区块链技术驱动的动力电池闭环供应链信息共享机制及契约协调

邵路路，李 鹏，张宗祥，罗 澳

（武汉工程大学管理学院，湖北武汉 430205）

0 引言

随着全球环境不断恶化与资源枯竭，各国政府都出台了相应的碳减排政策以应对危机，中国政府也提出2030 年碳达峰与2060 年碳中和的“双碳”目标。大力发展新能源汽车及其相关产业是我国政府应对环境变化、实现绿色可持续发展的一个重要举措。截至2022 年年底，我国新能源汽车保有量达1 310 万辆，同比增长67.13%［1］。同时，随着新能源汽车产业的蓬勃发展，作为重要组成部件的动力电池也迎来大规模报废阶段。按照新能源动力电池4 年～6 年寿命进行估计，预计到2026 年我国动力电池退役量将超过92.6 万吨。数量如此庞大的退役动力电池如果得不到妥善利用，不仅使社会经济遭到极大损失，也会严重污染环境。面对将要到来的动力电池退役高潮，设计高效、准确的动力电池回收体系以及出台明确的回收政策至关重要。然而，在我国动力电池回收体系建设的实践过程中，回收主体不明确、供应链各参与者信息共享程度低以及退役动力电池管理落后等问题逐步暴露［2］。由此，我们需要建立一个完备的动力电池闭环供应链信息共享机制来解决上述问题，借鉴区块链技术在数字金融、物联网、供应链管理等诸多领域的应用，打造一个以区块链技术的不可篡改性和可追溯性等功能为核心的供应链各主体共同参与的动力电池闭环供应链信息共享平台。目前，动力电池龙头企业宁德时代和比亚迪均已对动力电池回收体系与区块链技术的结合进行了实践探索。针对区块链技术驱动的动力电池闭环供应链信息共享机制，考虑区块链平台建设成本、信息共享成本等现实因素，分析区块链技术引入前后供应链各主体利润变动及引入区块链技术后供应链系统内部利润再分配是目前动力电池闭环供应链研究的重要方向。

许多学者对退役动力电池回收进行了相关研究，如Hsieh 等［3］指出中国动力电池需求大幅增长加剧了锂和钴等资源的供应压力，迫切需要构建合理的电池回收体系；焦建玲等［4］考虑不同回收主体模式下，再生材料收益对供应链收益及碳排放的影响；Tang 等［5］考虑三种单一回收渠道和三种竞争性双重回收渠道，奖惩机制对供应链的影响；邱泽国等［6］以演化博弈研究方法为基础，分析由整车厂和4S 店构成的二级闭环供应链对动力电池回收策略选择；谢家平［7］分析了多级退役电池回收网络中，不同回收模式下的最优决策，并研究契约协调对利润的影响；Zhu 等［8］研究了两个电动汽车制造商不同渠道结构下的均衡决策问题；Sun 等［9］研究了碳交易政策、电池续航能力和广告效应对动力电池回收渠道选择的影响。目前，针对动力电池回收的研究主要集中在回收体系建设方面，对动力电池闭环供应链内部信息共享以及退役动力电池管理等方面的研究还较少。

随着区块链技术的不断发展，许多学者针对区块链技术在供应链管理以及信息共享等方面的应用进行了研究。如Saberi 等［10］指出区块链技术的应用可提高全球供应链管理效率，加强供应链信息共享；梁喜等［11］分析了采用区块链技术时，双渠道供应链定价和渠道选择策略；孙中苗等［12］基于消费者对产品真伪的辨识需求，考虑区块链技术对供应链最优定价策略的影响；曹阳春等［13］构建由政府驱动的区块链产业协同创新博弈模型，探讨区块链产业的创新选择问题；李剑等［14］设计基于区块链驱动的供应链协同减排信息共享机制，供应链信息共享可以获得额外收益；Zhang 等［15］研究了消费者隐私关注情况下，应用或不应用区块链技术零售商的最优价格和利润；刘露等［16］构建一个三级供应链体系，基于区块链技术的信用传递功能，研究区块链技术在供应链金融中的应用；Xu［17］探索了供应链应用区块链技术的条件，且零售商和消费者总是从区块链应用中获得好处。同时，越来越多的消费者开始关注产品的溯源性信息［18］，以了解产品生态设计水平和质量，依靠区块链技术驱动的产品溯源性信息共享机制，可以满足消费者对产品溯源性信息的需求。

