低碳时代下EV电池4R模式及其商业体系的建设研究①

天津理工大学国际工商学院 王柏鑫 潘鹏 马宇慧 杨雪松 苏利东

随着科学技术的飞速发展，人们的生活质量也在不断提高。还存在许多问题，能源和环境是世界各地人们正在探索的重要问题。汽车作为当今社会人们主要的出行工具之一，尤其是以消耗石油能源为动力的汽车来说，它对能源和环境是一种巨大的破坏，因此，为了保护能量和环境，将产生基于电能的电动车辆。“零排放”作为电动汽车最主要的优点，帮助了人们在一定程度上减缓了能源和环境上的破坏，在党的十八大报告中首次提出“促进绿色发展，循环发展和低碳发展”这使得电动汽车产业在未来不可或缺。

以电能驱动的汽车最主要及最核心的则是EV电池，然而电池的使用是有一定年限的，EV电池的性能将降至原始性能的80%，并且不会继续使用。这时EV电池将会被淘汰，然而如何有效地利用以及回收这些EV电池，怎样将EV电池的使用价值提到最高，环境污染降到最低，如何形成高效率的循环体系。本文将以改善以上问题作为出发点，尝试构建新回收循环模式。

1 国内EV电池发展概况

2018年我国动力电池累计产量达70.6GWh，销量达62.3GWh，而装车量共计56.9GWh，同比增长56.3%。目前，我国大多数电动汽车都使用三元锂电池和磷酸铁锂电池。由于它不含钴等贵金属元素，回收和拆卸的经济效益低，但耐高温，安全性和稳定性高，循环容量更好，因此磷酸铁锂电池更适合梯子的使用。由于三元电池含有钴等贵金属元素，因此三元电池更适合拆卸和使用。

在我国，由于国土面积大，从北到南，纬度跨越巨大，造成温度的差异也十分的大，由三元材料制成的电池耐低温，高能量密度，高充电效率和更高的安全性。它比磷酸铁锂电池更好，更适合当前和未来的家用电动汽车，这也是电动汽车电池市场的当前趋势。

用于回收三元电池中贵金属元素的相关数据表明，根据现有技术，金属钴回收率为95%，碳酸锂的回收率为85%，同时指的是目前金属钴和碳酸锂价格走势，估计到2020年，电池回收市场空间可达到107亿元，至2024年可提升至245亿元。随着时间的推移，新能源汽车电池的回收价值将逐步增加。

1.1 国内EV电池原料供给情况

锂、钴、镍等原材料对EV电池是必不可少的存在，其中正负极主要是由磷酸铁锂、三元材料、锰酸锂、石墨等活性物质以及集流体(大多数为铝箔和铜箔)组成，易受到资源供给的限制。

中国的锂储量占全球锂储量的23%，位居世界第二，但中国的锂资源主要集中在青海和西藏。以目前的技术水平，加工困难，成本高，年产量仅占大约全球总产量的5%。导致我国企业所需要的碳酸锂以及金属钴等原材料都高度依靠进口，原材料的价格对 EV电池的成本有很大影响。然而，国内目前的电池回收政策实施成效不明显，循环利用效率较为薄弱，这使得 EV电池的循环利用更加重要。

1.2 国内电池回收现状

如图1所示，目前国内新能源汽车锂电池退役数逐渐增多，EV电池循环寿命、车辆使用情况等综合估算，2018年后，新能源汽车动力电池将进入大规模退役阶段。自2016年以来，超过80%的新能源乘用车配备了三元材料动力电池。因此，2020年后，三元材料动力电池的废料将大幅增加，预计到2020年，累计退役EV电池将超21Gwh，而21Gwh的动力电池将消耗约23万吨的制作材料。

图1 锂动力电池逐年退役量预测

国家为了保证EV电池的有效回收利用，工信部、国务院、国家标准化管理委员在2016年12月和2017年1月及2017年5月分别发布“新能源汽车动力电池回收利用管理暂行办法”和“生产者延伸责任制实施方案”“汽车动力电池的回收和拆卸规范”明确了回收动力电池的原则。它确保废旧电池规格的回收和安全处理，以及环保和高效回收，确保退役动力电池的回收率。

