低碳時(shí)代下EV電池4R模式及其商業(yè)體系的建設(shè)研究①

天津理工大學(xué)國(guó)際工商學(xué)院 王柏鑫 潘鵬 馬宇慧 楊雪松 蘇利東

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也在不斷提高。還存在許多問(wèn)題，能源和環(huán)境是世界各地人們正在探索的重要問(wèn)題。汽車(chē)作為當(dāng)今社會(huì)人們主要的出行工具之一，尤其是以消耗石油能源為動(dòng)力的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，它對(duì)能源和環(huán)境是一種巨大的破壞，因此，為了保護(hù)能量和環(huán)境，將產(chǎn)生基于電能的電動(dòng)車(chē)輛?！傲闩欧拧弊鳛殡妱?dòng)汽車(chē)最主要的優(yōu)點(diǎn)，幫助了人們?cè)谝欢ǔ潭壬蠝p緩了能源和環(huán)境上的破壞，在黨的十八大報(bào)告中首次提出“促進(jìn)綠色發(fā)展，循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展”這使得電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在未來(lái)不可或缺。

以電能驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)最主要及最核心的則是EV電池，然而電池的使用是有一定年限的，EV電池的性能將降至原始性能的80%，并且不會(huì)繼續(xù)使用。這時(shí)EV電池將會(huì)被淘汰，然而如何有效地利用以及回收這些EV電池，怎樣將EV電池的使用價(jià)值提到最高，環(huán)境污染降到最低，如何形成高效率的循環(huán)體系。本文將以改善以上問(wèn)題作為出發(fā)點(diǎn)，嘗試構(gòu)建新回收循環(huán)模式。

1 國(guó)內(nèi)EV電池發(fā)展概況

2018年我國(guó)動(dòng)力電池累計(jì)產(chǎn)量達(dá)70.6GWh，銷(xiāo)量達(dá)62.3GWh，而裝車(chē)量共計(jì)56.9GWh，同比增長(zhǎng)56.3%。目前，我國(guó)大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)都使用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。由于它不含鈷等貴金屬元素，回收和拆卸的經(jīng)濟(jì)效益低，但耐高溫，安全性和穩(wěn)定性高，循環(huán)容量更好，因此磷酸鐵鋰電池更適合梯子的使用。由于三元電池含有鈷等貴金屬元素，因此三元電池更適合拆卸和使用。

在我國(guó)，由于國(guó)土面積大，從北到南，緯度跨越巨大，造成溫度的差異也十分的大，由三元材料制成的電池耐低溫，高能量密度，高充電效率和更高的安全性。它比磷酸鐵鋰電池更好，更適合當(dāng)前和未來(lái)的家用電動(dòng)汽車(chē)，這也是電動(dòng)汽車(chē)電池市場(chǎng)的當(dāng)前趨勢(shì)。

用于回收三元電池中貴金屬元素的相關(guān)數(shù)據(jù)表明，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，金屬鈷回收率為95%，碳酸鋰的回收率為85%，同時(shí)指的是目前金屬鈷和碳酸鋰價(jià)格走勢(shì)，估計(jì)到2020年，電池回收市場(chǎng)空間可達(dá)到107億元，至2024年可提升至245億元。隨著時(shí)間的推移，新能源汽車(chē)電池的回收價(jià)值將逐步增加。

1.1 國(guó)內(nèi)EV電池原料供給情況

鋰、鈷、鎳等原材料對(duì)EV電池是必不可少的存在，其中正負(fù)極主要是由磷酸鐵鋰、三元材料、錳酸鋰、石墨等活性物質(zhì)以及集流體(大多數(shù)為鋁箔和銅箔)組成，易受到資源供給的限制。

中國(guó)的鋰儲(chǔ)量占全球鋰儲(chǔ)量的23%，位居世界第二，但中國(guó)的鋰資源主要集中在青海和西藏。以目前的技術(shù)水平，加工困難，成本高，年產(chǎn)量?jī)H占大約全球總產(chǎn)量的5%。導(dǎo)致我國(guó)企業(yè)所需要的碳酸鋰以及金屬鈷等原材料都高度依靠進(jìn)口，原材料的價(jià)格對(duì) EV電池的成本有很大影響。然而，國(guó)內(nèi)目前的電池回收政策實(shí)施成效不明顯，循環(huán)利用效率較為薄弱，這使得 EV電池的循環(huán)利用更加重要。

