歐盟動力電池梯次利用的現狀和發展趨勢

安徽省汽車工業學校 劉 倩

隨著新一輪科技革命和產業革命的蓬勃興起，汽車產業的新四化（電動化、網聯化、智能化、共享化）逐漸成為發展的潮流。動力電池是新能源汽車的“心臟”，占據整車成本可以達到30%~40%，因此汽車的電動化趨勢極大地帶動了動力電池的發展。10年前一輛電池動力汽車（BEV）的電池容量為22 kWh左右，而2019年該數字是43.1 kWh，特斯拉Model X車更是達到了90 kWh。在目前的電池技術沒有重大突破的情況下，要想獲得更多的續航里程，一方面可以優化汽車的風阻系數，減輕汽車的總體重量，以降低單位能耗，另一方面可以通過對電池組（pack）的結構優化和改變電芯的排放形式來提高電池的比能量（如CATL的CTP電池、比亞迪的刀片電池、蜂巢能源疊片技術等）。總體來看，大容量的電池意味著更大的續航里程。而電動化帶來的退役電池的處理也逐漸進入人們的視野。這個問題如果處理不好，將會給環境保護帶來新的沖擊，并影響汽車產業的長期發展。

梯次利用是一個“偽命題”還是產業變更迭代的下一個“風口”？據Circular Energy Storage預測，動力電池梯次利用在未來10年將會成為一個百億元級的市場。2013年是電動汽車大規模應用的開始時間，根據電池4年~8年的使用壽命計算，2018年即為梯次利用的元年，因為從這年開始，動力電池迎來了大規模的“退役”潮。2018年大概有1 GWh的“退役”動力電池被進行了梯次利用，保守預估，2025年和2030年將達到16 GWh和45 GWh。中國和歐盟是電動汽車最大的兩個市場，因此在動力電池梯次利用領域也是處于領先地位。美國僅次于中國和歐盟之后。本文談談歐盟動力電池梯次利用的情況，以期對我國動力電池梯次利用工作有所借鑒。

1 動力電池梯次利用的應用場景和技術路線

據CleanTechnica網站公布的2021年全球新能源品牌銷量數據顯示，2021年全球新能源車型累計銷量近650萬輛，較2020年同期增長108%，其中TOP20品牌銷量476.34萬輛，占全球銷量的73.3%。具體來看，2021年全球新能源品牌銷量榜單TOP20中，中國品牌8家，德系品牌4家，歐系品牌3家，美系品牌2家，韓系品牌2家，日系品牌1家。與2020年相比，2021年新能源乘用車的銷量增長108%，這一數據也是自2012年以來最高年增長率的一年。2021年新能源乘用車市場規模接近650萬輛，市場份額達9%，其中純電動汽車的增長速度與插電混合動力車形成了明顯的差異，其中純電動車銷量320 810輛，DM插電式混合動力汽車銷量272 935輛，純電動汽車與插電混合動力車銷量分別同比增長69%和31%，此外，混合動力車同比增幅為9%。其中，中國品牌8家分別為比亞迪、上汽集團、上汽乘用車、長城歐拉、廣汽埃安、奇瑞集團、小鵬汽車及長安汽車。比亞迪以59.39萬輛的銷量排名第2名，實現了超過220%的同比增長，全球市場份額達9.1%；上汽集團以45.61萬輛的銷量排名第3名；上汽乘用車以22.70萬輛的銷量排名第7名；長城歐拉以13.74萬輛的銷量排名第12名；廣汽埃安以12.54萬輛的銷量排名第14名；奇瑞集團以9.91萬輛的銷量排名第18名；小鵬汽車以9.86萬輛的銷量排名第19名，小鵬P7車型銷量創下歷史新高，也是其首次進入年度前20名；長安汽車以9.79萬輛的銷量排名第20名。中國2021年以銷售新能源乘用車293.98萬輛排名第一，占據全球新能源乘用車市場份額達45%，總的來說，中國市場的新能源汽車銷量表現較為亮眼。2021年，歐洲18個國家銷售的電動汽車數量約為230萬輛，自2016年以來的5年內增長了約13倍，占新車市場的比重已超過10%。其中，純電動汽車2021年的保有量較2020年增長64%至119萬輛。然而，當時間走進2022年，歐洲新能源汽車市場的增長大幅放緩。1月~2月，德國、英國、法國、意大利、西班牙、挪威等國的新能源汽車銷量均較2021年11月~12月出現明顯下滑。而動力電池作為新能源汽車的“心臟”，銷量自然也是水漲船高。綜上所述，汽車行業的電動化趨勢已不可逆轉。根據德邦證券公司2020年度預測，2025年電動汽車全球銷量有望達到1 400萬輛（未計入新型冠狀病毒肺炎對汽車行業的影響）。歐洲電動化趨勢最為確定，2025年估計會到達450萬輛，滲透率近28%，未來6年年均復合增長率（CAGR）將超過42%。