区块链技术在动力电池闭环供应链中应用前景广泛，但由于其成本和技术壁垒，目前只能由上游供应链参与者引入，这种“上游投资，下游收益”的现象无疑会降低上游参与者的积极性，因此需要引入协调机制，对供应链内部进行协调，提高各参与者的利润。学术界对供应链协调机制进行了许多研究，代建生等［19］刻画了期权契约下，协调供应链的期权契约和促销成本分担机制；He 等［20］探讨了供应链双向成本分担契约对考虑碳排放和交付时间双重敏感性，以及对最优决策的影响；刘珊等［21］研究考虑社会责任时，“收益共享-成本共担”契约对最优决策的影响；Hou 等［22］分析了返利政策下，批发价格合同和收益分享契约对供应链最优决策影响；刘丛等［23］探讨成本分担契约、收益共享契约对“双积分”政策汽车供应链最优决策的影响；吴成锋等［24］针对零售商的公平关切行为，探究双渠道绿色供应链的运营决策和契约协调。结合学术界的研究成果和动力电池闭环供应链建设的特点，要构建适合区块链参与时的动力电池闭环供应链系统内部协调机制。

综上所述，国内外学者围绕动力电池回收体系建设、区块链技术在供应链的应用、供应链内部协调等方面有不少研究，但对区块链技术在动力电池闭环供应链中的应用及其内部协调机制的研究还较少。目前，Cheng 等［25］、张梅梅等［26］学者对区块链技术在动力电池回收中的应用进行了初步研究，分别研究了区块链技术应用对退役动力管理、回收体系建设、消费者对电池溯源信息需求等方面的影响。但上述研究没有对这些因素进行综合分析，也未考虑应用区块链技术后动力电池闭环供应链内部的协调机制。因此，本文以单个动力电池生产商和单个新能源汽车生产商组成的二级动力电池闭环供应链为研究对象，构建由区块链技术驱动的动力电池闭环供应链信息共享平台，考虑区块链技术的应用对正向供应链中消费者的影响以及逆向供应链中对退役动力电池回收、管理、检测的影响。在此情形下，对比分析区块链技术应用前后，供应链各参与者的最优决策，并探究应用区块链技术后动力电池闭环供应链内部的协调机制。

1 问题描述与基本假设

本文构建由动力电池生产商和新能源汽车生产商组成的二级闭环供应链系统，动力电池生产商是斯坦伯格博弈中的领导者，新能源汽车生产商是决策追随者。在正向供应链中，动力电池生产商以生产成本e生产新动力电池，再以批发价格pm出售给新能源汽车生产商，新能源汽车生产商以零售价pr出售给消费者。在逆向供应链中，新能源汽车生产商以回收价格wr从消费者处回收退役动力电池，动力电池生产商再以回收价格wm从新能源汽车生产商处回收，并对退役动力电池进行拆解回收和梯次利用。动力电池生产商还可以决定是否搭建由区块链技术驱动的信息共享平台以及“区块链+信息共享”投入水平s。最后，为解决区块链参与下分散决策时供应链总利润降低的现象，引入“成本分担+两部定价”契约进行协调。不同模式下的退役动力电池回收模式如图1 所示。

图1 不同模式下的退役动力电池回收模式

假设1：参考谢家平等［6］、孙中苗等［12］、谭春桥［17］的研究，假设需求函数为。是新动力电池市场最大需求量，是消费者对新动力电池零售价格的敏感系数。“区块链+信息共享”可以满足消费者对产品溯源性信息的需求，本文将动力电池全生命周期信息视为动力电池的溯源性信息，需求函数中的γ代表消费者对动力电池全生命周期信息敏感度的均值。动力电池全生命周期信息可以在没有区块链技术的情况下被篡改，消费者无法相信供应链中传播的信息，λ=0。区块链参与时，由于区块链技术的不可篡改性，消费者完全相信供应链中传播的共享信息，此时λ=1。

假设2：动力电池生产商可以选择搭建由区块链技术驱动的动力电池全生命周期信息共享平台将动力电池的全生命周期信息进行共享，并决定“区块链+信息共享”的投入水平，投入水平越高，动力电池的全生命周期信息共享程度就越高。此时，动力电池生产商额外投资成本为“区块链+信息共享”投入成本和区块链信息共享平台一次性建设成本，φ为“区块链+信息共享”投入成本系数。

