低碳時代下EV電池4R模式及其商業體系的建設研究①

天津理工大學國際工商學院 王柏鑫 潘鵬 馬宇慧 楊雪松 蘇利東

隨著科學技術的飛速發展，人們的生活質量也在不斷提高。還存在許多問題，能源和環境是世界各地人們正在探索的重要問題。汽車作為當今社會人們主要的出行工具之一，尤其是以消耗石油能源為動力的汽車來說，它對能源和環境是一種巨大的破壞，因此，為了保護能量和環境，將產生基于電能的電動車輛。“零排放”作為電動汽車最主要的優點，幫助了人們在一定程度上減緩了能源和環境上的破壞，在黨的十八大報告中首次提出“促進綠色發展，循環發展和低碳發展”這使得電動汽車產業在未來不可或缺。

以電能驅動的汽車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%，并且不會繼續使用。這時EV電池將會被淘汰，然而如何有效地利用以及回收這些EV電池，怎樣將EV電池的使用價值提到最高，環境污染降到最低，如何形成高效率的循環體系。本文將以改善以上問題作為出發點，嘗試構建新回收循環模式。

1 國內EV電池發展概況

2018年我國動力電池累計產量達70.6GWh，銷量達62.3GWh，而裝車量共計56.9GWh，同比增長56.3%。目前，我國大多數電動汽車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，回收和拆卸的經濟效益低，但耐高溫，安全性和穩定性高，循環容量更好，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，由于國土面積大，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，更適合當前和未來的家用電動汽車，這也是電動汽車電池市場的當前趨勢。

用于回收三元電池中貴金屬元素的相關數據表明，根據現有技術，金屬鈷回收率為95%，碳酸鋰的回收率為85%，同時指的是目前金屬鈷和碳酸鋰價格走勢，估計到2020年，電池回收市場空間可達到107億元，至2024年可提升至245億元。隨著時間的推移，新能源汽車電池的回收價值將逐步增加。

1.1 國內EV電池原料供給情況

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

中國的鋰儲量占全球鋰儲量的23%，位居世界第二，但中國的鋰資源主要集中在青海和西藏。以目前的技術水平，加工困難，成本高，年產量僅占大約全球總產量的5%。導致我國企業所需要的碳酸鋰以及金屬鈷等原材料都高度依靠進口，原材料的價格對 EV電池的成本有很大影響。然而，國內目前的電池回收政策實施成效不明顯，循環利用效率較為薄弱，這使得 EV電池的循環利用更加重要。

1.2 國內電池回收現狀

如圖1所示，目前國內新能源汽車鋰電池退役數逐漸增多，EV電池循環壽命、車輛使用情況等綜合估算，2018年后，新能源汽車動力電池將進入大規模退役階段。自2016年以來，超過80%的新能源乘用車配備了三元材料動力電池。因此，2020年后，三元材料動力電池的廢料將大幅增加，預計到2020年，累計退役EV電池將超21Gwh，而21Gwh的動力電池將消耗約23萬噸的制作材料。

圖1 鋰動力電池逐年退役量預測

國家為了保證EV電池的有效回收利用，工信部、國務院、國家標準化管理委員在2016年12月和2017年1月及2017年5月分別發布“新能源汽車動力電池回收利用管理暫行辦法”和“生產者延伸責任制實施方案”“汽車動力電池的回收和拆卸規范”明確了回收動力電池的原則。它確保廢舊電池規格的回收和安全處理，以及環保和高效回收，確保退役動力電池的回收率。

1.3 國內EV電池回收難題

為解決目前城市空氣污染問題，大量投入的新能源汽車發揮了重要作用，然而，在投入使用的數年后將會出現大量報廢的難處理的動力電池，這些廢舊的動力電池回收將成新的難題，動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力電池。而目前國內市場上70%動力電池的原料為磷酸鐵鋰，可再生性低，回收利用處理困難。具體原因表現在以下幾個方面。