1.3 国内EV电池回收难题

为解决目前城市空气污染问题，大量投入的新能源汽车发挥了重要作用，然而，在投入使用的数年后将会出现大量报废的难处理的动力电池，这些废旧的动力电池回收将成新的难题，动力电池和铅酸电池的组成差别较大，因此铅酸电池的处理方式并不适用于动力电池。而目前国内市场上70%动力电池的原料为磷酸铁锂，可再生性低，回收利用处理困难。具体原因表现在以下几个方面。

1.3.1 市场混乱

目前，中国的汽车动力电池回收和再利用，由于规模的限制，尚未形成合理的回收市场。只有通过回收消费类电子产品中的镍氢，镍镉和锂电池。湿法、火法或机械法用于提取有价值的金属，如镍、钴、锰和稀土。与大多数可再生资源的回收类似，大多数可回收物是不合格的自雇人士，回收行为受利益驱动，缺乏约束；此外，最终回收企业数量多、规模小、环保设施不足、技术落后、综合资源利用率低。中国的新能源汽车动力电池回收没有国家回收网络，没有建立有效的回收模式，市场不规范。整体处于无序状态，许多收购和分散经营都没有规模。许多民营企业不顾环境污染处理废旧电池，废物不按标准排放。他们以高价回收电池，扰乱本就不成规模的市场，更造成了极大的安全隐患。

1.3.2 环境污染风险大

由于废旧的动力电池所含的重金属钴、镍、锰、铅等，当废电池无法被正规安全回收时，其中的重金属以及其中的电解液LiPF6将向环境中扩散，铅、锰、镍这些重金属更会损坏人体的中枢神经，而电解液LiPF6燃烧或挥发都会产生有毒气体。这些对环境和人的健康都会产生巨大的危险。此外，无论湿法工艺，火灾工艺或机械工艺如何，都将产生废气，废液和废渣。

1.3.3 动力电池回收体系不成熟

动力电池的生产企业，回收处理企业、政府主管机关、消费者等不能有效的联系到一起，缺乏合作，各方责任难以履行、未能将生产、使用、报废、再利用这一循环有效实施。

2 EV电池4R模式的商业化探究

2.1 废旧电池的梯次利用

梯次利用可以将废旧EV电池的残余价值发挥到最大，它的优点在于可以降低周期成本，延长使用寿命，促进循环经济。随着使用次数的增加，动力电池的性能会下降，如图2所示。当动力电池的性能下降到原始性能的80%时，不符合电动汽车的使用标准，但仍可用于动力电池性能要求低的地方。即进入梯次利用阶段，如储能系统(ESS)、通信基站、低速电动交通工具(如移动电源、36V/48V电动摩托/自行车电池)等。当电池性能进一步降低到不适合使用梯子时，它将进入回收，拆卸和再利用阶段。

动力电池的梯次利用对于每个国家来说，它的商业模式还处于不断探索的早期阶段，还未出现完全成熟的一套运作体系。许多研究机构和公司已开始大胆探索其商业模式。2017年德国奔驰公司与回收公司合作实施目前计划投运的全球最大的梯次利用项目—— Lünen 项目，该项目的退役电池用于梯子，退役电池的利用率为90%。在美国，美国可再生能源国家重点实验室利用退役的锂离子动力电池用于风力发电以及作为独立电源向偏远地区传输。

图2 梯次利用示意图

2.2 EV电池4R商业化模式探索

图3 EV电池4R商业化模式探索

基于国内外EV电池合理回收和再循环的经验。结合我国国情，基于4R(reuse、resell、refabricate、recycle)模式重新规划设计了符合我国国情的EV电池回收处理再循环系统。如图3所示，通过EV电池4R(再利用、再制造、再销售、再循环)模式的结构创新可改善EV电池回收循环成本高、再利用避免污染环境等问题。通过梯次利用可在电力储能领域发挥余热、废弃后统一回收进行提炼把对环境影响降到最低。不仅使EV电池利用率达到最大化来缓解电力储能行业电池替换成本高问题，同时让其创造价值并衍生出在社区及商业区充电桩安装不便的区域为更多新能源车供电的便捷服务，使供需双方构筑“win-win”双赢关系。本模式所构建的4R模式的合理推广可在再生能源领域内实现2次高效利用EV汽车电池，进一步减排二氧化碳，为实现低碳社会做出贡献。

