基于Stanford模型的動力電池報廢量估算研究

彭結(jié)林，朱華炳，何雙華

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來，在相關(guān)政策的引導(dǎo)下，純電動汽車產(chǎn)業(yè)迎來了快速發(fā)展的局面，作為其核心零件的動力電池，在若干年后將進(jìn)入大量化的淘汰報廢階段，由此而產(chǎn)生的純電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展與資源環(huán)境之間矛盾將愈來愈突出[1-2]。動力電池中含有的銅、鈷、錳等重金屬元素在生態(tài)環(huán)境中產(chǎn)生累積效應(yīng)，經(jīng)過生物鏈進(jìn)入地下水源及土壤中，最終給人類健康帶來很大的影響，危害極大[3]。此外，動力電池中的其他成分在回收過程中可能會產(chǎn)生新的二次污染問題，如電解質(zhì)LiPF6具有較差的穩(wěn)定性，受熱到 60 ℃時便會開始分解成PF5，而且 LiPF6極易與空氣中的水分發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生 HF氣體，PF5和HF均為劇毒性氣體[4-5]，進(jìn)入呼吸道易引發(fā)感染等。因此，報廢動力電池如果不進(jìn)行妥當(dāng)處理，其所含的潛在有害物會造成環(huán)境污染，另一方面報廢動力電池中的鋰、鈷、銅及鋁等都是可再利用材料，具有極高的回收價值[6]。如果能從報廢動力電池中回收利用各種資源，尤其是獲得其原材料鋰，以緩解目前電池行業(yè)對鋰資源日益擴張的需求意義重大。

為了制定相適應(yīng)的回收決策，需要對未來動力電池的報廢量進(jìn)行估算。如何對其產(chǎn)生的報廢量進(jìn)行估算，了解其動態(tài)變化規(guī)律及預(yù)測其未來發(fā)展趨勢非常有意義，可以為相關(guān)部門就回收再利用規(guī)劃的制定提供幫助。

1 動力電池產(chǎn)量的估算

為了估算動力電池的報廢量，首先必須了解純電動汽車的產(chǎn)量，以其產(chǎn)量代替進(jìn)入市場的銷售量。根據(jù)純電動汽車2011-2015年的已知產(chǎn)量以及中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)提供的2016-2020年純電池汽車的預(yù)測產(chǎn)量，估算動力電池的報廢量。其步驟為：1) 根據(jù)純電動汽車的產(chǎn)量，估算2011-2020年動力電池的產(chǎn)量；2) 根據(jù)估算的動力電池產(chǎn)量，應(yīng)用斯坦福模型，對這10年動力電池的報廢量進(jìn)行估算；3) 進(jìn)一步分析估算結(jié)果。

1.1 動力電池產(chǎn)量的估算模型

據(jù)調(diào)查研究稱，目前，我國乘用車使用年限大約為12～15年，而小型出租車的強制報廢年限為8年[7]。

為了方便估算動力電池的報廢量，假設(shè)我國純電動汽車的市場推廣從2011年開始，且假設(shè)在我國傳統(tǒng)汽車相同的使用條件下，純電動乘用車的使用壽命為 15年，而純電動商用車的使用壽命為9年。

由于2011年是純電動汽車市場推廣的元年，則2011動力電池產(chǎn)量與純電動汽車的產(chǎn)量相等(每輛純電動汽車配有一組動力電池)，當(dāng)動力電池組達(dá)到使用壽命時，而純電動汽車還未使用至報廢年限，此時純電動汽車需要更換新的動力電池?？梢缘贸鰟恿﹄姵禺a(chǎn)量的估算模型如式(1)。

(1)

式中，Qi為第i年動力電池的產(chǎn)量(組)，i為從2011年起，i=0，1，…，n；pi為第i年純電動汽車的產(chǎn)量(輛)；l和L分別為動力電池和純電動汽車的使用壽命。

1.2 動力電池產(chǎn)量的估算

以2011年-2015年純電動汽車的已知產(chǎn)量為基礎(chǔ)，根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)對2016-2020年純電動汽車產(chǎn)量的預(yù)測值[8-10]，得到2011-2020年純電動汽車的產(chǎn)量如表 1 所示。關(guān)于純電動汽車中的動力電池信息如表2所示。