假设3：参考谢家平等［6］的研究，将退役动力电池回收函数设为，m是消费者自愿返还数量，n是消费者对退役动力电池回收价格敏感系数，且。

假设4：动力电池生产商负责对退役动力电池再利用，拆解回收收益为H，梯次利用收益为T，H＜T。由于管理混乱、检测率低等原因，无区块链参与的传统模式下退役动力电池梯次利用率较低，为θ。区块链参与下，“区块链技术+信息共享”可以提高退役电池的管理效率并提高检测率，此时退役动力电池梯次利用率为，k为“区块链+信息共享”提升退役动力电池梯次利用率系数。同时，退役动力电池梯次利用率存在最大值

2 模型构建与求解

2.1 传统模式与区块链技术参与下的集中决策

集中决策时动力电池生产商和新能源汽车生产商以供应链总利润最大化为目标，决策零售价格、回收价格、是否引入区块链技术以及“区块链+信息共享”投入水平。

2.1.1 无区块链的传统模式下集中决策（TC）

动力电池生产商和新能源汽车生产商作为一个整体进行决策，以实现供应链利润最大化。正向供应链中决策零售价格，逆向供应链中决策回收价格。传统模式下集中决策供应链利润函数如式（1）所示：

2.1.2 区块链参与下的集中决策（TD）

动力电池生产商和新能源汽车生产商作为整体，以供应链总利润最大化为目标，对零售价格、回收价格以及“区块链+信息共享”投入水平进行决策。区块链技术参与下集中决策供应链利润函数如式（2）所示：

2.2 传统模式与区块链技术参与下的分散决策

分散决策是动力电池生产商和新能源汽车生产商追求各自利益最大化的决策方式。两阶段斯坦伯格博弈模型中，动力电池生产商首先进行决策，决策批发价格、回收价格、是否引入区块链以及“区块链+信息共享”投入水平，新能源汽车生产商跟随决策，决策零售价格和新能源汽车生产商回收价格。

2.2.1 无区块链参与的传统模式下分散决策（TD）无区块链参与的传统模式下分散决策，动力电池生产商和新能源汽车生产商独立决策，博弈顺序为：动力电池生产商首先决策批发价格和回收价格，新能源汽车生产商跟随决策零售价格和新能源汽车生产商回收价格。动力电池生产商和新能源汽车生产商的利润函数如式（3）-（4）所示：

2.2.2 区块链参与下分散决策（BD）

区块链技术参与下分散决策，博弈过程为：动力电池生产商先决策批发价格、回收价格和“区块链+信息共享”投入水平，新能源汽车生产商跟随决策，零售价格和新能源汽车生产商回收价格。此时，动力电池生产商和新能源汽车生产商的利润函数如式（5）-（6）所示：

3 均衡结果分析

由于集中决策和分散决策有一定相似性，以下将重点分析分散决策区块链参与对供应链的影响。同时对比分析集中决策和分散决策供应链的变化。

3.1 集中决策均衡结果分析

由推论1 可知，集中决策时，区块链技术参与使零售价格、新能源汽车生产商回收价格、新电池需求量和退役动力电池回收量上升。一定条件下，与传统模式相比，区块链参与会使供应链总体利润增加。这是由于在正向供应链中，基于区块链技术进行的“区块链+信息共享”可以满足消费者对产品溯源性信息的需求，因而消费者愿意为动力电池支付更高的价格，虽然零售价格上涨，但消费者对溯源性信息的需要被满足，对新动力电池的需求量反而会增加。逆向供应链中，单位退役动力电池再利用带来的收益会增加，因而对退役动力电池的需求量也会增加，新能源汽车生产商愿意支付更高的回收价格以提高回收量。同时，只有投资区块链技术带来的收益超过成本时，整个供应链系统的利润才会增加。

3.2 分散决策均衡结果分析

根据推论2 可知，分散决策与集中决策相似，始终存在区块链技术参与下的批发价格和回收价格要高于传统模式，新能源汽车生产商的零售价格和回收价格要高于传统模式，消费者对新电池的需求量以及退役动力电池的回收量也会增加。正向供应链中，区块链技术参与满足消费者对产品溯源性信息的需求，消费者愿意支付更高的零售价格，需求量也会增加，新能源汽车生产商为获得更多利润也会增加新动力电池的批发量，也愿意支付更高的批发价格。逆向供应链中，区块链技术参与提高退役动力电池梯次利用率，单位退役动力电池中动力电池生产商可以获得更多利润，因此提高回收价格获得更多退役动力电池。新能源汽车生产商为获得更多利润，也会提高回收价格，退役动力电池回收量因此增加。由于仅由动力电池生产商负责“区块链+信息共享”投入成本和区块链信息共享平台建设成本，新能源汽车生产商获得更多收益且未额外付出。由于这种“上游投资，下游收益”的现象，区块链技术参与后新能源汽车生产商利润总会提升，对动力电池生产商而言，只有投资区块链技术的收益大于成本时，其利润才会增加。

