碳交易背景下动力电池梯次利用的回收策略研究

摘 要：“双碳”目标背景下，退役动力电池如何实现低碳处理是亟待解决的难题。基于演化博弈理论，构建碳交易背景下动力电池梯次利用的三方主体的演化博弈模型，并借助系统动力学方法进行模拟仿真，研究三方主体的最终演化状态以及相关因素对演化路径的影响。结果表明：动力电池回收再利用产业链中三方主体最终在政府引入碳交易、回收处理商选择梯次利用、汽车生产企业消极回收处达到稳定均衡状态；政府策略决定了回收处理商的策略选择，增加补贴和提高罚金都会提高回收处理商选择梯次利用的概率，增加对汽车生产企业的补贴也能提高积极回收的概率。最后提出研究启示，政府应该尽快将新能源汽车行业纳入碳交易市场中，明确其在退役动力电池回收方面的监管作用，促进汽车生产企业积极回收，加快新能源汽车行业实现“碳中和”的目标。

关键词：碳交易；动力电池；演化博弈；梯次利用；系统动力学

中图分类号：F720 文献标志码：A DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.18.018

Abstract： Under the background of the "dual carbon" goals， how to achieve low-carbon treatment for retired power batteries is an urgent problem to be solved. Based on the evolutionary game theory， the evolutionary game model of the three-party subject of power battery cascade utilization under the background of carbon trading is constructed， and the simulation is carried out with the help of system dynamics method to study the final evolution state of the three-party subject and the influence of related factors on the evolution path. The results show that the three parties in the power battery recycling industry chain finally reach a stable and balanced state at the place where the government introduces carbon trading， recycling processors choose cascade utilization， and automobile manufacturers choose passive recycling. The government's strategy determines the strategic choice of recycling processors， increasing subsidies and increasing fines will increase the probability of recycling processors to choose ladder utilization， and increasing subsidies to automobile manufacturers can also increase the probability of active recycling. Finally， the research enlightenment is put forward， the government should include the new energy automobile industry in the carbon trading market as soon as possible， clarify the regulatory role in the recycling of retired power batteries， promote the active recycling of automobile manufacturers， and accelerate the goal of "carbon neutrality" of the new energy automobile industry.

Key words： carbon trading; power battery; evolutionary games; cascade utilization; system dynamics

0 引 言

随着经济不断发展和能源消耗日益增加，我国对降低碳排放量高度关注，新能源汽车作为减少碳排放、降低碳足迹的一种解决方案，其产业规模快速增长。2022年新能源汽车产量超过700万辆，销量也达到688万辆，同比分别增长96.9%和93.4%，市场占有率达到25.6%，高于上年12.1个百分点，即将开启加速发展的新阶段。伴随着全球新能源车市场规模的爆发式增长，退役的动力电池数量也在迅速上升，预计2030年退役总量将超过7105t[1]。目前我国政府鼓励新能源电池行业回收采取梯次利用的处理方式，2017年2月，《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》提出按照先梯次利用后再生利用原则合理利用退役动力电池。2021年又在《办法》里提出要加大技术、装备的研发与推广应用支持力度，推动形成有利于梯次利用行业健康发展的长效机制。但是由于梯次利用行业仍处于起步阶段，在市场规模尚未成熟前回收企业需要投入大笔资金用以技术研发，回收所得的退役电池个体间存在差异，不同的使用年限和不同容量损耗情况提高了梯次利用企业回收成本。此外，在没有政府干预的情况下，电池梯次利用的环保效益未能直接体现在市场竞争中，不利于梯次利用的推广应用，所以回收企业的积极性并不高。

碳交易的引入或许可以成为新的助力。碳交易市场是指以温室气体排放配额或温室气体减排信用为标的物所进行的交易的市场，减排效益明显的企业可以通过碳交易市场出售剩余碳配额以此来增加企业收益。2021年7月，我国建立全国性的碳交易市场并取得初步成效，截至2021年12月31日，全国碳市场碳排放配额（CEA）累计成交量达1.79亿吨，成交额达76.84亿元。动力电池的梯次利用是一种高效率减排的措施，根据碳排放的计算结果，梯次利用过程中相对原生材料排放的温室气体减少量达到62.94%[2]。在碳交易背景下，梯次利用企业可以凭借优异的减排成果将剩余的碳配额在碳交易市场出售。此外，碳交易引导下，超额排放将给企业带来更高的生产成本，这将直接促进企业选择更减排的措施，加快推动企业向低碳节能方向转变。