1.2 國(guó)內(nèi)電池回收現(xiàn)狀

如圖1所示，目前國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)鋰電池退役數(shù)逐漸增多，EV電池循環(huán)壽命、車(chē)輛使用情況等綜合估算，2018年后，新能源汽車(chē)動(dòng)力電池將進(jìn)入大規(guī)模退役階段。自2016年以來(lái)，超過(guò)80%的新能源乘用車(chē)配備了三元材料動(dòng)力電池。因此，2020年后，三元材料動(dòng)力電池的廢料將大幅增加，預(yù)計(jì)到2020年，累計(jì)退役EV電池將超21Gwh，而21Gwh的動(dòng)力電池將消耗約23萬(wàn)噸的制作材料。

圖1 鋰動(dòng)力電池逐年退役量預(yù)測(cè)

國(guó)家為了保證EV電池的有效回收利用，工信部、國(guó)務(wù)院、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員在2016年12月和2017年1月及2017年5月分別發(fā)布“新能源汽車(chē)動(dòng)力電池回收利用管理暫行辦法”和“生產(chǎn)者延伸責(zé)任制實(shí)施方案”“汽車(chē)動(dòng)力電池的回收和拆卸規(guī)范”明確了回收動(dòng)力電池的原則。它確保廢舊電池規(guī)格的回收和安全處理，以及環(huán)保和高效回收，確保退役動(dòng)力電池的回收率。

1.3 國(guó)內(nèi)EV電池回收難題

為解決目前城市空氣污染問(wèn)題，大量投入的新能源汽車(chē)發(fā)揮了重要作用，然而，在投入使用的數(shù)年后將會(huì)出現(xiàn)大量報(bào)廢的難處理的動(dòng)力電池，這些廢舊的動(dòng)力電池回收將成新的難題，動(dòng)力電池和鉛酸電池的組成差別較大，因此鉛酸電池的處理方式并不適用于動(dòng)力電池。而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上70%動(dòng)力電池的原料為磷酸鐵鋰，可再生性低，回收利用處理困難。具體原因表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.3.1 市場(chǎng)混亂

目前，中國(guó)的汽車(chē)動(dòng)力電池回收和再利用，由于規(guī)模的限制，尚未形成合理的回收市場(chǎng)。只有通過(guò)回收消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中的鎳氫，鎳鎘和鋰電池。濕法、火法或機(jī)械法用于提取有價(jià)值的金屬，如鎳、鈷、錳和稀土。與大多數(shù)可再生資源的回收類(lèi)似，大多數(shù)可回收物是不合格的自雇人士，回收行為受利益驅(qū)動(dòng)，缺乏約束；此外，最終回收企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、環(huán)保設(shè)施不足、技術(shù)落后、綜合資源利用率低。中國(guó)的新能源汽車(chē)動(dòng)力電池回收沒(méi)有國(guó)家回收網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有建立有效的回收模式，市場(chǎng)不規(guī)范。整體處于無(wú)序狀態(tài)，許多收購(gòu)和分散經(jīng)營(yíng)都沒(méi)有規(guī)模。許多民營(yíng)企業(yè)不顧環(huán)境污染處理廢舊電池，廢物不按標(biāo)準(zhǔn)排放。他們以高價(jià)回收電池，擾亂本就不成規(guī)模的市場(chǎng)，更造成了極大的安全隱患。

1.3.2 環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大

由于廢舊的動(dòng)力電池所含的重金屬鈷、鎳、錳、鉛等，當(dāng)廢電池?zé)o法被正規(guī)安全回收時(shí)，其中的重金屬以及其中的電解液LiPF6將向環(huán)境中擴(kuò)散，鉛、錳、鎳這些重金屬更會(huì)損壞人體的中樞神經(jīng)，而電解液LiPF6燃燒或揮發(fā)都會(huì)產(chǎn)生有毒氣體。這些對(duì)環(huán)境和人的健康都會(huì)產(chǎn)生巨大的危險(xiǎn)。此外，無(wú)論濕法工藝，火災(zāi)工藝或機(jī)械工藝如何，都將產(chǎn)生廢氣，廢液和廢渣。

1.3.3 動(dòng)力電池回收體系不成熟

動(dòng)力電池的生產(chǎn)企業(yè)，回收處理企業(yè)、政府主管機(jī)關(guān)、消費(fèi)者等不能有效的聯(lián)系到一起，缺乏合作，各方責(zé)任難以履行、未能將生產(chǎn)、使用、報(bào)廢、再利用這一循環(huán)有效實(shí)施。

