石墨（包括天然石墨和合成石墨）与石墨烯作为锂离子电池（LIBs）的负极材料及添加剂，已被广泛应用与研究。在追求碳中和的进程中，锂离子电池有望通过减少对化石燃料的依赖并促进可再生能源的整合，在降低二氧化碳排放方面发挥关键作用。凭借技术成熟度与卓越的电化学性能，全球用于锂离子电池的石墨与石墨烯产量预计将持续增长。过去数十年间，众多研究者聚焦于通过新型合成方法及实验室规模的多种改性技术，在优化石墨与石墨烯电化学性能的同时降低材料与能源消耗。
本文，英国华威大学Jie Yang、Chee Tong John Low等研究人员在《Carbon Eneregy》期刊发表名为“Rethinking the Roles of Graphite and Graphene in Lithium-Ion Batteries From Environmental and Industrial Perspectives”的综述，从产业视角出发，系统梳理了石墨与石墨烯在锂离子电池制造中的工艺方法、环境影响、研究进展及挑战，重点关注生产过程的碳足迹问题。同时探讨了石墨与石墨烯面临的新兴挑战及未来发展方向，为绿色锂离子电池领域的现有及未来研究提供了重要启示。
本文首次旨在从经济和环境角度总结锂离子电池中石墨和石墨烯的制造和实施当前存在的问题。为了使各国实现各自的净零目标，允许电气化取代污染性运输方式的新技术需要是可持续的。由于石墨和石墨烯是允许电力交通广泛采用的关键材料，因此它们都需要在制造步骤中进行思考和考虑，以确保它们能够以最小的成本、污染和环境破坏进行生产甚至回收。之前的综述论文已经成功地总结了锂离子电池中石墨和石墨烯性能相关的技术挑战和优点，但很少包括可持续生产的主题。例如，2024年，Zhao等撰写了一篇关于锂离子电池中石墨阳极的进展和挑战的综述，并成功总结了提高石墨阳极的倍率能力和初始库仑效率的最新研究，但没有提及改善工业供应链的绿色加工步骤。同样，Asenbauer等回顾了2020年石墨作为锂离子电池负极材料的成功案例，其中有一小节介绍了石墨回收，但没有介绍绿色加工方法;此外，自本综述发表以来，在石墨回收方面取得了重大进展，值得回顾。同样，最近关于石墨烯用于锂离子电池应用的综述，例如Kang等的综述，更具体地关注石墨烯的一个应用领域，例如其与阳极硅的协同作用，而不是其供应链的环境优缺点。
由于石墨烯是单层石墨，石墨和石墨烯也具有内在的联系，这意味着需要可持续石墨作为原料来大规模生产可持续石墨烯。本文总结并详细讨论了使石墨和石墨烯用于锂离子电池的“绿色”材料的问题和潜在解决方案。虽然现有的关于锂离子电池（LIB）中石墨和石墨烯的综述主要集中在它们的制备、性能和电化学性能上，如容量、循环稳定性和倍率能力，但本文采用了一种新颖而全面的方法，将环境影响、能源消耗、供应链动态、生命周期评估和循环经济的考虑纳入讨论中。鉴于全球对可持续储能解决方案的重视，这篇综述特别及时和相关。它不仅总结了锂离子电池中石墨和石墨烯的知识现状，还确定了现有的研究差距和未来机遇。通过将材料科学与现实世界的挑战联系起来，本综述旨在为研究人员、行业利益相关者和政策制定者提供可作的见解。
本综述系统地研究了电池级石墨和石墨烯全球供应链面临的主要环境挑战，并探索了学术和工业研究中出现的潜在创新解决方案。随着锂离子电池 （LIB） 在实现净零目标方面发挥越来越重要的作用，预计对高质量石墨和石墨烯的需求呈指数级增长，需要通过最大限度地减少碳足迹来紧急关注其生产可持续性。尽管当前的生产过程对全球二氧化碳排放量的贡献不大，但预期的扩大情景强调了先发制人地解决其环境影响的重要性。作为回应，许多初创公司和研究小组提出了旨在提高石墨和石墨烯供应链可持续性和效率的解决方案。其中包括使用可再生能源驱动的采矿设备和改进石墨加工方法，以提高产量，同时降低能源消耗。
石墨和石墨烯之间的结构关系为循环经济方法提供了独特的机会。具体来说，与原生石墨相比，锂离子电池中的废石墨正在成为生产石墨烯的更有用的前体。这两种材料也可以从废物中获取，进一步使这些材料的供应多样化并有助于平衡生产。“绿色”石墨的前景充满希望，几家公司已经扩大了该领域的生产规模。虽然再生石墨仍处于商业化的早期阶段，但它在集成到当前电池级石墨生产方法中具有巨大的潜力。政治因素也在推动关键材料闭环供应链的创建方面发挥了作用，尤其是在欧洲和美国。尽管绿色石墨烯生产是一个不断发展的领域，但由于所需的数量较少，它对锂离子电池的重要性不如石墨。尽管如此，它仍然显示出提高电池性能的希望，并得到了正在进行的学术研究的支持。
向绿色石墨和石墨烯生产的过渡面临着三个关键挑战，必须解决这些挑战才能实现可持续的锂离子电池 （LIB） 制造：
- 工艺优化 –石墨球化（对负极材料至关重要）和自上而下的石墨烯合成都存在产率不佳的问题。提高工艺效率对于减少浪费和提高经济可行性至关重要。
- 大规模环保生产 –目前的工业生产严重依赖破坏环境的方法，包括高温热解和氢氟酸 （HF） 处理。开发可扩展的替代品，以保持材料质量，同时消除这些危险过程仍然是一个主要障碍。
- 循环经济整合 –虽然再生石墨有望作为电池级石墨和石墨烯的原材料，但建立可靠的大规模供应链仍然具有挑战性。更广泛的采用需要技术进步和市场激励。
应对这些挑战将显着增强锂离子电池 （LIB） 制造的环境可持续性，有助于实现全球净零排放目标。解决这些问题需要采用多学科方法，结合：（1）技术创新：材料工程和工艺设计的进步;（2）经济激励：支持产业规模化的投资机制;（3）政策框架：加速行业采用的监管措施（例如，回收成分强制要求）。例如，在电动汽车电池中要求回收石墨将创造直接的市场需求，推动回收技术的创新，并使闭环石墨生产在商业上可行。技术、经济和政策解决方案的整合为实现这些关键电池材料对环境负责的规模化提供了一个强大的框架。这些进步对于建立真正循环和可持续的供应链至关重要，以支持不断增长的全球电池行业，同时实现气候目标。
文献：https://doi.org/10.1002/cey2.70099
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