中國(guó)電動(dòng)自行車行業(yè)鉛蓄電池的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

肖磊 李世隆 王琦 楊麗 宋博 賈剛

（中國(guó)自行車協(xié)會(huì) 北京 100079）

0 引言

鉛蓄電池作為一種技術(shù)成熟、高性價(jià)比、可回收利用的優(yōu)良動(dòng)力電池，在電動(dòng)自行車行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，鉛蓄電池的技術(shù)工藝及加工方法也在跟著不斷進(jìn)步，推動(dòng)了電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

鉛蓄電池的主要組成部分為正極板、負(fù)極板和隔板。正極板一般是由二氧化鉛（α-PbO和β- PbO）組成的活性物質(zhì)，負(fù)極板主要是由海綿狀鉛（Pb）組成的活性物質(zhì)，隔板本身材料為電子絕緣體 ，用于吸附電解質(zhì)溶液。當(dāng)鉛蓄電池的正負(fù)極被接通時(shí)，電池將進(jìn)行放電。放電時(shí)正極發(fā)生的反應(yīng)為：

PbO+ HSO+ 2H+ 2e→ PbSO+ 2HO

負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為：

Pb + HSO→ PbSO+ 2H+ 2e

總的反應(yīng)公式為：

PbO+ 2HSO+ Pb → 2PbSO+ 2HO

1 中國(guó)電動(dòng)自行車行業(yè)現(xiàn)狀

我國(guó)電動(dòng)自行車行業(yè)經(jīng)歷了由小到大、由弱變強(qiáng)的跨越，經(jīng)歷了抗擊國(guó)際金融危機(jī)、保持平穩(wěn)健康發(fā)展的挑戰(zhàn)，經(jīng)歷了調(diào)整振興、轉(zhuǎn)型升級(jí)、轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的變革。行業(yè)整體面貌發(fā)生了巨大變化，創(chuàng)造出了輝煌的業(yè)績(jī)，奠定了我國(guó)電動(dòng)自行車生產(chǎn)大國(guó)、出口大國(guó)、消費(fèi)大國(guó)的地位。

根據(jù)各主產(chǎn)區(qū)行業(yè)協(xié)會(huì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)并結(jié)合國(guó)家統(tǒng)計(jì)局規(guī)模以上企業(yè)數(shù)據(jù)，2020 年全國(guó)電動(dòng)自行車產(chǎn)量為4 126.1 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)14.3%。2020 年1—12 月，電動(dòng)自行車出口量201.8 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)38.9%；出口額8.21 億美元，同比增長(zhǎng)36.1%，出口量和出口額均比上年有較大幅度增長(zhǎng)。1998 年至2020 年，我國(guó)電動(dòng)自行車?yán)塾?jì)產(chǎn)量約4.8 億輛。充電器市場(chǎng)每年保持2 位數(shù)增長(zhǎng)。我國(guó)電動(dòng)自行車產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)情況，如圖1 所示。按照電動(dòng)自行車平均使用壽命8 年估算，截至2020 年年末，我國(guó)電動(dòng)自行車社會(huì)保有量約有3 億輛。

圖1 中國(guó)電動(dòng)自行車歷年產(chǎn)量情況

根據(jù)產(chǎn)量區(qū)域劃分，電動(dòng)自行車主要產(chǎn)區(qū)為天津、江蘇、浙江等地區(qū)，圖2 為2020 年我國(guó)電動(dòng)自行車主要產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)量占比。

圖2 2020 年中國(guó)電動(dòng)自行車主要產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量分布情況

2 中國(guó)電動(dòng)自行車行業(yè)鉛蓄電池使用現(xiàn)狀

鉛蓄電池作為電動(dòng)自行車的動(dòng)力源，是決定電動(dòng)自行車性能的重要部件。目前，正在使用的電動(dòng)自行車鉛蓄電池的基本情況如下：