電動汽車的出現一定程度上減少了環境的污染壓力，但是同時也帶來新的難題：動力電池的老化和處理。隨著電動汽車運行里程的增長、動力電池充放電次數的增加，動力電池“退役”后何去何從成為了行業關心的內容。而動力電池被退換并不代表它已經損壞，實際上它還有很大的利用空間，通過一定技術手段的處理，還可以降級應用于其他場合，這就是梯次利用的由來。所謂動力電池梯次利用是指從電動汽車上回收來的動力電池，不直接進入電池降解工廠，而是對電池進行評估和數據分析，根據動力電池容量衰減的多少決定不同的二次用途。按照動力電池衰減后所剩容量的多少依次用于低速電動車或電動自行車、家庭儲能等對電池能量要求密度較低的領域。在經過多梯次利用后，動力電池的最后一步才會走進降解工廠。

理論上來講，乘用車的動力電池使用壽命可以達到4年~8 年，而商用車只有3年~5 年，當其容量衰退到初始容量的70%~80%時，它就再也無法適應高功率和長續航里程的技術要求了。動力電池梯次利用的時間據預估可達8年~10 年，因此梯次利用可以充分發揮動力電池的剩余壽命，進一步降低動力電池的全生命周期成本。

1.1 動力電池梯次利用的應用場景

目前裝機的動力電池種類大概可以分為三元和磷酸鐵鋰兩個陣營，三元鋰電池能量密度大（約250 Wh/kg），但是存在循環次數少（1 500次~2 000次）、安全性能差和成本高等缺點。而磷酸鐵鋰電池剛好相反, 它的特點在于成本較低、安全性高、高倍率充放電特性和較長的循環壽命。三元鋰電池中含有大量的鎳鈷錳金屬，回收效益高，加上它的循環數次有所限制，梯次利用價值不大，更適合直接回收。所以目前梯次利用的電池種類主要是磷酸鐵鋰電池。

動力電池梯次利用的應用場景包括靜態場景和動態場景兩種。靜態場景主要是化學儲能，應用于包括發電側、配電側、用戶側儲能，通訊基站后備電源，家庭、商業儲能，分布式發電、微網，等等。動態場景主要是如電動單車、低速代步車、物流車、城市環衛車的鉛酸電池的替換等。圖1所示為一個靜態儲能應用場景。

圖1 動力電池梯次利用靜態儲能應用場景

動力電池梯次利用愿景雖好，但是目前也面臨著一定的難題：一是在篩選、重組和壽命預測方面存在技術難點，經濟和安全性能不理想；二是盈利模式尚未成熟，導致動力電池回收檢測、開發利用成本過高；三是產業鏈和生態圈未能建立，上下游產業未能無縫對接；四是相關技術規范和標準發展滯后，如電池管理系統模塊（BMS）接口是否規范，歷史數據是否可查詢，等等 。這些技術難題制約著動力梯次利用的大規模發展，甚至有報道稱，很多主機廠和電池廠明確表示不愿意將回收的動力電池用于梯次利用，避免后期在梯次利用過程中出現安全事故，從而對公司品牌產生負面影響。而規模上不去又反過來限制了技術的發展，形成了惡性循環。這也不難解釋目前動力電池梯次利用總體應用成本可能比采用新電池的儲能系統還要高。

1.2 動力電池梯次利用的技術路線和優缺點

動力電池梯次利用的技術路線目前主要有兩種：第一是整包利用，第二是拆解篩選再重組。兩種方法各有優缺點，但是根據經驗，推薦直接整包利用，這個也是歐盟ELSA（Energy Local Storage Advanced system）項目的核心技術所在。

（1）直接整包利用。直接整包利用的優點主要體現在，不需要考慮不同廠家各種電芯的一致性，屬于輕資產投入，甚至不需要專門的設備和存儲區域，是初創企業的最佳切入點（2019年奇瑞控股集團與上海電力大學聯合開發的“動力蓄電池梯次利用異構兼容儲能電站”項目就是這個路線）。直接整包利用的缺點是，需要知道原生BMS的通信接口協議，出于競爭或智慧產權的考慮，很多動力電池廠家并不想開放接口給第三方，造成開發難度加大和選擇余地減少（各自為營）。整包利用的方法省去了動力電池包的拆解和重組環節，避免了后續因為電芯品牌不同而出現參數不一致性導致的問題，開發流程也可以大大縮短。整包利用技術路線的一般開發步驟：退役電池→基于Matlab/Simulink的model設計→ PCS（儲能變流器）設計→驗證→安裝。另外，由于清潔能源（主要是風能和太陽能）的不斷發展和電網現代化對化學儲能的需求不斷增加，2030年靜態儲能需求量（電網儲能、充電站和通訊基站后備電源）將達到140 GWh，而該年度退役電池的總容量預估為45 GWh，只占總需求量的32%，因此退役動力電池將不會出現供大于求的局面。事實上，中國鐵塔副總經理曾表示，中國鐵塔全國基站電池總量超過40 GWh，中國鐵塔完全可消化大部分的退役電池。如果再加上儲能，中國鐵塔的需求可消化超過1 000萬輛新能源汽車的退役動力電池。由此可見，動力電池直接整包利用具有很大空間。