表1 2011-2020年純電動汽車產(chǎn)量的統(tǒng)計與預(yù)測值(輛)

表2 純電動汽車的動力電池信息[7]

由表2假定純電動乘用車和純電動商用車的動力電池組的使用壽命分別為 5 年和 3年，那么，對于2011年推廣使用的電動汽車，純電動乘用車的動力電池在2016年報廢，需要更換新的動力電池，而純電動商用車則在2014年就需要更換新的動力電池，在2017年第二次更換動力電池，到2020年時，2011年投入使用的純電動商用車報廢。因此，根據(jù)建立的動力電池產(chǎn)量Qi的估算模型，并依據(jù)表1中純電動汽車產(chǎn)量pi的統(tǒng)計值與預(yù)測值，可估算出純電動乘用車和純電動商用車動力電池的產(chǎn)量分別如表 3 和 表4所示。

表3 純電動乘用車動力電池產(chǎn)量的估算值

續(xù)表3

表4 純電動商用車動力電池組產(chǎn)量的估算值

2 動力電池報廢量的估算

2.1 斯坦福模型原理

斯坦福模型(Stanford Model)理論最初是由IMS(1991)對德國電子廢棄物進(jìn)行調(diào)查時提出的，后來Stanford Resourced 公司對美國電腦廢棄量進(jìn)行調(diào)查研究，在此基礎(chǔ)上建立起斯坦福估算模型，該模型依據(jù)產(chǎn)品的銷量、使用壽命和壽命分布比例來估算產(chǎn)品廢棄量[11]。在Stanford模型中，當(dāng)使用到報廢年限后，產(chǎn)品不會被完全廢棄，也不會全部使用至報廢年限，有部分產(chǎn)品在未達(dá)到使用年限時就已經(jīng)被淘汰，每年銷售的產(chǎn)品按照使用方式的不同，服從幾種不同的壽命分布。即對于某種產(chǎn)品來說，在某年銷售出去后，經(jīng)工作使用n1，n2，…，nm年后，其報廢被淘汰的概率分別為P1，P2，…，Pm，其中nm≥產(chǎn)品壽命L，且有P1+P2+…+Pm=1，而后可通過產(chǎn)品銷量(產(chǎn)量)來估算其未來的報廢量。

綜上，根據(jù)Stanford模型的原理，以2011-2020年動力電池的產(chǎn)量代替其進(jìn)入市場的銷量，可以建立動力電池報廢量的估算模型如式(2)。

(2)

式中，S為該年動力電池的報廢量(組)；l為動力電池的使用壽命；Qi為從該年算起i年前動力電池的產(chǎn)量；Pi為i年前生產(chǎn)的動力電池工作i年后報廢的概率。則動力電池的報廢量(萬噸)的計算公式為式(3)。

W=S×w/107

(3)

式中，W為該年動力電池的報廢量(萬噸)，w為每組動力電池的質(zhì)量(kg)。

2.2 動力電池報廢量的估算

已知純電動乘用車動力電池的使用壽命l為 5 年，純電動商用車動力電池的使用壽命l為 3年，同時假設(shè)純電動乘用車動力電池組的質(zhì)量w為 600kg/組，純電動商用車動力電池組的質(zhì)量w為1 500kg/組。

根據(jù)Stanford模型原理，每年生產(chǎn)的動力電池使用年限服從不同的壽命分布。由于各種故障問題，其實際壽命可能少于使用壽命l，也可能由于使用者平時保養(yǎng)維護(hù)得當(dāng)，實際壽命多于l。

