泓 中国科学院物理研究所

李巨 麻省理工学院

Yangxing Li Advanced Power

卢怡君 香港中文大学

罗巍 同济大学

Linda F. Nazar 滑铁卢大学

Elsa A. Olivetti 麻省理工学院

Jens F. Peters 阿尔卡拉大学

Jay F. Whitacre 卡内基梅隆大学

徐盛明 清华大学

共同作者：

Yi-Meng Huang 麻省理工学院

陆雅翔 中国科学院物理研究所

胡勇胜 中国科学院物理研究所

傅婧 同济大学

Zheng Li 阿卜杜拉国王科技大学

赖志平 阿卜杜拉国王科技大学

Mei-Ling Wu 马里兰大学

杨春鹏 马里兰大学（现已入职天津大学）

Yi-Ming Dai 同济大学

Nature Sustainability编辑

Yaoqing Zhang

Monica Contestabile

部分核心观点：

图1 按行业和电池化学分类的电池需求预测。

全球锂离子电池需求从2010年的16 GWh增加到2020年的266 GWh，这意味着过去十年内增长了十倍以上。图1展示了未来几十年全球电池需求的参考预测。电池需求与今天的水平相比， 2030年预计将增长10倍，到2050年还会再增加2-3倍。

2020年全球电动汽车销售额达到300万，占汽车总销售额的4.6%。在欧洲、中国和美国，电动汽车的市场份额分别达到10%，5.7%和2%（IEA 2021）。在挪威，电动汽车的市场份额已高达70%以上，是世界上最高的水平。

最近2021年每月的电动汽车销售表明，中国和包括德国，法国和英国在内的欧洲主要国家的电动汽车市场份额超过20%，这是电动汽车进入快速商业化阶段的重要标志。

在追求更安全、更便宜和更长距离电池的推动下，固态和钠离子电池正在成为下一步电池化学品的候选者。从长远来看，下一代化学品如金属硫、金属空气电池预计将突出重围，尽管尚未克服重大的技术障碍。

图2 研究中关键金属需求和回收潜力的预测。

图2显示了轻型车辆的预计材料流出量，即材料回收的可能性。由于在用车辆中储存材料、材料流出量比材料需求滞后约十年。考虑到需求方面的快速增长和材料外流的滞后，回收在2040年之前不太可能在满足材料需求方面发挥重要作用。

2020年，智利和澳大利亚共同负责全球锂矿产量的71%。钴矿的地理集中度更高，刚果（金沙萨）（USGS 2021）钴储量占全球的51%。

图3 碳酸锂生产的逐级温室气体排放。

图3报告的工业生产过程结果在不同的数据源和供应链之间差异很大。综合来看，卤水碳酸锂比锂辉石岩碳酸锂具有更低排放。

图4 目前的材料和发展Na-ion电池的有效策略。

基于层状氧化物阴极的NIBs比一般的LIBs具有成本优势，其中铜-铁-锰系统是最好的。

图5 锂离子电池和纳离子电池模型的成本比较。模型系统是1千瓦时的电池，所有的成本都是美元。

为了实现200Wh/kg的软包钠离子电池，它应该以200 mAh/g的正极与400 mAh/g的负极配合运行，电池的平均电压为3V，其中具有过渡金属和氧氧化还原反应的层状氧化物正极和具有平坦电位的无序碳负极可以帮助实现这一目标。

开发简单有效的Na补偿（预氧化）技术，以帮助实现更高的能量密度和更长的10000次循环寿命，对电网储能至关重要。

图6 钠离子电池的研究方向、内容和目标。