1.3.1 市場混亂

目前，中國的汽車動力電池回收和再利用，由于規模的限制，尚未形成合理的回收市場。只有通過回收消費類電子產品中的鎳氫，鎳鎘和鋰電池。濕法、火法或機械法用于提取有價值的金屬，如鎳、鈷、錳和稀土。與大多數可再生資源的回收類似，大多數可回收物是不合格的自雇人士，回收行為受利益驅動，缺乏約束；此外，最終回收企業數量多、規模小、環保設施不足、技術落后、綜合資源利用率低。中國的新能源汽車動力電池回收沒有國家回收網絡，沒有建立有效的回收模式，市場不規范。整體處于無序狀態，許多收購和分散經營都沒有規模。許多民營企業不顧環境污染處理廢舊電池，廢物不按標準排放。他們以高價回收電池，擾亂本就不成規模的市場，更造成了極大的安全隱患。

1.3.2 環境污染風險大

由于廢舊的動力電池所含的重金屬鈷、鎳、錳、鉛等，當廢電池無法被正規安全回收時，其中的重金屬以及其中的電解液LiPF6將向環境中擴散，鉛、錳、鎳這些重金屬更會損壞人體的中樞神經，而電解液LiPF6燃燒或揮發都會產生有毒氣體。這些對環境和人的健康都會產生巨大的危險。此外，無論濕法工藝，火災工藝或機械工藝如何，都將產生廢氣，廢液和廢渣。

1.3.3 動力電池回收體系不成熟

動力電池的生產企業，回收處理企業、政府主管機關、消費者等不能有效的聯系到一起，缺乏合作，各方責任難以履行、未能將生產、使用、報廢、再利用這一循環有效實施。

2 EV電池4R模式的商業化探究

2.1 廢舊電池的梯次利用

梯次利用可以將廢舊EV電池的殘余價值發揮到最大，它的優點在于可以降低周期成本，延長使用壽命，促進循環經濟。隨著使用次數的增加，動力電池的性能會下降，如圖2所示。當動力電池的性能下降到原始性能的80%時，不符合電動汽車的使用標準，但仍可用于動力電池性能要求低的地方。即進入梯次利用階段，如儲能系統(ESS)、通信基站、低速電動交通工具(如移動電源、36V/48V電動摩托/自行車電池)等。當電池性能進一步降低到不適合使用梯子時，它將進入回收，拆卸和再利用階段。

動力電池的梯次利用對于每個國家來說，它的商業模式還處于不斷探索的早期階段，還未出現完全成熟的一套運作體系。許多研究機構和公司已開始大膽探索其商業模式。2017年德國奔馳公司與回收公司合作實施目前計劃投運的全球最大的梯次利用項目—— Lünen 項目，該項目的退役電池用于梯子，退役電池的利用率為90%。在美國，美國可再生能源國家重點實驗室利用退役的鋰離子動力電池用于風力發電以及作為獨立電源向偏遠地區傳輸。

圖2 梯次利用示意圖

2.2 EV電池4R商業化模式探索

圖3 EV電池4R商業化模式探索

基于國內外EV電池合理回收和再循環的經驗。結合我國國情，基于4R(reuse、resell、refabricate、recycle)模式重新規劃設計了符合我國國情的EV電池回收處理再循環系統。如圖3所示，通過EV電池4R(再利用、再制造、再銷售、再循環)模式的結構創新可改善EV電池回收循環成本高、再利用避免污染環境等問題。通過梯次利用可在電力儲能領域發揮余熱、廢棄后統一回收進行提煉把對環境影響降到最低。不僅使EV電池利用率達到最大化來緩解電力儲能行業電池替換成本高問題，同時讓其創造價值并衍生出在社區及商業區充電樁安裝不便的區域為更多新能源車供電的便捷服務，使供需雙方構筑“win-win”雙贏關系。本模式所構建的4R模式的合理推廣可在再生能源領域內實現2次高效利用EV汽車電池，進一步減排二氧化碳，為實現低碳社會做出貢獻。