根據(jù)我國目前動力電池技術(shù)的發(fā)展水平，將純電動乘用車動力電池的實際壽命分為7年、5年、3年、1年共4個等級，經(jīng)工作使用至7年、5年、3年、1年后報廢的概率分別表示為P7、P5、P3和P1，其中 2011-2018 年動力電池實際壽命最長為5年，2018年以后，科技的發(fā)展使得動力電池性能提高，最長壽命為7年。對于純電動商用車動力電池，將其實際壽命分為5年、3年、1年共3個等級，經(jīng)工作使用至5年、3年、1年后報廢的概率分別表示為P5、P3和P1，其中 2011-2018 年動力電池實際壽命最長為 3 年，而2018年以后最長壽命為 5 年[12]。則根據(jù)表3和表4動力電池的產(chǎn)量Qi、動力電池的壽命分布Pi及Stanford模型，可以得出純電動乘用車和純電動商用車動力電池報廢量的估算結(jié)果分別如表5和表6所示。

表5 純電動乘用車動力電池的報廢量

表6 純電動商用車動力電池的報廢量

續(xù)表6

根據(jù)表5和表6動力電池報廢量的估算結(jié)果，可得出2016-2020年純電動汽車動力電池報廢量發(fā)展趨勢如圖1所示。經(jīng)計算得出，2016-2020年其累計報廢總量達(dá)到129.18萬噸。

圖1 2016-2020年動力電池報廢量發(fā)展趨勢

3 結(jié)語

本文給出了2011-2020年純電動汽車動力電池報廢量的估算值?？梢钥闯觯弘S著純電動汽車產(chǎn)量逐年上升，動力電池的產(chǎn)量也在逐年上升，到2020年，純電動乘用車動力電池達(dá)到133萬組，純電動商用車動力電池達(dá)到62萬組；動力電池報廢量呈增長趨勢，其中，在2018年增長迅速，總體報廢量仍處于不斷上升的趨勢，在2020年達(dá)到47.444萬噸。

在2020年左右，大量報廢動力電池造成的固體垃圾是目前亟待解決的問題。對報廢動力電池進(jìn)行回收再利用是實現(xiàn)資源循環(huán)和構(gòu)建環(huán)境友好型社會的重要途徑。國家發(fā)改委聯(lián)合工信部發(fā)布了《電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策(2015年版)》，提出要明確落實生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度，要求電動汽車生產(chǎn)企業(yè)、梯級利用電池生產(chǎn)企業(yè)、報廢汽車回收拆解企業(yè)及電動汽車售后服務(wù)企業(yè)等，各相關(guān)企業(yè)應(yīng)該承擔(dān)報廢動力電池回收利用的責(zé)任[13]。

面對即將批量報廢的動力電池，針對國家發(fā)布的征求意見稿，建立生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度下的動力電池回收體系如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)者責(zé)任制的動力電池回收體系

這個回收體系體現(xiàn)了“電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策”的明確要求，在政府的激勵下，以動力電池生產(chǎn)企業(yè)、電動汽車生產(chǎn)企業(yè)、報廢汽車拆解回收企業(yè)、梯級利用電池生產(chǎn)企業(yè)及動力電池回收再利用企業(yè)為中心，構(gòu)建報廢動力電池回收網(wǎng)絡(luò)。

為了該回收體系能更好地實現(xiàn)，本文提出幾點建議：

1) 盡快研究制定動力電池的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對動力電池的結(jié)構(gòu)、連接方式、串并聯(lián)形式等標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行研究。貫徹落實政策中關(guān)于動力電池編碼標(biāo)準(zhǔn)、可追溯體系、有全生命周期信息記錄以便于提高檢測評估的便利性和準(zhǔn)確性的要求。

2) 制定關(guān)于激勵報廢動力電池回收再利用的詳細(xì)實施規(guī)則，明確獎罰機制。對沒有按照回收政策履行責(zé)任義務(wù)的企業(yè)進(jìn)行懲罰；對動力電池回收再利用企業(yè)進(jìn)行補貼、稅收優(yōu)惠，保證回收再利用企業(yè)的經(jīng)濟利益；采取消費者購買動力電池時收取押金或以舊換新的制度以提高消費者的回收意識。

3) 鼓勵加強對報廢動力電池回收再利用中復(fù)雜工藝及關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。鼓勵支持校企合作，積極推動高校和研究機構(gòu)積極開展關(guān)于報廢動力電池回收再利用的研究項目，開發(fā)先進(jìn)的回收處理技術(shù)，提高經(jīng)濟、環(huán)境效益。