吉林省新能源汽車廢舊電池產生量預測及環境管理對策研究

摘要：隨著新能源汽車的快速發展，大量退役的廢舊動力電池的環境安全問題逐漸凸顯。本文采用Holt雙參數平滑法對未來吉林省機動車、新能源汽車保有量進行預測，并據此預測退役的廢舊電池產生量與主要污染物產生量。結果表明，“十四五”時期，吉林省廢舊電池數量將呈指數型增長，預計產生約1.25萬t潛在危害物質。在分析吉林省廢舊電池管理現狀的基礎上，本研究提出了加強環境管理的相關對策，以期為吉林省廢舊動力電池管理政策的制定提供參考。

關鍵詞：環境管理；廢舊動力電池預測；市場供給A模型；指數平滑法；新能源汽車

中圖分類號：X323；X734.2 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-00-08

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.016

Abstract： With the rapid development of new energy vehicles， the environmental safety issues of a large number of retired waste power batteries are gradually becoming prominent. This paper uses the Holt dual parameter smoothing method to predict the future ownership of motor vehicles and new energy vehicles in Jilin Province， and based on this， predicts the production of retired waste batteries and the production of major pollutants. The results indicate that during the 14th Five-Year Plan period， the number of waste batteries in Jilin Province will increase exponentially， with an estimated production of approximately 12 500 tons of potential hazardous substances. Based on the analysis of the current situation of waste battery management in Jilin Province， this study proposes relevant measures to strengthen environmental management， in order to provide reference for the formulation of waste power battery management policies in Jilin Province.

Keywords： environmental management; prediction of waste power batteries; market supply A model; exponential smoothing method; new energy vehicles

交通運輸行業作為全球第二大碳排放源，約占全球碳排放總量的四分之一，交通運輸行業的能源低碳化轉型是實現雙碳目標的主要路徑之一[1-2]。為此，近年來我國大力推動新能源汽車產業的發展，在政策、技術與市場的三重驅動下，新能源汽車銷量快速增長[3-6]。“十三五”時期（2016—2020年），新能源汽車銷量由50.7萬輛增長至136.7萬輛，年均增長率高達28.2%，新能源汽車銷售量占汽車整體銷售量的比重由1.8%增長至5.4%。

吉林省是中國汽車工業的搖籃，擁有完備的汽車工業鏈、產業鏈[7]，為新能源汽車產業的發展奠定堅實基礎，《吉林省戰略性新興產業發展“十四五”規劃》將推動新能源汽車產業規模化發展列為重點任務。近年來，吉林省積極響應國家新能源政策，積極推廣普及新能源汽車，同時加大新能源汽車的研發與生產投入，目前省內已具備混合動力汽車開發和純電動汽車開發的完整體系，省內公共交通、公務用車及出租車已開始逐步替換為新能源汽車。

動力蓄電池是新能源汽車的動力核心，其壽命是有限的，而隨著新能源汽車的推廣普及加快，大量的廢舊電池將產生。廢舊電池的電解液通常具有強腐蝕性，且暴露空氣中會產生多種揮發性有機物和含氟無機化合物，具有腐蝕性和一定毒性[8-9]。三元鋰電池所含的鎳、鈷、錳等金屬元素具有環境累積效應，經生物富集后通過食物鏈進入人體，引起金屬中毒[10-12]。

大量的廢舊電池流入環境勢必會影響人體和生態健康。目前，我國正迎來新能源汽車動力電池換裝和報廢的第一個高峰期，由于尚未建立完善的廢舊動力電池回收循環體系，我國正面臨著動力電池環境污染的風險[13-15]。作為汽車產業大省，未來幾年吉林省將面臨大量廢舊電池回收處置管理所帶來的環境風險。通過預測新能源汽車廢舊電池的產生情況，分析環境管理所面臨的問題，進而提出應對的統籌策略，有助于降低其環境風險，實現有效的環境管理。

1 吉林省機動車保有量發展現狀

公安部公布的數據顯示，2016—2020年全國新能源汽車保有量由91.28萬輛增至492.02萬輛，平均增長率為52.3%。2016—2020年，吉林省機動車保有量平均以每年32萬輛的速度增長，平均增長率為9.7%。其中，新能源汽車平均增長率為52.8%，高于全國平均水平。如圖1所示，吉林省新增機動車注冊量整體呈下降趨勢，而新增新能源汽車總體呈上升趨勢，但新能源汽車占機動車總量的比例仍較低，截至2020年底僅為0.27%，還有很大的增長空間。