2 EV電池4R模式的商業(yè)化探究

2.1 廢舊電池的梯次利用

梯次利用可以將廢舊EV電池的殘余價(jià)值發(fā)揮到最大，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以降低周期成本，延長(zhǎng)使用壽命，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。隨著使用次數(shù)的增加，動(dòng)力電池的性能會(huì)下降，如圖2所示。當(dāng)動(dòng)力電池的性能下降到原始性能的80%時(shí)，不符合電動(dòng)汽車(chē)的使用標(biāo)準(zhǔn)，但仍可用于動(dòng)力電池性能要求低的地方。即進(jìn)入梯次利用階段，如儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)、通信基站、低速電動(dòng)交通工具(如移動(dòng)電源、36V/48V電動(dòng)摩托/自行車(chē)電池)等。當(dāng)電池性能進(jìn)一步降低到不適合使用梯子時(shí)，它將進(jìn)入回收，拆卸和再利用階段。

動(dòng)力電池的梯次利用對(duì)于每個(gè)國(guó)家來(lái)說(shuō)，它的商業(yè)模式還處于不斷探索的早期階段，還未出現(xiàn)完全成熟的一套運(yùn)作體系。許多研究機(jī)構(gòu)和公司已開(kāi)始大膽探索其商業(yè)模式。2017年德國(guó)奔馳公司與回收公司合作實(shí)施目前計(jì)劃投運(yùn)的全球最大的梯次利用項(xiàng)目—— Lünen 項(xiàng)目，該項(xiàng)目的退役電池用于梯子，退役電池的利用率為90%。在美國(guó)，美國(guó)可再生能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用退役的鋰離子動(dòng)力電池用于風(fēng)力發(fā)電以及作為獨(dú)立電源向偏遠(yuǎn)地區(qū)傳輸。

圖2 梯次利用示意圖

2.2 EV電池4R商業(yè)化模式探索

圖3 EV電池4R商業(yè)化模式探索

基于國(guó)內(nèi)外EV電池合理回收和再循環(huán)的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，基于4R(reuse、resell、refabricate、recycle)模式重新規(guī)劃設(shè)計(jì)了符合我國(guó)國(guó)情的EV電池回收處理再循環(huán)系統(tǒng)。如圖3所示，通過(guò)EV電池4R(再利用、再制造、再銷(xiāo)售、再循環(huán))模式的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新可改善EV電池回收循環(huán)成本高、再利用避免污染環(huán)境等問(wèn)題。通過(guò)梯次利用可在電力儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)揮余熱、廢棄后統(tǒng)一回收進(jìn)行提煉把對(duì)環(huán)境影響降到最低。不僅使EV電池利用率達(dá)到最大化來(lái)緩解電力儲(chǔ)能行業(yè)電池替換成本高問(wèn)題，同時(shí)讓其創(chuàng)造價(jià)值并衍生出在社區(qū)及商業(yè)區(qū)充電樁安裝不便的區(qū)域?yàn)楦嘈履茉窜?chē)供電的便捷服務(wù)，使供需雙方構(gòu)筑“win-win”雙贏關(guān)系。本模式所構(gòu)建的4R模式的合理推廣可在再生能源領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)2次高效利用EV汽車(chē)電池，進(jìn)一步減排二氧化碳，為實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

2.3 生產(chǎn)企業(yè)方面

EV電池制造商是4R模式周期中的重要一步，制造商為汽車(chē)制造商制造和供應(yīng)動(dòng)力電池。汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)再通過(guò)經(jīng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)將汽車(chē)售賣(mài)出去，這時(shí)，EV電池已經(jīng)開(kāi)始消耗，汽車(chē)生產(chǎn)商以及動(dòng)力電池制造企業(yè)將其售賣(mài)汽車(chē)以及制造電池的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。匯總到國(guó)家部門(mén)建立的EV電池回收網(wǎng)絡(luò)以及EV電池回收APP，這時(shí)，就可以得到具體的EV電池制造數(shù)量以及其投入使用的時(shí)間，并通過(guò)二維碼形式對(duì)每一個(gè)EV電池編碼，方便企業(yè)管理，節(jié)約企業(yè)成本。

2.4 消費(fèi)者方面

消費(fèi)者是4R模式中循環(huán)的重要參與者之一，當(dāng)消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)的汽車(chē)EV電池需要更換時(shí)，消費(fèi)者可以通過(guò)聯(lián)系電動(dòng)車(chē)售后機(jī)構(gòu)或電池租賃機(jī)構(gòu)等運(yùn)營(yíng)企業(yè)，電動(dòng)車(chē)售后機(jī)構(gòu)以及電池租賃機(jī)構(gòu)將其匯報(bào)到EV電池回收網(wǎng)絡(luò)或 EV電池回收APP，分銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)將聯(lián)系消費(fèi)者以回收電池或進(jìn)行交易。消費(fèi)者可以通過(guò)登陸EV電池回收網(wǎng)絡(luò)或APP了解信息。