2.1 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

標(biāo)準(zhǔn)的制定工作具有很強(qiáng)的技術(shù)性，是一項(xiàng)涉及多個(gè)方面的系統(tǒng)工程。目前，在鉛蓄電池技術(shù)比較先進(jìn)的歐洲、日本、北美等國(guó)家和地區(qū)，基本采用IEC 標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也在逐步與國(guó)際接軌。2019 年4 月15 日開(kāi)始實(shí)施的新國(guó)標(biāo)GB 17761—2018《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》，嚴(yán)格限定了電動(dòng)自行車的整車質(zhì)量不超過(guò)55 kg。新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，完善了電池的綜合治理標(biāo)準(zhǔn)體系，強(qiáng)化了安全使用的強(qiáng)制化治理，對(duì)推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)自行車鉛蓄電池的安全使用，具有重大意義。為適應(yīng)國(guó)標(biāo)的要求，各主要電池廠家根據(jù)電動(dòng)自行車的新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池做了專項(xiàng)研發(fā)。表1 列出了目前電動(dòng)自行車用鉛蓄電池主要適用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 電動(dòng)自行車用鉛蓄電池標(biāo)準(zhǔn)列表

目前，正在制定的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有《電動(dòng)自行車用充電器安全技術(shù)要求》和《電動(dòng)自行車電氣安全要求》，正在制定的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有《電動(dòng)自行車集中充電設(shè)施設(shè)備技術(shù)規(guī)范》。

2.2 產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)

電動(dòng)自行車在使用中最突出的問(wèn)題就是電池的容量、可靠性及安全性。目前，各鉛蓄電池廠家都注重電池安全測(cè)試和質(zhì)量管理，以減少電池安全事故，降低使用時(shí)的危險(xiǎn)性，保證使用安全；不斷提高鉛蓄電池比能量，特別是體積比能量，以適用電動(dòng)自行車的小型化及輕量化的發(fā)展趨勢(shì)；通過(guò)改進(jìn)板柵合金，采用活性物質(zhì)添加劑、薄極板、雙極性技術(shù)、膠體技術(shù)、卷繞技術(shù)以及改進(jìn)充電方式等措施來(lái)改善其性能，提高鉛酸電池的制造工藝技術(shù)。部分廠家針對(duì)電池壽命問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)壽電池，延長(zhǎng)電池使用年限。例如，天能集團(tuán)研究院的郭志剛等，從電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、板柵合金、固化及充電化成工藝4 個(gè)方面進(jìn)行了長(zhǎng)壽命鉛蓄電池的研發(fā)。實(shí)驗(yàn)表明，采用整體鑄焊、匯流排直接膠封的結(jié)構(gòu)，能夠改善電池使用壽命；在板柵合金中添加稀土和銀，能夠提高板柵的耐腐蝕性和蠕變強(qiáng)度，延長(zhǎng)電池使用壽命。同時(shí)，越來(lái)越多的先進(jìn)材料被采用到鉛蓄電池的制造過(guò)程中。例如，超威電源有限公司在鉛膏中加入一定含量的石墨烯，這樣可以有效抑制負(fù)極硫酸鹽化，改善電動(dòng)自行車用鉛蓄電池的循環(huán)使用壽命。

2.3 配套充電器的安全使用

充電器的質(zhì)量對(duì)電動(dòng)自行車用鉛蓄電池使用壽命有著很大的影響?！峨妱?dòng)自行車用蓄電池及充電器 第1 部分：密封鉛酸蓄電池及充電器》對(duì)電動(dòng)自行車用鉛蓄電池充電器提出了具體的要求。近年來(lái)，各種新型充電器及智能充電方法逐步在電動(dòng)自行車行業(yè)開(kāi)始普及，人們通過(guò)充電器的智能控制模式，有效解決了充電過(guò)程中的高溫?zé)崾Э?、低溫欠充電等?wèn)題，并可通過(guò)合適的脈沖充電方式抑制極化和硫化，延長(zhǎng)鉛蓄電池使用壽命。