根據經驗來看，整包利用的技術路線將會是目前最好的選擇。輕資產投入，可以容許更多的玩家進入以進行技術方面的研究和市場的培育，同時檢測成本和電芯的不一致性影響也大大降低，等市場規模上來之后，再逐步完善相關的BMS接口標準和梯次利用相關的法律法規，一切將會迎刃而解。

（2）先拆解、篩選，之后再重組利用。其優點是，不需要知道原生動力電池BMS的接口和算法。但其缺點是，需要完成拆解、檢測、篩選、重組等多個步驟，而目前篩選技術有待突破，各個廠家生產的動力電池的電壓、內阻、電容等參數均不一樣，重組后很難達到良好的一致性，系統會在很少的循環次數下容量有斷崖式下跌，造成維護困難和成本升高，很難實現商業上的盈利。另外，需要具備一定的動力電池存儲空間和相應的資質，通過環評手續有一定的困難，屬于重資產投入。

2 歐盟動力電池梯次利用的現狀和發展趨勢

2.1 政策體系

我國從2009年開始就陸續出臺了相關的動力電池回收政策，例如2018年工信部等七部委聯合發布的《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，鼓勵開展梯次利用和再生利用，并且明確規定先進行梯次利用再進行資源回收，推動動力蓄電池回收利用模式創新。美國政府對電動汽車采取兩頭抓的方式——同時制約電動車制造者和消費者。在制造者方面，政府對生產企業收取部分回收費用，資金用于動力電池回收利用，同時要求動力電池回收企業和動力電池制造企業協議買賣動力電池原材料。在消費者方面，美國政府會對購買電動汽車的車主收取一定的“押金”，督促車主在動力電池“退役”時上交動力電池。在“兩頭抓”的模式下配合美國國內建立的回收利用網絡，使動力電池從生產者到消費者都處于可控狀態，對環境保護起到了積極作用。此外，美國政府還針對電動汽車立法，從生產、銷售、運輸和使用等方面提出了相關技術規范。日本屬于能源進口國，對新能源的探索開始較早。早在上世紀90年代，日本企業就提出了電池“生產→銷售→回收→再處理”的思路。進入新世紀后，日本政府介入，規定電池生產企業對電池的回收利用負責，政府會給予生產企業部分補助。相比于美國，日本國土面積小，當然更加注重環境保護，在推廣電動汽車之前就已經在探索動力電池的回收利用工作。本田和豐田作為世界級的車企，在日本國內動力電池回收利用工作上的積極性和責任的表現更是值得我們國內企業學習。

事實上，歐盟是最早關注電池回收并采取措施的地區，1991年就推出了《含有某些危險物質的電池與蓄電池指令》，其中規定這些電池需單獨回收。德國政府在電池回收利用上規定生產者承擔主要責任，通過企業政府備案、電動車經銷商組織回收和倡導車主主動上交廢舊電池的多環節并行線路，形成電池回收利用機制。在德國國內，明顯的特點是政府嚴厲監管電池回收利用工作。歐盟基于其在3C電池、鉛酸電池的回收方面起步較早，積累了很多相關的經驗，2006年另外出臺了廢舊電池的處理和回收政策（2006/66/EC），因此歐盟也建成了由動力電池生產企業來承擔回收主體的配套體系（生產者責任延伸制）。該體系主要有幾個特點。

（1）生產者承擔回收、處理和再生利用所產生的費用，并對使用者提出法定義務，如押金制度。

（2）建立聯盟體系，由聯盟代替加盟的生產商履行相關的回收責任。如德國的回收聯盟GRS基金，目前是歐洲最大的鋰電池回收組織。電池企業按照產量向GRS繳納會費的方式共享回收網絡，目前會員已達4 600家。丹麥要求所有電池零售商回收廢舊電池并對新電池的銷售征收6%~8%的稅，用于支付回收運輸和處理過程中產生的各種費用。另外在Horizon 2020資助下，歐盟還成立了一個“BATTERY 2030+”計劃，旨在解決未來電池研發過程中所面臨的挑戰，提出了對電池的整個生命周期進行設計的理念：從原材料到回收的閉環協同運轉，同時還規劃電池的回收率至少達到75%以上。而目前丹麥的廢舊電池回收率已經達到了75%，瑞典的回收率更是達到了95%。雖然歐盟各國的回收政策有所區別，但都是基于歐盟總部所頒發的政策法規作為指導思想。