由推论3 可知，消费者对电池全生命周期信息的敏感度和“区块链+信息共享”提升梯次利用率系数的增加，会增加区块链技术参与下批发价格、零售价格、回收价格、电池需求量和回收量、动力电池生产商利润、新能源汽车生产商利润和“区块链+信息共享”投入水平。这是由于消费者对电池全生命周期信息的敏感度会体现到需求函数上，需求量的增加会导致动力电池生产商和新能源汽车生产商提高批发价格和零售价格，供大于求，这种现象也符合现实经济规律。“区块链+信息共享”参与提升梯次利用率系数的增加，会提高动力电池生产商单位退役动力电池的收益，动力电池生产商会提高回收价格以获得更多退役动力电池，新能源汽车生产商也会跟随决策提高回收价格，回收更多退役电池。最后，动力电池生产商和新能源汽车生产商的利润也会提升。消费者对电池全生命周期信息的敏感度以及“区块链+信息共享”提升梯次利用率系数的增加，也提高了“区块链技术+信息共享”的投入水平。

3.3 集中决策和分散决策对比分析

由推论5 可知，传统模式下，与分散决策相比，集中决策供应链的总利润、新动力电池市场需求量、退役动力电池回收数量、退役动力电池回收价格会更高，集中决策的零售价格要低于分散决策下。区块链参与时，与分散决策相比，集中决策的供应链总利润、新动力电池市场需求量、退役动力电池回收量、“区块链+信息共享”投入水平以及退役动力电池回收价格会更高，一定条件下，集中决策的零售价格要低于分散决策。集中决策时，供应链追求整体利润最优，避免了分散决策时产生的双重边际效应导致的供应链整体利润降低。与集中决策相比，分散决策时参与者追求自身利益最大化进行决策，其决策水平要低于集中决策时，为解决供应链系统内部的自我损耗，要采取机制对供应链系统进行协调以实现供应链各参与者以及供应链总体的利润最大化。

4 区块链参与下的契约协调机制研究

分散决策会使闭环供应链产生双重边际效应，导致供应链的总利润降低，推论5 也表明分散决策下供应链的总利润要低于集中决策时供应链的总利润。为了使供应链发展形成共赢，本节进一步讨论在区块链技术参与时分散决策，供应链内部的契约协调，使供应链各参与者利润增加并达到集中决策时的水平。首先引入成本分担契约，由于在区块链技术投资过程中存在“上游投资、下游收益”的情况，新能源汽车生产商理应承担一定比例的区块链技术引入成本。因此，在成本分担契约协调下，动力电池生产商和新能源汽车生产商的利润函数如式（7）-（8）所示：

推论6 表明相对于分散化决策情形，通过成本分担契约可以显著降低动力电池生产商的成本压力，提高“区块链+信息共享”投入水平。一定条件下，当分担比例较小，新能源汽车生产商利润会随着分担比例的提升而增加，当分担比例较大，新能源汽车生产商的利润会随着分担比例的提升而下降。

只有实施契约协调后的最优决策与集中决策相同时，供应链才能实现真正协调，既，可得成本分担契约下的该契约协调下的。此时，虽然供应链总体达到最优，但，动力电池生产商不仅不能获利反而还要亏损，目前的成本分担契约对动力电池生产商并不适合。在此基础上要对新能源汽车生产商的收益进行进一步分割，以实现双方收益的帕累托改进。动力电池生产商从新能源汽车生产商处获得一笔额外一次性费用l，此时，动力电池生产商的收益来自于新能源汽车生产商进货、退役电池再利用以及交易结束后获得的一次性额外费用，这种方式被称为两部定价契约。因此，在“成本分担+两部定价”契约协调下，动力电池生产商和新能源汽车生产商的利润函数如式（9）（10）所示：

