“双碳”目标下退役动力电池梯次利用现状及综合分析

刘倩，陈潇川，吴军雄，李小燕，陈育明，陈庆华

（福建师范大学环境与资源学院、碳中和现代产业学院，福建 福州 350007）

2020 年9 月22 日习近平总书记在第75 届联合国大会上提出“碳达峰、碳中和”目标，通过加强国家自主贡献度并采取有效政策和措施，努力在2030 年前达到二氧化碳排放量的峰值，并力争在2060 年前实现碳中和目标[1]。2020 年我国机动车污染物及温室气体排放总量分别为1 593.0 万t 和6.7 亿t CO2eq，传统燃油车是交通运输部门中污染物以及温室气体排放的主要来源[2]。研究表明与燃油汽车相比，新能源电动汽车在使用过程中更为环保，能够有效解决传统燃油车不断增加的温室气体（GHG）排放和空气污染问题，特别是在设立新能源汽车试点的城市其碳排放降低趋势更为显著[3]。因此，在“双碳”政策的大力扶持下，新能源汽车在国内销量急速上升，应用逐步规模化，已成为应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。

锂离子电池具有循环寿命长、能量密度高、自放电率低等优点，被广泛应用于电子产品、电动自行车、新能源汽车等领域[4]。根据正极材料的不同分为三元锂电池（Nickel Manganese Cobalt，NCM）和磷酸铁锂电池（Lithium Iron Phosphate，LFP），作为新能源汽车核心部件之一，电池容量随着循环次数的增加会不断衰退，当衰退至初始容量的80%以下时，便不能满足新能源汽车动力需求进而退役[5]。2020 年，我国动力电池退役数量已达到20 万t，预计2025 年将达到80 万t[6]。如果无法高效、大规模地利用退役动力电池，无疑会给地球造成巨大的资源浪费和严重的环境污染。

目前退役动力电池的处理方式有填埋、回收再生和梯次利用。近年来关于动力电池梯次利用的研究越来越广泛，以“动力电池梯次利用”为关键词在中国知网数据库检索显示，2015—2022 年相关文献共发表678 篇，如图1 所示。相关领域文献发表数量呈现逐年增加的趋势，2018 年开始增长较为明显，到2020 年后每年平均有100 篇以上相关领域的文章发表。

图1 动力电池梯次利用文献发表情况

推进动力电池梯次利用一方面可以延长电池使用寿命，避免资源浪费，另一方面能有效缓和上游企业生产动力电池所面临的原材料匮乏问题，达到“减碳降污、循环发展”的目的[7]。因此，梳理了退役动力电池梯次利用的相关政策和标准，分析了进行梯次利用技术—生态—经济分析的重要性，以助力锂离子电池全产业链朝着实现“双碳”目标迈进。

1 退役动力电池处理方式

退役动力电池3 种处理的方式中填埋最不可取，因为电池含有较多重金属和化学物质，如果只是简单地拆解、焚烧或者填埋，会对自然环境造成更加严重的危害。据测算，填埋重约20 g 的电池会对1 km2土壤造成长达50 a 的环境污染[6]；回收再生可分为湿法回收、火法回收、直接再生回收技术等。杨芳[8]，Jiang 等[9]对比了火法、湿法及直接再生回收技术，认为湿法冶金技术具有金属回收率高、能耗低等优点，但与梯次利用相比，回收再生无法对电池进行多层次利用；梯次利用是对已退役动力电池进行再制造[10]，主要过程包括检验、分级、拆解、电池维修及重组，之后根据电池适配容量开展二次利用，其具体工艺流程如图2 所示。

研究发现磷酸铁锂电池梯次利用容量衰减率更慢，同样的循环次数下其容量明显高于三元电池，相较而言更具有经济价值[11]。虽然三元电池的衰减速度快、梯次利用价值不高，但其金属含量更高，再生利用经济性更强。针对两种电池自身特点，开展回收时的具体路线如图3 所示。

图3 动力电池回收路线

目前，梯次应用的领域主要包括：充电站储能[12]、通信基站[13]、备用电源[14]、家庭储能[15]等，目的是对电池的剩余价值进行挖掘和多次利用[16]，如图4 所示。