從區域分布來看，吉林省各地區機動車保有量所占比例差異較大，2020年，長春市機動車保有量超過200萬輛，占全省的39.6%，其他市（州）機動車保有量占比均不超過10%（見圖2）。

2016—2020年，吉林省新能源汽車新增注冊量整體呈上升趨勢，但在省內各市（州）的分布不均衡（見圖3）。其中，長春市2020年新能源汽車保有量占全省的55.2%。通化市新能源汽車的推廣效果顯著，2018年后，其新能源汽車保有量在全省市（州）中排名第三。吉林省內新能源汽車保有量最少的是遼源市，僅占全省的2.8%。

2 新能源汽車廢舊電池產生量預測

本文通過預測新能源汽車新增量對廢舊電池產生量進行預測，目前用于汽車數量預測的模型主要有3種，分別為灰色系統預測模型[16-18]、多元回歸預測模型[19-20]和時間序列模型[21-23]。其中，灰色模型適用于原始數據完整性和可靠性較低的數據序列，多元回歸模型需要引入多個變量，其計算量較大且會因引入無關變量而導致預測精度較低。本研究采用適用性最廣的指數平滑法對機動車新增注冊量進行預測，指數平滑法是一種可以權衡過去和當前信息重要程度進行預測的時間序列預測模型，該方法需要連續的時間序列數據，但樣本量要求較小，適用于短期預測，廣泛應用于經濟學、工業、農業和醫學等領域[24-28]。雙參數平滑法又稱Holt指數平滑，適用于含有水平項和趨勢項的時序擬合預測，常用于有明顯趨勢但無季節性、周期性的時序預測中。其遞推關系如下：

式中：si和si-1分別表示第i和第i-1時刻的原始值；ti和ti-1分別表示經平滑處理后的i和i-1時刻的值；xi表示第i時次的預測值；xi+h表示第i+h時次的預測值；參數α∈[0，1]，β∈[0，1]，分別是控制水平項和趨勢項的參數。其中，參數值越大意味著越近的觀測值權重越大，本文使用雙參數平滑法對機動車新增注冊量進行預測，如圖4所示。

預測結果的百分比偏差（MAPE）為2.82%，故本次預測結果較好，可以用于后續計算與分析。預測結果表明，未來五年吉林省新增機動車注冊量整體呈下降趨勢，年均減少20 289輛，年平均下降7.8%。

《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》提出，要實現2025年新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右的發展愿景。考慮到政策因素及新能源汽車發展趨勢，假設2021年新能源汽車新增注冊量占機動車新增注冊量的4%，以每年占比增加4%的速率增長，不考慮該期間新能源汽車的報廢情況，以此對吉林省各市（州）的新能源汽車新增量進行預測，其中MAPE和RMSE分別表示平均百分比偏差和均方根誤差。最終預測結果如表1所示。

目前，常用于電子廢棄物產生量預測的方法主要有斯坦福模型、卡內基梅隆模型、市場供給模型和市場供給A模型[29-30]。其中，市場供給A模型和卡內基梅隆模型都是對市場供給模型改進而成，卡內基梅隆模型需要確定廢棄電器電子產品進入不同處理處置方式的比例，該比例難以確定，所以目前應用實例并不多[31]，市場供給A模型在市場供給模型的基礎上提出了電子產品在達到平均使用壽命后按照一定比例漸次退出使用，其計算公式為

式中：Q為預測年的廢舊電池量；Si為預測年前i年該產品的新增量；Pi為該產品使用i年退役的百分比；n為該產品的退役前最長使用壽命。

試驗表明，車用鋰電池平均循環2 000次左右后，其可用容量衰減至標稱容量的80%，需要更換新的動力電池[32-33]。參考楊杰等[34]對上海市新能源汽車的調查，平均單車每日充電0.83次，且當溫度降低時，充電次數會增加。東北地區平均溫度要遠低于上海市，因此按單車平均每日充電1次估算，吉林省新能源汽車動力電池服務壽命約為5年，平均壽命在上下三年波動。