现阶段国内外学者对动力电池回收的研究集中在政府策略、回收模式和动力电池回收的影响因素三个角度，还有学者从多个角度考虑问题。基于政府策略角度，李欣等证明在政府规制回收率的情况下，动力电池回收率高于无政府参与的情况[3]；Shao 等发现政府补贴政策能够影响制造商的回收策略[4]；杨康康等发现相较于补贴政策，奖惩机制下动力电池回收率更高[5]。基于回收模式角度，Zhao 等研究了动力电池制造商、制造商和零售商以及第三方回收三种不同的回收模式在政府补贴情况下的最优定价策略[6]；马亮等以单渠道回收模式为基础，发现制造商和零售商双渠道回收时能够降低新能源汽车的价格、扩大市场需求[7]；Li 等分析了三种不同的双渠道回收模式下最优定价策略，发现在一定条件下汽车制造商和零售商回收是最优的回收模式[8]；郝硕硕等发现市场成熟后由动力电池生产企业、新能源汽车生产企业、第三方综合利用企业组成的产业联盟回收相对于单渠道回收模式更具有优势，回收成本最低[9]。基于影响回收的因素角度，Gu等研究发现动力电池回收数量受回收价格的影响较大，并且相较于制造商，再制造商的利润较低[10]；卢超等研究发现降低市场的需求风险和回收渠道的质量风险对完善动力电池回收体系非常重要[11]。此外，随着双碳目标的确定，在逆向供应链研究中碳排放因素变得愈发重要，焦建玲等探讨了动力电池制造商、新能源汽车制造商和第三方回收三种回收模式下，再生材料对闭环供应链系统碳排放的影响[12]；伊辉勇等对比分析无碳交易政策和实施碳交易政策两种情况下供应链各成员的决策，发现政府实施碳交易政策时动力电池的回收数量和回收价格都有提升[13]。

综上所述，碳交易市场的开放对于回收企业对动力电池梯次利用的积极影响是值得研究的。本文构建了碳交易背景下政府、回收处理商和汽车生产企业的三方演化博弈模型，借助被广泛应用于数值模拟仿真的系统动力学方法，模拟退役动力电池回收利用中各主体的策略变化及交互影响，旨在为碳交易背景下提高回收企业积极性提供政策参考。

1 动力电池回收产业主体利益与博弈模型构建

1.1 模型假设与参数设定

参与动力电池回收产业的三个主体包括政府、回收处理商、汽车生产企业。三方主体会根据有限的知识和信息选择行为策略，作出最佳决策。本文构建的碳交易背景下动力电池梯次利用的三方演化博弈主体之间的逻辑关系如图1所示，涉及的参数及其解释，如表1所示。

1.2 模型构建与分析

根据各主体的行为策略和博弈关系，分别列出政府选择引入碳交易政策和不引入碳交易政策时政府、回收处理商、汽车生产企业的收益支付矩阵，如表2和表3所示。

上述复制动态方程组反映了政府、回收处理商和汽车生产企业之间策略选择调整的速度和方向。根据李雅普诺夫第一法，均衡点的稳定性可以通过该系统雅克比矩阵特征值的正负性来判断，但由于三方主体涉及到的参数众多，传统的数学方法往往难以考虑到所有因素之间的相互作用。由此，本文利用系统动力学仿真软件Vensim来建立演化博弈模型，研究碳交易背景下动力电池梯次利用系统的稳定情况，以及影响系统参与者决策的相关因素。

2 系统动力学仿真分析

2.1 SD的建模

2.2 纯策略博弈仿真分析

本文采用演化博弈和系统动力学相结合的方法，分析三方主体均衡状态的稳定性以及达到均衡状态的过程。在演化博弈纯策略仿真分析中，我们可以通过微小改变参与者的初始值，来分析不同策略的稳定性和均衡点的唯一性，将初始策略选择0的情况下初始值设为0.01，将初始策略选择1的情况下初始值设为0.99，将八种初始策略从政府的角度出发分两种情况进行讨论分析。

2.2.1 政府初始策略选择不引入碳交易

政府初始策略选择不引入碳交易市场时，政府、回收处理商、汽车生产企业有（0，0，0）（0，1，0）（0，0，1）（0，1，1）四种初始策略，三方主体对应策略演化路径如图3所示。