2.3 生产企业方面

EV电池制造商是4R模式周期中的重要一步，制造商为汽车制造商制造和供应动力电池。汽车生产企业再通过经销网络将汽车售卖出去，这时，EV电池已经开始消耗，汽车生产商以及动力电池制造企业将其售卖汽车以及制造电池的数据统计。汇总到国家部门建立的EV电池回收网络以及EV电池回收APP，这时，就可以得到具体的EV电池制造数量以及其投入使用的时间，并通过二维码形式对每一个EV电池编码，方便企业管理，节约企业成本。

2.4 消费者方面

消费者是4R模式中循环的重要参与者之一，当消费者购买的汽车EV电池需要更换时，消费者可以通过联系电动车售后机构或电池租赁机构等运营企业，电动车售后机构以及电池租赁机构将其汇报到EV电池回收网络或 EV电池回收APP，分销网络将联系消费者以回收电池或进行交易。消费者可以通过登陆EV电池回收网络或APP了解信息。

2.5 经销商网络方面

作为生产公司和消费者之间的连接渠道，经销商通过汽车制造商向消费者出售汽车。它还起到了帮助消费者联系汽车生产企业回收废旧电池，以及收集消费者需求信息，并将信息反馈给生产企业。

2.6 梯次利用与再生利用方面

梯次利用是本项目所要研究的重心以及项目的创新所在，首先，对废旧电池进行系统性的评估，包括回收成本的评估，使用寿命评估，以及电池安全性的评估。通过第一步的筛选后，将符合条件的废旧电池进行进一步的筛选，按照规格参数以及材料再进行分类，最后将不符合梯次利用标准的废旧电池运输到再生利用企业。符合标准的电池，对其进行重新组装或重新制造之后，将其出售给储能企业，从而实现再销售以及再利用。无法梯次利用的废旧电池将在最后一并运输到再生利用企业，再生利用企业为回收其中重要的金属包括锂、镍、钴、锰等金属、先对其实行预处理，其具体步骤为盐水放电、热处理、磁选除铁、粒度分选、密度分选等，这样做是为了更高效的回收废旧电池中的贵重金属。最终，提炼出的新金属将进行再利用，同时完成4R模式中的再循环。

2.7 EV电池回收网络

(1)整合信息：EV电池回收网络集成了EV电池制造商，汽车制造商、分销商、梯次利用和回收再利用公司报告的数据，对废旧电池进行编码。企业对数据进行分析，通过分析数据的结果，规划企业下一步计划，若当数据发生重大改变时，及时适应市场，避免出现重大亏损，增加企业在市场的竞争力。

(2)信息查询：企业可以通过EV电池回收网站查询电池的相关信息。如EV电池的生产商、EV电池的检修期限、废旧电池的安全性、使用寿命以及废旧电池的规格型号、材料、废旧电池电芯等相关信息，通过信息的查询，可帮助企业了解电池制造厂商的生产信息，在此基础上帮助企业及时判断是否扩大生产，帮助企业了解市场废旧电池变化趋势。

(3)企业调控：EV电池回收网络通过数据分析整理，将一部分再生利用企业提炼出的金属进行再利用，除此之外，将市场稀缺及价格高的金属进行重点回收，最大程度帮助企业利润最大化。通过对数据的分析后，通过对废旧电池进行编码以及分类处理，方便企业对废旧电池进行大规模性质的分类处理，达到了规模经济的效果，大大帮助了企业对废旧电池的管控，保证了企业回收电池的质量。降低了企业在人力、物力、财力上的消耗，降低了企业的回收成本。

3 结语

随着近几年中国经济迅猛的发展，环境问题层出不穷，我们应该在保持高速建设发展的同时，尽可能减少对环境的破坏。在新能源汽车开发领域，一套成熟的EV电池商业体系尚未建设，通过政府组织，建立符合我国国情的EV电池回收商业体系，并结合4R模式的创新体系，这将会为我国在EV电池回收领域以及稀有金属循环利用方面提供重要的保障，并迎合党的绿色发展理念的号召，推进资源全面节约和循环利用。