图4 动力电池梯次利用目标市场

2 国内外动力电池梯次利用现状

2.1 国外梯次利用现状

发达国家电池梯次利用项目开展较早，已有较为成熟的动力电池梯次系统工程，形成了以电池制造商为主的回收体系[17]。日本采用立法和电池生产企业互补模式，政府严格规范废旧电池的回收流程，从源头出发形成“蓄电池生产—销售—回收利用—再生处置”的回收利用体系[18]；美国电池回收采用生产者责任延伸和消费者押金制度相结合模式，相关立法涵盖美国联邦、各州和地区，全面实行消费者押金制度和附加环境税，并要求旧动力电池制造企业支付部分回收费，作为再生使用的经费保障[19]；德国通过法律规定生产者责任延伸制度和完备的电池回收管理体系，由生产商承担主要责任，所有电池生产企业和进口商均须在政府部门登记注册，销售商落实动力电池回购管理机制，企业将废旧电池交到政府部门规定的电池回收管理机构[20]。

日本的4R Energy 公司，主要业务是将梯次利用的动力电池用于销售或租赁住宅和商用的储能设备[18]；美国的特斯拉（Tesla）公司使用退役电池为家庭和商业系统提供动能[19]；德国的柏林博世集团、宝马和瓦滕福公司就动力电池回收利用展开合作，利用宝马的ActivwE 和i3 纯电动汽车报废的电池建造了2 MW/2 MWh 的大型光伏电站储能系统[21]。

2.2 国内梯次利用现状

相比于发达国家，我国动力电池梯次利用项目仍处于探索阶段，主要以示范工程和规模企业试点为主，未形成完善的产业链和商业模式[22]。

河南省郑州市建设了尖山退役电池的储能示范项目[23]；上汽通用公司选用宝骏汽车（E100、E200）的退役动力电池在广西成功搭建了首个兆瓦级大型光伏风能一体化梯次利用储能电站[23]；2018 年起，中国铁塔公司开始对动力电池进行回收利用，至2021 年使用梯次利用的动力电池已在30 个不同省份建成约50 万个基站，使用退役电池储能容量约3 GWh[24]。

3 电池梯次利用相关政策及标准

3.1 梯次利用相关政策

目前国内暂未出台电池梯次利用的规范性文件，但已陆续发布了多项动力电池梯次利用的政策和标准。通过调查统计目前相关政策出台约50 项，标准约20 项[25]，主要相关政策[26-27]如图5 所示。

图5 动力电池回收行业政策

由图5 可知，2017 年工信部、科技部、环保部等7 个部门发布《新能源汽车动力蓄电池回收管理体系暂行办法》，首次提出应遵循优先梯次循环后的再生原理多用途循环新能源汽车动力电池；2019 年工信部发布的《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件（2019 年本）》再次强调完善退役电池的梯次利用和再生利用体系；2022 年工信部等部门共同发布的《加快推动工业资源综和利用实施方案》中明确提出推进电池梯次利用应该促进电池的上下游，联合完善数据溯源，下一步我国仍需健全电池梯次利用政策并严格贯彻落实。

3.2 梯次利用相关标准

退役动力电池梯次相关标准的出台，有利于电池梯次利用市场的健康发展和良性循环，便于国家对电池梯次利用进行大规模管理及维护废旧电池市场秩序，部分相关标准[28]如表1 所示。

表1 动力电池梯次利用行业标准

为确保电池梯次利用的安全性，行业标准不仅规定了新能源汽车动力电池单体、模块、箱体的尺寸、编码规则、编码对象和代码的结构组成等，还要求测试废旧动力电池的余能；并提出了适用于电池回收、贮运、梯级利用及再生利用的一般要求，涵盖了包装运输的术语及定义、分类要求、一般要求、包装要求、运输要求及标志要求。这些标准旨在倡导动力电池回收利用的基本原则，推动编码与溯源管理，促进电池梯次利用的可持续发展。

4 动力电池梯次利用综合分析

4.1 梯次利用关键技术分析

为了保证电池再使用阶段高效、安全、环保，需要通过严格筛选才能进行再加工，其中包括初检阶段、性能检测阶段、抽样测试阶段，以评估电池的能量特性和性能衰减情况[29]。