2.5 經(jīng)銷(xiāo)商網(wǎng)絡(luò)方面

作為生產(chǎn)公司和消費(fèi)者之間的連接渠道，經(jīng)銷(xiāo)商通過(guò)汽車(chē)制造商向消費(fèi)者出售汽車(chē)。它還起到了幫助消費(fèi)者聯(lián)系汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)回收廢舊電池，以及收集消費(fèi)者需求信息，并將信息反饋給生產(chǎn)企業(yè)。

2.6 梯次利用與再生利用方面

梯次利用是本項(xiàng)目所要研究的重心以及項(xiàng)目的創(chuàng)新所在，首先，對(duì)廢舊電池進(jìn)行系統(tǒng)性的評(píng)估，包括回收成本的評(píng)估，使用壽命評(píng)估，以及電池安全性的評(píng)估。通過(guò)第一步的篩選后，將符合條件的廢舊電池進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，按照規(guī)格參數(shù)以及材料再進(jìn)行分類(lèi)，最后將不符合梯次利用標(biāo)準(zhǔn)的廢舊電池運(yùn)輸?shù)皆偕闷髽I(yè)。符合標(biāo)準(zhǔn)的電池，對(duì)其進(jìn)行重新組裝或重新制造之后，將其出售給儲(chǔ)能企業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)再銷(xiāo)售以及再利用。無(wú)法梯次利用的廢舊電池將在最后一并運(yùn)輸?shù)皆偕闷髽I(yè)，再生利用企業(yè)為回收其中重要的金屬包括鋰、鎳、鈷、錳等金屬、先對(duì)其實(shí)行預(yù)處理，其具體步驟為鹽水放電、熱處理、磁選除鐵、粒度分選、密度分選等，這樣做是為了更高效的回收廢舊電池中的貴重金屬。最終，提煉出的新金屬將進(jìn)行再利用，同時(shí)完成4R模式中的再循環(huán)。

2.7 EV電池回收網(wǎng)絡(luò)

(1)整合信息：EV電池回收網(wǎng)絡(luò)集成了EV電池制造商，汽車(chē)制造商、分銷(xiāo)商、梯次利用和回收再利用公司報(bào)告的數(shù)據(jù)，對(duì)廢舊電池進(jìn)行編碼。企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)分析數(shù)據(jù)的結(jié)果，規(guī)劃企業(yè)下一步計(jì)劃，若當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生重大改變時(shí)，及時(shí)適應(yīng)市場(chǎng)，避免出現(xiàn)重大虧損，增加企業(yè)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

(2)信息查詢(xún)：企業(yè)可以通過(guò)EV電池回收網(wǎng)站查詢(xún)電池的相關(guān)信息。如EV電池的生產(chǎn)商、EV電池的檢修期限、廢舊電池的安全性、使用壽命以及廢舊電池的規(guī)格型號(hào)、材料、廢舊電池電芯等相關(guān)信息，通過(guò)信息的查詢(xún)，可幫助企業(yè)了解電池制造廠(chǎng)商的生產(chǎn)信息，在此基礎(chǔ)上幫助企業(yè)及時(shí)判斷是否擴(kuò)大生產(chǎn)，幫助企業(yè)了解市場(chǎng)廢舊電池變化趨勢(shì)。

(3)企業(yè)調(diào)控：EV電池回收網(wǎng)絡(luò)通過(guò)數(shù)據(jù)分析整理，將一部分再生利用企業(yè)提煉出的金屬進(jìn)行再利用，除此之外，將市場(chǎng)稀缺及價(jià)格高的金屬進(jìn)行重點(diǎn)回收，最大程度幫助企業(yè)利潤(rùn)最大化。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析后，通過(guò)對(duì)廢舊電池進(jìn)行編碼以及分類(lèi)處理，方便企業(yè)對(duì)廢舊電池進(jìn)行大規(guī)模性質(zhì)的分類(lèi)處理，達(dá)到了規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效果，大大幫助了企業(yè)對(duì)廢舊電池的管控，保證了企業(yè)回收電池的質(zhì)量。降低了企業(yè)在人力、物力、財(cái)力上的消耗，降低了企業(yè)的回收成本。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著近幾年中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題層出不窮，我們應(yīng)該在保持高速建設(shè)發(fā)展的同時(shí)，盡可能減少對(duì)環(huán)境的破壞。在新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，一套成熟的EV電池商業(yè)體系尚未建設(shè)，通過(guò)政府組織，建立符合我國(guó)國(guó)情的EV電池回收商業(yè)體系，并結(jié)合4R模式的創(chuàng)新體系，這將會(huì)為我國(guó)在EV電池回收領(lǐng)域以及稀有金屬循環(huán)利用方面提供重要的保障，并迎合黨的綠色發(fā)展理念的號(hào)召，推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用。