基于新能源汽車歷史數據和預測結果，使用市場供給A模型對廢舊動力電池進行估算。假設廢舊動力電池壽命服從正態分布，轉化為標準正態分布后通過查表確定廢舊動力電池壽命。電池壽命在2年以下的占2.4%，即概率P2=0.024，電池壽命在2～3年的占5.7%，即概率P3=0.057，以此類推。根據現有研究，目前市場上插電式混合動力和純電動的乘用車電池質量平均為250 kg和350 kg，商用車分別是235 kg和1 900 kg[35]。經中國汽車工業協會統計，2020年新能源乘用車中純電動和插電式混合動力汽車分別銷售99.1萬輛和25.6萬輛，新能源商用車中純電動和插電式混合動力汽車分別銷售11.4萬輛和0.4萬輛，據此確定各類型新能源汽車比例。不同類型新能源汽車電池質量及比例如表2所示，吉林省新能源汽車廢舊電池預測如表3所示。

從預估數據來看，未來幾年吉林省廢舊電池的數量將呈指數型增長（見圖5），其中長春市廢舊電池基數大，增長速度最快，在2025年左右，廢舊電池數量將超過10 000 t，在2026年將會超過20 000 t，超過吉林省總量的一半。

3 新能源汽車廢舊電池污染物量及風險

3.1 吉林省廢舊電池污染物產生量核算

車用鋰電池主要由正極材料（三元鋰聚合物和磷酸鐵鋰）、負極材料（碳系）、電解質（LiPF6）、電解液（碳酸酯類）和隔膜等組成，其具體質量分數采用阿貢實驗室開發的EverBatt模型參數平均值。廢舊電池中的磷酸鐵鋰電池（LFP）和三元鋰電池（NMC）比例按2020年全國各類型動力電池裝車量比例確定[36]。根據涂康安[37]和王子玹等[38]的研究確定，各類型三元鋰電池正極材料含鋰7.0%～7.8%、鎳29.4%～51.3%、鈷3.0%～13.2%、錳2.8%～16.1%，磷酸鐵鋰電池中鋰的質量分數為4%左右，六氟硼酸鋰中鋰質量分數為4.6%。按比例折算，“十四五”時期的吉林省新能源汽車廢舊電池含有0.13～0.14 t鋰、0.38～0.67 t鎳、0.04～0.17 t鈷及0.04～0.21 t錳。廢舊電池成分構成及質量估算如表4所示。

3.2 新能源汽車廢舊電池回收壓力分布

2020年我國退役的廢舊動力電池達到23.78萬t，預計2022年和2025年廢舊電池將分別達到38.54萬t和80.36萬t[39]，黃莉等[40]使用金屬存量流量模型估算并預測2020年電動汽車電池中的鋰金屬理論報廢量可以達到0.17萬t。科學回收利用廢舊動力電池中蘊含的鋰資源，可以減少新礦開采帶來的環境污染，也降低了環境風險，同時還為鋰金屬的有效供給提供了支撐。

根據《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》和《新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規定》，工業和信息化部已經設立并公布了部分新能源汽車動力蓄電池回收服務網點。截至2021年12月20日，吉林省共有118個回收網點，大部分網點密集分布于長春市，其次是吉林市與延邊朝鮮族自治州，但回收網點在城市內的分布并不均勻，主要集中在小片區域。從吉林省來看，回收網點分布呈整體分散、局部緊密的特征。從數量來看，白山市、遼源市和四平市的回收網點數量最少，白山市只有兩個回收網點，遼源市和四平市分別只有4個。采用電池回收壓力指數Si來表征地區回收網點的回收壓力，其計算公式為

式中：Qi和ni分別為第i年的廢舊電池數量和回收網點數量。

由表5可以看出，2022年，四平市和白山市的廢舊電池回收壓力相較其他市（州）要更大。2022年，吉林省廢舊電池量達到6 594.5 t，平均單個網點需要回收廢舊電池55.9 t，若無新增回收網點，2026年，平均單個回收網點將需要回收廢舊電池417.5 t。

4 吉林省新能源汽車廢舊電池回收存在的問題

4.1 尚未建立完善的廢舊電池管理模式，回收網點建設與運營有待加強

當前，吉林省汽車產業的廢舊電池管理仍處于摸索階段，尚未建立完善的管理模式。電池回收環節仍處于無序狀態。網點分布整體分散、局部集中、覆蓋面小，致使用戶參與回收的主動性和積極性不高。此外，部分回收網點的建設和運營沒有嚴格按照《新能源汽車動力蓄電池回收服務網點建設和運營指南》做好防滲等風險防范措施，部分回收網點廢物暫存間存在污染物泄漏風險。