4.1.1 初检阶段

初检阶段指排除外观破损、电池失活等明显不合格的电池。通过电池包外观筛选，退役电池可能存在物理性或化学性损坏，物理性损坏是指电池使用过程中受外界应力所引起的形变或破损；化学性损坏是指电池内部发生的一系列不可逆反应，包括电解液的分解产气、锂枝晶生长、电极结构坍塌等。初步筛选后仍需对电池性能进行全面检测，以评估电池的健康状况和性能，确认是否适合梯次利用。

4.1.2 性能检测阶段

性能测试阶段主要通过建立模型来仿真电池工作状态下的真实情况估算电池的电荷状态（state of charge，SOC）和健康状态（state of health，SOH）。其中SOC 为评估电池状态，即剩余容量（Qr） 与标称容量（Qn）之间的比值[30]。

SOC 的评估方法可分为传统估计方法、模型驱动方法和数据驱动方法3 类。传统估计方法中安时积分法较为常用，通过对电池充放电时的电流进行积分推算，这种方法简单易行，但易受到充放电过程中的不确定性影响。模型驱动方法通过建立电池的物理或数学模型，对电池的实景充放电过程进行模拟仿真。卡尔曼滤波算法从最小误差的角度出发具有较高的估计精度，是目前较为全面的计算方法，但需要准确的电池模型和大量的参数校准，对计算资源要求较高。柴建勇等[31]在初始值不确定的情况下通过卡尔曼滤波算法建立电池梯次利用的模型，有效降低了SOC 的评估误差；数据驱动方法较为经典的是神经网络法，主要利用人工神经网络模型对电池的SOC 进行估计。通过训练神经网络模型，将电池的输入特征与对应的SOC 进行训练，从而实现SOC 的准确估计，该方法能在减轻监测设备负担的同时保证较高的估算精度[32]。

SOH 用来评估电池寿命，内阻测试和自放电测试是SOH 的重点评估部分。即电池测量容量（Caged）与额定容量（Crated）的比值[33]，公式如下：

其中内阻测试通常采用混合脉冲法和电化学阻抗谱。混合脉冲法是一种基于电流脉冲测量的方法，通过对电池施加不同电流脉冲并测量相应的电压响应，得到电池的动态特性和内阻参数。该方法能够快速测量电池在不同工况下的电压响应来分析电池的动态特性和内阻变化情况，适用于快速测试电池的动态特性和内阻变化情况[34]；电化学阻抗谱是一种基于频率扫描的测试方法，利用不同频率下施加小幅交流电信号并测量电池的电压响应和电流响应以获取不同频率下的阻抗响应，可以评估电池的状态和内阻特性，适用于详细的电化学特性分析和内阻参数的精确测量[35]。这两种方法都具有非破坏性的优势，能够在电池正常运行状态下进行测试且对电池不会造成损害。

电池自放电测试主要包括直接测量法[33]、脉冲测量法[36]和等效电路法[37]。直接测量法是最简单的自放电测试方法之一，使用电压表或电流表直接测量电池的电压或电流数值变化情况，计算出电池的自放电速率，其测量精度较低；脉冲测量法是在电池上施加脉冲信号，测量其响应来评估自放电特性。采用短脉冲信号测量电池在脉冲施加后的恢复时间和电压衰减情况，分析脉冲信号的衰减速率，得到电池的自放电速率，脉冲测量法可以提供更快的测试结果，但需要考虑脉冲对电池的干扰；等效电路法是一种基于电路模型的自放电测试方法，通过将电池的自放电过程建模为电路，采集电池在不同时间点的电压或电流数据，并利用电路模型对数据进行拟合，可以提供较精确的自放电特性分析。这些方法各有优劣，选择合适的方法取决于测试需求和实际条件。

4.1.3 抽样测试阶段

抽样测试是对前两个阶段筛选出的电池进行分组，并从每个组中随机选取样本进行性能测试，旨在评估电池的性能一致性。在完成电池筛选后进入重组阶段，该阶段主要考虑对差异性较大的电池进行相互匹配，根据不同应用场景进行容量配置[35]。

4.2 梯次利用生态环境分析

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA），是从原材料采集到产品生产、运输、使用及最终处置整个生命周期阶段的一种环境管理工具。该方法通过量化评价对象相关的能源、物料消耗以及废弃物排放来评估其造成的环境影响[38]，被广泛应用于横向或纵向比较不同产品、技术或产业造成的环境影响，以达到节能减排的效果形成新的环保战略。LCA 基本步骤包括目标和范围定义、清单分析、影响评价、结果解释[39]，如图6所示。