如图3（a）、图3（c）所示，当政府初始策略不引入碳交易，回收处理商初始策略选择直接拆解时，政府选择引入碳交易的意愿逐渐上升并最终稳定在引入碳交易状态，具有碳减排意识的回收处理商选择梯次利用的概率逐渐增大并最终稳定在梯次利用状态，汽车生产企业初始策略选择积极回收时其积极回收意愿逐渐下降稳定在消极回收状态。如图3（b）、图3（d）所示，由于政府初始策略选择不引入碳交易，回收处理商梯次利用的意愿逐渐降低，但随着政府引入碳交易的意愿逐步上升，回收处理商梯次利用意愿也逐步上升最后稳定在梯次利用状态，汽车生产企业初始策略选择消极回收时会一直稳定在消极回收状态，选择积极回收时由于积极回收付出的成本较大，其积极回收意愿逐渐降低，最终稳定在消极回收状态。政府的初始策略选择不引入碳交易的情况下，政府、回收处理商、汽车回收企业的策略最终会在（1，1，0）处达到均衡。

2.2.2 政府初始策略选择引入碳交易

政府初始策略选择引入碳交易时，政府、回收处理商、汽车生产企业有（1，0，0）（1，1，0）（1，0，1）（1，1，1）四种初始策略，三方主体对应策略演化路径如图4所示。

如图4（a）、图4（c）所示，政府初始策略选择引入碳交易时会一直稳定在引入碳交易状态；回收处理商初始策略选择直接拆解时，由于政府选择引入碳交易策略，所以具有碳减排意识的回收处理商选择梯次利用的概率逐渐增大并最终稳定在梯次利用状态；汽车生产企业初始策略选择积极回收时，由于积极回收付出的成本等原因会逐渐选择消极回收策略并最终稳定在消极回收状态。如图4（b）、图4（d）所示，回收处理商初始策略选择梯次利用时会一直稳定在梯次利用状态，政府也一直稳定在引入碳交易状态，汽车生产企业初始策略与否最终都会稳定在消极回收状态。因此，政府的初始策略选择引入碳交易的情况下，三方主体的策略最终也会在（1，1，0）处达到均衡。

2.3 外生变量对博弈策略的影响分析

为了进一步探讨政府、回收处理商、汽车生产企业的策略选择对外生变量的敏感程度，本文选取初始策略组合（0.5，0.5，0.5）为仿真对象。在参数初始赋值条件下，通过调控系统关键参数，对政府对回收商的补贴、政府对汽车生产企业的补贴、政府对回收处理商的罚金进行重点讨论，探究主要因素对动力电池回收演化状态的影响。

2.3.1 政府对回收商的补贴S1对主体策略的影响

从图5可以看出，政府对回收处理商的补贴力度越大，政府引入碳交易的意愿随着补贴额度增大而减小，回收处理商梯次利用的意愿随着补贴额度的增加而上升，汽车生产企业的积极回收意愿随着补贴的增大而减小。

如图5（a）所示，当政府的补贴力度较小时，政府付出的成本较小，达到引入碳交易状态所需要的时间也越少，随着补贴力度的增大，政府付出的成本增加，政府引入碳交易的意愿持续下降，政府达到引入碳交易状态所需要的时间也越长。在补贴力度较大时，政府付出高额的补贴没有得到合适的反馈，导致其直接收益小于其付出的成本，政府最终会选择放弃引入碳交易。如图5b所示，可以看出回收处理商梯次利用的概率随着政府补贴数额的增大也逐渐增大，当政府补贴系数较高时，回收处理商迅速收敛于梯次利用，但是随着时间变化又逐渐收敛于直接拆解状态，这是由于当补贴过高时政府选择不引入碳交易策略，回收处理商无法获得碳减排的收益，直接拆解的收益大于梯次利用的收益最终会选择直接拆解策略。如图5（c）所示，政府对于回收处理商的补贴越大，政府引入碳交易的意愿越小，从而给予汽车生产企业的补贴越少，汽车生产企业达到消极回收状态所需要的时间也越少。所以，合理的补贴额度不仅能让政府选择引入碳交易政策，还可以让回收处理商更快趋于梯次利用状态。