2.3 生產企業方面

EV電池制造商是4R模式周期中的重要一步，制造商為汽車制造商制造和供應動力電池。汽車生產企業再通過經銷網絡將汽車售賣出去，這時，EV電池已經開始消耗，汽車生產商以及動力電池制造企業將其售賣汽車以及制造電池的數據統計。匯總到國家部門建立的EV電池回收網絡以及EV電池回收APP，這時，就可以得到具體的EV電池制造數量以及其投入使用的時間，并通過二維碼形式對每一個EV電池編碼，方便企業管理，節約企業成本。

2.4 消費者方面

消費者是4R模式中循環的重要參與者之一，當消費者購買的汽車EV電池需要更換時，消費者可以通過聯系電動車售后機構或電池租賃機構等運營企業，電動車售后機構以及電池租賃機構將其匯報到EV電池回收網絡或 EV電池回收APP，分銷網絡將聯系消費者以回收電池或進行交易。消費者可以通過登陸EV電池回收網絡或APP了解信息。

2.5 經銷商網絡方面

作為生產公司和消費者之間的連接渠道，經銷商通過汽車制造商向消費者出售汽車。它還起到了幫助消費者聯系汽車生產企業回收廢舊電池，以及收集消費者需求信息，并將信息反饋給生產企業。

2.6 梯次利用與再生利用方面

梯次利用是本項目所要研究的重心以及項目的創新所在，首先，對廢舊電池進行系統性的評估，包括回收成本的評估，使用壽命評估，以及電池安全性的評估。通過第一步的篩選后，將符合條件的廢舊電池進行進一步的篩選，按照規格參數以及材料再進行分類，最后將不符合梯次利用標準的廢舊電池運輸到再生利用企業。符合標準的電池，對其進行重新組裝或重新制造之后，將其出售給儲能企業，從而實現再銷售以及再利用。無法梯次利用的廢舊電池將在最后一并運輸到再生利用企業，再生利用企業為回收其中重要的金屬包括鋰、鎳、鈷、錳等金屬、先對其實行預處理，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行再利用，同時完成4R模式中的再循環。

2.7 EV電池回收網絡

(1)整合信息：EV電池回收網絡集成了EV電池制造商，汽車制造商、分銷商、梯次利用和回收再利用公司報告的數據，對廢舊電池進行編碼。企業對數據進行分析，通過分析數據的結果，規劃企業下一步計劃，若當數據發生重大改變時，及時適應市場，避免出現重大虧損，增加企業在市場的競爭力。

(2)信息查詢：企業可以通過EV電池回收網站查詢電池的相關信息。如EV電池的生產商、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格型號、材料、廢舊電池電芯等相關信息，通過信息的查詢，可幫助企業了解電池制造廠商的生產信息，在此基礎上幫助企業及時判斷是否擴大生產，幫助企業了解市場廢舊電池變化趨勢。

(3)企業調控：EV電池回收網絡通過數據分析整理，將一部分再生利用企業提煉出的金屬進行再利用，除此之外，將市場稀缺及價格高的金屬進行重點回收，最大程度幫助企業利潤最大化。通過對數據的分析后，通過對廢舊電池進行編碼以及分類處理，方便企業對廢舊電池進行大規模性質的分類處理，達到了規模經濟的效果，大大幫助了企業對廢舊電池的管控，保證了企業回收電池的質量。降低了企業在人力、物力、財力上的消耗，降低了企業的回收成本。

3 結語

隨著近幾年中國經濟迅猛的發展，環境問題層出不窮，我們應該在保持高速建設發展的同時，盡可能減少對環境的破壞。在新能源汽車開發領域，一套成熟的EV電池商業體系尚未建設，通過政府組織，建立符合我國國情的EV電池回收商業體系，并結合4R模式的創新體系，這將會為我國在EV電池回收領域以及稀有金屬循環利用方面提供重要的保障，并迎合黨的綠色發展理念的號召，推進資源全面節約和循環利用。