图6 LCA 基本框架

目标和范围的确定主要是明确目标产品、功能单位和系统边界来比较相同功能单位下产品的环境污染。动力电池开展LCA 研究时，研究对象可选定为电池的某一部件或整个电池包。系统边界包括了从摇篮到大门，即电池原料提取阶段到产品制造阶段；从大门到大门，适用于局部的LCA 研究，仅考虑电池制造阶段；从摇篮到坟墓，即电池从生产制造到最后废弃处置的全部过程。

清单分析指生命周期内全部单元过程数据的输入和输出。输入过程包括物料、能源及自然资源消耗量，输出包括产品和副产品、污染物及待处置废弃物排放量，将所得数据清单在生命周期评价软件中开展环境影响评价。

影响评价是通过分类、特征化和量化3 个步骤将清单分析结果转化为资源消耗、人类健康影响和生态影响等方面的潜在环境影响，选用适当的评估模型和方法，结合规范化评价指标对环境影响进行分析。目前成熟的评价模型有CML、ReCiPe、IPCC、TRACI 等，这些模型可以分为两类：中点法与终点法。中点法是早期观察的环境影响，侧重于单一的生态问题；终点法着眼于因果链末端的环境影响，得到的指标以更容易理解的方式显示更高聚合级别的环境影响，通过模型计算能够更方便的得到环境影响结果。

结果解释是依据目标与范围的界定，通过对数据进行可视化处理，分析总结环境污染的原因并提出建议。

现LCA 研究已被广泛应用于电池梯次利用的环境可行性。Yang 等[40]通过对比初次使用的铅酸蓄电池和退役锂电池在通讯基站上的使用，研究了电池梯次利用的环境可行性；Ahmadi 等[41]基于安大略省的电网供电情况下，从电池全生命周期的角度出发研究了电池梯次利用在储能领域的环境影响；Wang 等[42]基于不同的使用年限及回收方法，设定6 种不同场景，探究电池梯次利用不同场景下的环境表现；Quan 等[43]对比分析了LFP 电池和NCM 梯次利用的环境影响，以上研究结果均表明从生态环境的角度来说电池梯次利用具有一定的正向效益，能有效减少环境污染并缓解资源紧张的压力。

4.3 梯次利用经济价值分析

生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC），包括设计、制造、采购、使用、维修保养和废弃处置的全部成本[44]，多用于企业对产品研发费用的综合评估，以降低后期的使用成本。纯电动汽车的LCC 不仅应包括企业、客户和社会实际付出，还应包括各阶段社会资源的无形损失。

在已开展的动力电池梯次利用LCC 研究中，吴战宇等[45]研究了锂离子电池组及电芯的拆解和分选过程中各步骤所需成本；刘坚等[46]提出未来电池梯次利用在电力系统储能方面具有巨大潜力，并随着技术推进电池模组标准化，电芯故障率降低可以提升其成本优势；李建西等[47]对退役三元锂电池开展了生命周期评价和生命周期成本评价，证明了电池梯次利用在生态效益上具有可行性且有一定的经济价值。

4.4 梯次利用技术—生态—经济综合分析

综上所述，电池具有多重属性需从多个维度对其进行综合评估。为此，应构建“技术—生态—经济”综合评价框架，在评价生态和经济价值可行性时，需基于具体应用场景及技术性因素（如寿命、充放电倍率和深度等）以提高结果的准确性和合理性；同时，在评价关键技术可行性时，应考虑生态和经济价值。例如，在电池设计过程中，受生态和经济价值的约束来筛选产品材料和制备工艺，三者间相互关联、相互依存，形成一致耦合的关系。通过构建电池梯次利用技术—生态—经济评价模型能够验证其安全、环境和经济价值等方面的可行性，有助于评价退役动力电池处理的整体可持续潜力。