如前所述，由于動力電池篩選、檢測和剩余容量預估方面的技術尚未成熟，商業模式不完善，運輸、存儲成本過高等因素的限制，動力電池梯次利用的大規模應用還得假以時日。歐盟和中國是電動汽車最大的市場，同時也是最大的動力電池回收利用市場。兩者在動力電池梯次利用方面處于類似的狀況，即目前大部分的梯次利用項目主要還是政策鼓勵、示范效應為主。歐盟“地平線2020”計劃（Horizon 2020）是其境內最大的研究和創新資助框架，從2014年~2020年，陸續投入了800 億歐元用于新技術的研發和探討，其中有17個項目屬于智能電網和儲能模塊（包括退役動力電池的梯次利用）。據統計，歐盟境內目前有10幾個與動力電池梯次利用相關的項目在運行，大部分是主機廠（如雷諾、戴姆勒、寶馬、日產）與公共機構（如電廠）和研究機構的合作。例如，歐盟Horizon 2020框架全資資助的前沿開創性項目動力電池梯次利用項目ELSA，其目的在于實現電動汽車退役動力電池在靜態儲能方面的應用。該系統能兼容各種不同動力電池（雷諾和日產）的同時組網，能有效進行調頻調峰改善電能質量等操作，技術水平屬于全球領先。目前ELSA在歐盟境內有近10個示范點在運行中，充分驗證了動力梯次利用項目整包利用的可行性，并解決了延長動力電池的全生命周期的技術瓶頸。比利時最大的材料回收公司優美科（Umicore）目前也參與到整個動力電池回收利用的鏈條中并發揮越來越大的作用。

2.2 歐盟動力電池梯次利用發展趨勢

目前，歐盟各國紛紛加大了購買新能源汽車的激勵政策，用于減緩新型冠狀病毒肺炎對汽車行業的影響。因此在疫情之后，新能源汽車在歐盟勢必會迎來一波高潮。另外歐盟還有多部有關電池回收利用的法律框架正在審理之中，各大車企均有或者正在參與處理自家退役動力電池的項目，如Renault + Umicore + ENGIE，PSA + Mitsubushi + EDF + Forsee Power，Volkswagen + MAN + VHH等之間的合作，因此大家將會看到越來越多的動力梯次利用項目出現在人們的視野中。屆時，動力梯次利用將會成為電池全生命周期中不可或缺的一環。

一直以來，歐盟在推動各種技術和發展經濟的同時非常看重環保效應，相比而言，我國更偏向于經濟效益，因此經常出現先亂后治的局面。在動力電池的回收及梯次利用領域，我國的產業鏈發展迅速并日臻完善，但需要注意產業過熱和無序發展造成重復開發。因此需要更多的政策引導和規范。歐盟在這方面一直穩步前進，雖然不是一日千里，但是有值得我們學習的地方。

雖然歐盟在電芯、模組設計方面的能力比較微弱，但是其在鋰電池系統集成和材料回收方面具有非常強大的優勢。如比利時的Umicore、英國和瑞士的Glencore、德國的Accurec及法國的Recupyl 等均是回收鏈條上的重要玩家。總體而言，歐盟和其他發達國家均非常重視廢舊電池的梯次利用，但由于下游應用體量較小，相關研究均處于起步和試點階段。

然而，新能源汽車的發展趨勢已經不可逆轉，不管被迫還是源于主動選擇，大部分傳統汽車廠商都已經在做電動化方面的轉型，消費者的習慣也在慢慢轉變。從目前特斯拉不斷攀升的市值（特斯拉2020年6月份的市值已經超過豐田，成為汽車領域市值最高的汽車制造商，而這一過程僅用了不到17年）就可以窺見市場對電動化的認可程度。電動化的迅速發展同時也帶來了退役電池如何處理這個難題。基于資源最大化方面的考慮，梯次利用被業內認為是目前退役動力電池最好的去處。但是由于經濟模式和技術方面的限制，梯次利用領域還存在一定的困難，甚至有人從安全性能和經濟性能層面考慮，認為梯次利用是一個“偽命題”。然而動力電池的大規模退役潮已經開始，百億元級藍海的賽道徐徐開啟。隨著相關標準的發布和政策的日臻完善，技術方面的不斷試錯和深入研究，還有上下游產業的協同作業水平不斷提高，顯而易見，梯次利用將會成汽車行業的下一個“風口”。