4.2 缺少正規的電池綜合利用與處置企業，相關技術研發不足

截至2021年12月20日，工業和信息化部已公布三批共47家符合《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件》的企業，其中暫無吉林省企業。一方面是由于目前吉林省內新能源汽車動力電池產生數量較少、市場需求小，難以形成規模化，另一方面企業在相關回收處理技術方面還有待提升。

4.3 配套的地方法規及政策不完善，缺少有針對性的監管機制

近年來，國家相繼出臺了《新能源汽車動力蓄電池回收利用暫行管理辦法》和《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件》等有關廢舊電池回收的政策法規，吉林省也相繼頒布了相關的配套法規與措施，但政策實施缺乏監管機制，對于違法違規收購和處置電池的行為沒有相應的處罰措施，違法成本低。新能源汽車動力蓄電池不屬于危險廢物管理范疇，因而缺少日常監管和強制性管控措施，主要依賴企業自主管理。

5 對策建議

5.1 建立適用于吉林省汽車產業的廢舊電池管理模式

目前，在新能源汽車發展較快的地區，如廣州市、北京市等地，分別以回收利用企業、汽車生產企業、第三方服務企業等為主導，形成了多種已推廣的典型管理模式（見表6）。參照現有模式，可以綜合多個模式的優勢，構建符合省情的管理模式。例如，使用信息化管理模式監督省內廢舊電池的來源、利用、轉移、儲存和回收途徑，參考互聯網模式整合廢舊電池產生、儲存信息，并為汽車生產企業、電池制造企業和綜合回收利用企業搭建高效的線上交易平臺。

5.2 推動相關技術研發，規劃建設一批再生利用企業

發揮吉林省在汽車產業相關領域技術研發的優勢，聯合高校、科研院所、一汽集團研發中心等科研力量，突破新能源汽車舊電池的梯次利用、再生利用等方面的技術瓶頸，降低成本、拓展利用途徑，發展環境友好型技術。在吉林省內規劃建設一批廢舊電池利用和拆解的規模化企業，與車企、回收企業形成上下游合作的產業鏈條，形成生產者責任延伸制度的保障機制。

5.3 優化回收網點布局，加強環境管理

目前，吉林省內回收網點主要依賴汽車銷售和服務網點進行建設，應根據《新能源汽車動力蓄電池回收服務網點建設和運營指南》要求，通過自建、共建、授權等方式建設共用型回收網點。按照相關規范要求建設廢舊電池暫存間，防止污染物泄漏，制作廢舊電池臺賬及電子標簽。環境執法等部門應當定期巡查相關環保設施運行情況，核實臺賬和轉運數據。

5.4 完善相關法規政策建設，保障環境執法

制定動力電池回收激勵政策，充分調動各方積極性，促進消費者、回收企業和汽車生產商等參與電池回收，加快廢舊電池回收體系的建設。另外，要根據國家相關法律法規制定地方條例，明確廢舊電池回收的責任主體，貫徹落實生產者責任延伸制度。加強環境管理與執法，規范廢舊電池回收、拆解和利用流程，落實回收拆解車間的環保措施，防止廢舊動力電池流向環境及違規操作造成環境污染，嚴格懲治違規儲存、轉運和處置廢電池的個體或企業。

6 結論

研究表明，未來吉林省新能源汽車保有量將快速增長，其中長春市新能源汽車保有量占比很大。隨著新能源汽車的增長，加上廢舊電池的累積效應，廢舊電池數量將呈指數型增長。“十四五”時期將累計產生6.5萬t廢舊電池，其中含有0.13～0.14 t鋰、0.38～0.67 t鎳、0.04～0.17 t鈷及0.04～0.21 t錳等金屬資源以及1.25萬t其他有毒有害物質。而在現有回收條件下，廢舊電池回收壓力與環境風險將會持續上升。必須盡快建立廢舊電池管理與環保規章制度，嚴懲廢舊電池違規回收、轉運和拆解；優化廢舊電池回收網點建設，提高廢舊電池回收率；出臺相關政策鼓勵新能源動力電池綜合利用企業發展，落實各項環保措施，保障廢舊電池無害化、資源化處理；汲取現有廢舊電池管理模式的經驗，完善電池溯源制度，為電池生產企業、汽車生產企業、回收網點及綜合利用企業搭建平臺，形成科學的電池管理模式。

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