5 数值分析

5.1 市场因素变动对供应链最优决策的影响

5.1.1k变动对利润的影响

图2 k 变动对动力电池生产商和新能源汽车生产商利润的影响

图3 k 变动对供应链总利润的影响

5.1.2γ变动对利润的影响

图4 γ 变动对动力电池生产商和新能源汽车生产商利润的影响

图5 γ 变动对供应链总利润的影响

5.1.3θ变动对利润的影响

图6 θ 变动对电池生产商和新能源汽车生产商利润的影响

图7 θ 变动对供应链的总利润的影响

5.2 “成本分担+两部定价”协调契约有效性分析

本小节对第五节提出的“成本分担+两部定价”契约协调的有效性进行分析和验证，各变量与前文假设一致，添加参数，协调后供应链的各参与者及供应链的总收益与集中决策进行对比，结果如表1 所示。由表1 可知，经过“成本分担+两部定价”契约协调，供应链各参与者的收益要高于分散决策时，协调后的供应链实现了帕累托最优，且协调后供应链总体利润与集中决策时相同。所以，“成本分担+两部定价”契约可以成功协调区块链参与下分散决策时的动力电池闭环供应链。

表1 l 变动时供应链的各参与者利润情况

6 结论

区块链技术在动力电池闭环供应链中的应用是未来动力电池回收研究的一个重要方向，本文在总结过去研究的基础上，基于区块链技术在信息共享方面的可追溯性和不可篡改等功能，以区块链技术在动力电池闭环供应链中的应用为研究对象，构建无区块链参与的传统模式和区块链参与时的分散决策与集中决策模型，分析消费者对动力电池全生命周期信息敏感度、区块链技术提升梯次利用率系数和传统模式废旧电池梯次利用率对供应链最优决策的影响，并设计了协调区块链参与下分散决策时闭环供应链系统的“成本分担+两部定价”契约。

本文得到的主要结论：（1）分散决策时，与传统模式相比，区块链参与会提高批发价格、零售价格、动力电池生产商回收价格、新能源汽车生产商回收价格、新动力电池需求量和退役电池回收量，同时区块链参与总会提高新能源汽车生产商的利润。对动力电池生产商而言，只有区块链参与带来的收益大于成本时，利润才会提升。与分散决策相比，集中决策时，供应链的总利润、需求量、回收量更高，“区块链+信息共享”投入水平和回收价格也更高，一定条件下，零售价格会下降。

（2）消费者对电池全生命周期信息敏感度和“区块链+信息共享”提升梯次利用率系数的增加会提高供应链参与者的利润，同时也会提升正向和逆向供应链中的价格、需求量和回收量。一定条件下，当传统模式退役动力电池梯次利用率较小时，随着梯次利用率的增加，分散决策下区块链参与为动力电池生产商带来的利润和“区块链+信息共享”投入水平经历了短暂上升，但整体呈下降趋势。随着梯次利用率的增加，区块链参与带来的效果会逐渐减弱。

（3）“成本分担+两部定价”契约可以实现闭环供应链系统完美协调，使供应链的总利润和“区块链+信息共享”投入水平达到集中决策时的水平，动力电池生产商和新能源汽车生产商的利润也会增加。

本文的研究结论有以下管理启示：（1）基于区块链技术进行的信息共享可以有效提高供应链内部的信息共享程度以及管理效率，阻碍区块链技术应用的一个重要原因是其过高的成本。对政府而言，整合相关高校、研究所以及区块链技术服务商为一体，提供模块化、定制化的“区块链技术+信息共享”服务，降低供应链系统引入区块链技术的门槛，最终提升整个社会的信息化水平。（2）对于动力电池闭环供应链而言，通过引入区块链技术可以有效提高退役动力电池的回收量以及再利用率，最大程度的减轻环境污染，提高经济效益。同时，“区块链技术+信息共享”可以满足消费者对产品溯源性信息的需求，新动力电池的销售量也会增加。为提高区块链技术的引入效果，供应链内部要加强对管理人员以及一线操作人员的相关培训，形成相关管理理念和规范化操作流程。政府要加强宣传产品溯源性信息的作用，以提升消费者对产品溯源性信息的需求。（3）当供应链引入新技术时，难免会出现“上游投资，下游收益”的现象，作为投资新技术的一方，其积极性难免会降低。为解决此现象，在供应链投资新技术时，供应链成员需要进行合作以分担成本。政府作为权威第三方，可以发挥其监管作用，以监督供应链成员履行契约。

需要说明的是，本文的研究仅考虑了引入区块链技术对供应链系统内部的影响，未来的研究可以考虑政府参与或政府主导时引入区块链技术对动力电池闭环供应链的影响。另外，本文仅考虑了新能源汽车生产商回收，动力电池生产商回收与第三方回收在动力电池回收体系建设中也普遍存，考虑这些情况也具有十分重要的研究意义。这些都是未来进一步研究的重点。