2.4 廢舊電池回收利用

鉛蓄電池的平均使用壽命約為3 年，在一些使用量極大的條件下（如外賣電動(dòng)自行車等），鉛蓄電池的平均使用壽命約為1 年。依照現(xiàn)有電動(dòng)自行車保有量測(cè)算，2020 年，電動(dòng)自行車廢舊鉛蓄電池產(chǎn)生量約為200 萬(wàn)t，可回收利用再生鉛130 萬(wàn)t。隨著電動(dòng)自行車產(chǎn)量的逐年提升及外賣電動(dòng)自行車的占比逐年遞增，廢舊鉛蓄電池的產(chǎn)生量也將逐年增長(zhǎng)，廢舊鉛蓄電池的回收與梯次利用在不斷完善和創(chuàng)新。如圖3 所示，超威集團(tuán)通過(guò)“以舊換新、逆向物流”等方式回收廢舊鉛蓄電池：將代理商庫(kù)房按照環(huán)保要求改建后，作為廢舊鉛蓄電池暫存點(diǎn)；在規(guī)劃區(qū)域的工業(yè)園區(qū)內(nèi)租賃大型庫(kù)房，依照環(huán)保要求改建作為中轉(zhuǎn)站，暫存點(diǎn)的廢舊鉛蓄電池定期被運(yùn)送至指定中轉(zhuǎn)站進(jìn)行集中貯存；采用危險(xiǎn)廢物專用車輛將中轉(zhuǎn)站的廢舊鉛蓄電池集中運(yùn)往有資質(zhì)的再生鉛企業(yè)進(jìn)行冶煉；再生鉛產(chǎn)品作為原料供應(yīng)給電池生產(chǎn)企業(yè)，從而形成上下游產(chǎn)業(yè)鏈的閉合循環(huán)，有效提高鉛循環(huán)利用率，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)保護(hù)環(huán)境。

圖3 超威集團(tuán)鉛蓄電池循環(huán)利用體系

2.5 鉛蓄電池生命周期環(huán)境影響

鉛蓄電池全生命周期主要污染物排放清單如表2 所示。山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院劉巍和清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院田金平基于對(duì)鉛蓄電池產(chǎn)業(yè)鏈的廣泛調(diào)研，提出了鉛蓄電池生命周期環(huán)境影響模型，分析了從原材料生產(chǎn)、電池生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用以及廢舊電池回收的全生命周期環(huán)境影響，識(shí)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，提出改善建議，為鉛蓄電池行業(yè)的鉛污染防控提供了科學(xué)的依據(jù)。

表2 1 kW·h 鉛蓄電池生命周期主要污染物排放清單

減少電動(dòng)自行車鉛蓄電池生命周期環(huán)境影響的主要措施有：提高電池壽命和循環(huán)充電次數(shù)；鼓勵(lì)發(fā)展新技術(shù)，減少電池鉛消耗；完善廢舊電池的回收利用技術(shù)等。

3 電動(dòng)自行車及鉛蓄電池的行業(yè)展望

2021 年，面對(duì)內(nèi)外部環(huán)境和自身?xiàng)l件的變化，中國(guó)自行車協(xié)會(huì)結(jié)合行業(yè)實(shí)際，組織制定了行業(yè)“十四五”發(fā)展系列指導(dǎo)意見(jiàn)，該意見(jiàn)涵蓋總體及技術(shù)進(jìn)步、品牌標(biāo)準(zhǔn)、人才、“走出去”四個(gè)專項(xiàng)；通過(guò)落實(shí)系列指導(dǎo)意見(jiàn)，全力推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)行業(yè)加速向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

3.1 雖受新冠肺炎疫情影響，但我國(guó)電動(dòng)自行車近2 年的生產(chǎn)量及保有量均保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。2021 年市場(chǎng)仍將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，總產(chǎn)量和保有量持平或略有上升，預(yù)計(jì)2021 年電動(dòng)自行車產(chǎn)量為4 200 萬(wàn)輛。整體市場(chǎng)的穩(wěn)定將保證鉛蓄電池需求量繼續(xù)保持穩(wěn)定。

3.2 電動(dòng)自行車用鉛蓄電池及充電器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚需進(jìn)一步完善，以便適應(yīng)快速發(fā)展的電動(dòng)自行車市場(chǎng)。

3.3 鉛蓄電池需進(jìn)一步提高質(zhì)量，增加充放電循環(huán)次數(shù)、比能量，配置智能充電器，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)完善性能，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。