2.3.2 政府对汽车生产企业的补贴S2对主体策略的影响

从图6可以看出，随着政府对汽车生产企业补贴力度的增大，政府引入碳交易的意愿达到稳定状态的所需要时间越长，而汽车生产企业随着政府补贴的增加，其积极回收的概率也增大，对于回收处理商的策略来说影响较小。

如图6（a）所示，随着补贴额度的增大，政府所付出的成本越高，政府达到引入碳交易状态的时间越长，但是总的来说引入碳交易的收益还是非常可观的，所以政府最终还是会稳定在引入碳交易状态。如图6（c）所示，由于汽车生产企业积极回收所付出的成本较高，所以当政府给予的补贴较低时，汽车生产企业最终还是选择消极回收，随着政府补贴的增加，汽车生产企业选择积极回收的概率逐渐增大。当政府补贴达到一定额度时，汽车生产企业会从消极回收策略转向积极回收策略。如图4（b）所示，回收处理商随着补贴额度增大几乎没有变化。所以，合理的补贴额度不仅能让政府选择引入碳交易政策，还可以让汽车生产企业由消极回收状态转变为积极回收状态。

2.3.3 政府对回收商的罚金F对主体策略的影响

如图7所示，过低的罚金会导致政府向不引入碳交易方向演化，回收处理商向直接拆解的方向演化。当政府提高对回收处理商的罚金时，政府会更快速地向引入碳交易方向演化，回收处理商也会更快地稳定在梯次利用状态，而汽车生产企业也需要更长的时间演化到消极回收状态。

如图7（a）所示，过低的罚金相当于政府的直接利益减少，因此政府最终选择不引入碳交易，此时回收处理商的碳减排收益为0，所以回收处理商最终选择直接拆解。随着惩罚力度的增大，回收处理商选择直接拆解时上交的罚金越多，政府收到的罚金可以用于引入碳交易的建设，所以政府引入碳交易的意愿逐步升高。如图7（b）所示，当政府惩罚力度较小时，政府选择不引入碳交易政策，回收处理商无法获得碳减排收益最终会选择直接拆解策略。随着政府惩罚力度的增大，回收处理商如果坚持直接拆解，不仅需要支付高额的罚金，还需要考虑如何满足政府的节能减排标准，以确保其回收处理行为得到政府的认可和支持。所以，当政府提高罚金额度时，回收处理商会更快地选择梯次利用策略。如图7（c）所示，政府对回收处理商的罚金越高，政府引入碳交易的概率越大，回收处理商梯次利用的概率也越大，从而给予汽车生产企业的奖励越多，但是由于积极回收成本过高，汽车生产企业最终还是会选择消极回收。所以，合理的惩罚额度不仅能让政府选择引入碳交易政策，还可以让回收处理商更快趋于梯次利用状态。

3 结 论

本文基于演化博弈理论构建退役动力电池梯次利用中政府、回收处理商和汽车生产企业的演化博弈模型，探讨了各参与者的策略选择，并利用系统动力学仿真刻画了三方博弈策略选择的动态演化过程，进一步分析了政府对回收商的补贴、政府对汽车生产企业补贴、政府对回收处理商的罚金对系统演化的影响。结合上述分析，得出以下结论。第一，政府、回收处理商、汽车生产企业的初始策略有八种情况，无论哪种初始策略经过不断博弈的过程，三方最终会在政府引入碳交易、回收处理商选择梯次利用、汽车生产企业消极回收处达到稳定均衡，但是政府初始策略选择引入碳交易政策会使各方的达到稳定状态所需的时间减少，政府在动力电池梯次利用系统中起引导作用。第二，政府的参与与否会直接影响回收处理商的最终选择。当政府不干预时，回收处理商倾向于收益更高的直接拆解方式处理退役动力电池；当政府参与进来时，政府增加对回收商的补贴和罚金都会让回收处理商倾向于梯次利用；政府对汽车生产企业的补贴也决定了汽车生产企业回收的态度，高补贴可以提高汽车生产企业回收的积极性。

因此，政府可以将汽车产业纳入碳交易市场中，推进动力电池逆向供应链的低碳发展，加快汽车产业的“碳中和”进程。此外，政府要明确在退役动力电池梯次利用中的监管作用，建立完善的退役动力电池回收利用的监管平台，加强退役动力电池的回收再处理管理。政府要设置合理的补贴和罚金，适当的补贴可以提高回收处理商和汽车生产企业的积极性，合适的罚金可以规范回收处理商的行为。

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