5 结论及建议

在国家“双碳”目标下，发展新能源汽车已成为我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。梳理了电池梯次利用的发展现状及相关政策标准，综合分析了电池梯次利用时技术—生态—经济的重要性。研究发现目前我国政府部门正逐步健全电池梯次利用管理制度、引导相关企业重视回收体系建设并鼓励梯次利用项目的开展，但仍存在一些实际问题需要解决。针对退役动力电池梯次利用检测技术不成熟、不规范和政策不健全、溯源体系不完善等问题，现阶段国家层面，应健全梯次利用相关的政策和标准，加快构建适合中国国情的动力电池碳足迹标准体系；行业层面，加大对动力电池高效梯次利用等关键技术的攻关及推广应用力度，并组织动力电池企业统一电池单体级别到系统级别的规格，完善电池管理系统；个人层面，强化群众低碳意识，个人应采取实际行动宣传节能减排知识。相关建议如下。

5.1 突破关键技术瓶颈

目前退役动力电池检测与筛选方面，多采用传统单体电池测试和评估技术简单平移直接应用于模组，并且检测过程多基于深度充放电的方法，导致检测效率低。因此，未来应聚焦模组级的检测和分选方法研究，根据梯次电池模组不同的状态设计更加有效的检测和评估方法，企业应选用电化学阻抗谱技术等先进技术结合溯源数据，以提高梯次电池利用的效率。此外，应开展退役电池在不同工况下进行热滥用的“预警—防控—消防”安全监控技术研究，以保障系统的安全运行。

5.2 借鉴国外成功经验

我国梯次利用的电池企业规模较小且处于起步阶段，仅靠少数资质较高的回收企业难以消纳近年来报废量激增的退役动力电池。小规模企业在运输、检测评估、拆卸、后期维护等方面固定成本较高，常常难以盈利，应结合我国实际情况，借鉴发达国家在电池梯次利用方面的战略优势，形成安全稳定的储能产业战略布局，鼓励动力电池梯次利用行业创新商业模式，积极推进梯次利用与电池生产、拆解回收和电池材料的产业融合发展，以创造可观的经济价值。

5.3 健全行业法律法规

针对目前梯次利用各环节的标准和政策仍不充分、市场整体积极性较差等问题，仍需进一步细化相关政策及标准，考虑从新能源汽车生产制造开始构建回收体系，要求生产者对动力电池的全生命周期各环节承担责任，推动电池生产商、使用群体及各回收部门相互协同合作。

5.4 完善溯源数据体系

我国电池梯次利用LCA 研究存在地域和时间局限性。由于现有的LCI 生命周期清单数据库多来自欧美国家，国内暂未建立完善的电池溯源数据平台，限制了我们对电池梯次利用的准确评估和分析。首先，应通过法律规范和政策支持，促使企业按照标准化的方式收集、记录和报告电池的生命周期数据，这样的数据平台将为行业提供准确的电池溯源数据，为技术—生态—经济评估提供重要依据；其次，积极参与国际合作与交流，通过与国际组织、研究机构和行业协会的合作，获取更多丰富的电他生命周期数据，并与其它国家的研究成果进行比较和验证，弥补我国电池梯次利用研究中数据的不足，提高评估的可靠性和全面性；最后，推动生命周期评价方法的发展和应用。通过引入新的评价指标、改进建模方法以及开展前瞻性研究，提高电池梯次利用的评估精度和全面性。

5.5 推动“产学研用金”联动结合

退役动力电池研究涉及多个领域和专业，应加强企业与高校的合作及企业间的沟通。学校针对企业的需求，培养对口人才，为科技进步提供力量支撑，同时整合多个学科的专业知识和研究成果，优化资源配置，减少成本，提高梯次利用效率，助于制定更具经济可行性的退役动力电池梯次利用方案；企业间共同投入资源和专业知识，联合推进项目研究，实现资源的高效利用和降低生产成本，促进不同企业在退役动力电池梯次利用产业链中的合作与协同，形成完整的价值链，推动整个产业的经济发展；此外，企业间建立信息共享平台，通过共享行业动态、技术、政策法规等信息，探索新的市场机制和商业模式，以促进退役动力电池梯次利用产业的商业可行性和经济可持续性，助力实现科技创新与经济效益的双赢。

5.6 加大电池回收宣传

从源头规范引导上游企业统一电池单体级别到系统级别的规格，完善电池管理系统，进而促进经济的发展。同时，鼓励新能源车企与消费者签署退役电池回收管理相关协议，通过法律文件保证电池的有效回收，为产业链中的企业创造更多经济机会。此外，与相关机构、社区组织或电池生产商建立合作伙伴关系，可以提高资源的回收再利用率，减少资源浪费，为经济发展带来更多机遇和利益。