循环经济视角下车用动力电池逆向物流链的优化

2015-10-09刘怡君

江西理工大学学报 2015年6期

关键词：梯次车用动力电池

刘怡君，彭　频

（江西理工大学经济管理学院，江西赣州341000）

循环经济视角下车用动力电池逆向物流链的优化

刘怡君，彭频

（江西理工大学经济管理学院，江西赣州341000）

我国新能源汽车产业化的推进使得其核心部件——动力电池即将进入批量报废阶段。在经济利益及资源瓶颈的推动下，基于循环经济视角对车用动力电池逆向物流回收链进行优化，可减少或规避动力电池直接进入资源化处理造成的生产成本的提高和资源的浪费。该逆向物流体系通过对退役后动力电池的容量、功能外观、健康状态等指标进行检测，让动力电池在生命周期不同阶段有序地进入链上的不同节点，从而实现其全生命周期范围内的高效率、低消耗和无害化回收及再利用，为我国新能源汽车的持续健康发展提供“后市场”的保障。

动力电池；循环经济；逆向物流链；梯次利用

伴随着环保意识的增强以及能源危机的日益突出，新能源汽车得到了迅猛的发展。其产业化的推进有助于发展低碳经济，保障能源的使用安全，最终实现可持续发展。2012年国务院出台《节能与新能源汽车产业发展规划》，明确指出未来我国汽车产业的发展方向和目标是大力促进新能源汽车的普及和推广，并预计到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力可能达200万辆，累计产销量可能超过500万辆，将占汽车市场总额的5%［1］。

近年来我国纯电动汽车、插电式混合动力汽车市场规模的逐渐扩大，动力电池作为其核心零部件，即将逐步进入批量报废阶段［2］。由于车用动力电池生产成本较高，几乎占了新能源汽车制造成本的30%，由此带来的新能源汽车产业问题、资源瓶颈问题和环境问题引起业界的重点关注。因此，动力电池是否能够被有效回收利用，如何实现其生态化、经济化的回收再利用，不仅对我国新能源汽车产业的可持续发展有影响，还将直接影响我国节能减排的战略是否能长期稳定实施。

一、循环经济的内涵

全球生态环境状况的日渐恶化驱动着一种新经济形式即循环经济的出现。循环经济的思想早在20世纪60年代就已经被提出。作为一种新的经济发展模式，循环经济在粗放型经济增长模式所带来的资源和环境约束条件下形成，它在本质上是一种生态经济，以生态工业链为发展主线，打破了传统的单向直线型经济模式。通过对最终的废弃物进行回收再利用，使其转变成再生资源，从而形成反馈式的经济模式，与可持续发展的理念相吻合，使资源得到更有效的利用，保护了环境的同时最大化了经济效益和环境效益［3］。循环经济以3R——减量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循环（Recycle）为基本原则，立足解决在达到既定产出的前提下，尽可能减少资源的输入，最大化资源的重复利用，实现减排和绿色生产等问题，最终实现与自然界和谐共赢，追求可持续发展［4］。

在交通运输领域，发展循环经济的一个重点就是实现新能源汽车的推广和普及，从而实现节能减排。而该项工作落实到位的后续保障即对新能源汽车中生产成本高、资源含量高的动力电池进行最大价值的回收处理和再利用。文章主要从两个方面来说明循环经济视角下动力电池有效回收再利用的内容：（1）动力电池资源使用的减量化和再利用。促进能源的二次利用和通过回收中的资源化处理促进原料资源和功能配件进入再生产和再利用，减少资源投入。（2）动力电池资源循环利用的经济效益的优化。在循环经济视角下构建的逆向物流链，对动力电池梯次利用的节点进行了分层，对不同性能状况的动力电池及其相应功能原件进行评估后进入逆向物流中的不层次节点，最大化其再利用的经济价值。（3）动力电池回收过程中的生态化。通过健全的回收体系建立，让不同功能状态的电池在梯次利用和资源化处理环节中的有序流入，采用针对性处理方式可减少供应链上污染物的排放，减轻对环境的负担。

二、我国车用动力电池增量预测及危害分析

当前我国主要的车用动力电池有铅酸电池、镍氢电池和锂电池，其相应的性能指标如表1所示。铅酸蓄电池具有较大的电流放电性能、温度适应性强、电池容量大，且价格低廉、可再生，其产业链的发展已经较为完善，回收工艺也较为成熟，目前被广泛用于电动自行车的动力源。而新能源汽车的动力电池主要有镍氢电池和锂电池两大类，镍氢电池和锂电池凭借其能量密度高、充放电速度快、循环寿命长以及无污染等优点发展迅速，被称为“高能绿色动力电池”［5］。

表1　几种常见车用动力电池性能比较

据中国汽车技术研究中心统计，目前我国私人乘用车平均报废年限在12～15年，小型出租车的强制报废年限为8年，因此混合动力汽车和纯电动汽车的镍氢和锂电池组在汽车的使用寿命周期内至少需要更换一次［6］。黎宇科（2015）指出若是按照纯电动（含插电式）乘用车单车电池重量范围为25～50千克，平均电池使用寿命为5～6年；混合动力公交单车电池重量范围为200～300千克，纯电动公交单车电池重量范围为1500～3000千克，按照平均使用寿命3年计算，可预测出我国未来近十年的电动汽车电池报废量，如图1所示。预计2014～2024年间锂电池累计报废量约达100万吨，镍氢动力电池累计约达18万吨。

图1　锂电池和镍氢电池报废量预测

我国目前使用的铅酸蓄电池材料中含有大量的铅、铅合金、锑和硫酸，通常还含有铜、镉、砷、铋、锡等化学物质，此外还有大量废硫酸和沉积的铅泥，及相当数量的铅粉悬浮在硫酸之中［7］。而镍氢电池和锂电池虽然号称“绿色电池”，但是他们的正极材料中含有大量镍、钴、锂、锰金属，而且其含氟电解液（六氟磷酸锂）等对环境有巨大危害［8］。如果这些报废的动力电池没有及时地进入其逆向物流回收链中进行恰当处理和再利用，一旦这些化学物质进入环境，会直接对生态链带来危害，最终会通过食物链危害人类健康。

三、国内外的动力电池回收利用现状分析

当前我国尚未建立完整的废旧动力电池收集、运输、存储、再生利用处理的成熟循环利用体系，缺乏相关的行业规范和管理制度。因此造成了回收处理工艺落后，能耗高，回收率低，环境污染严重等后果。虽然存在着广泛的社会回收主体，但是由于回收主体缺乏违规负担且在回收实操中存在大量不规范和不环保的做法［9］，使得动力电池的逆向物流运行缺乏生态性和经济性，回收对象以贵重金属为主，废旧电池大多是直接进入逆向物流中的资源化处理节点，其回收逆向物流链如图2所示。

图2　当前动力电池回收逆向物流

发达国家动力电池的回收利用体系较为成熟，在工艺上也基本能实现低碳化和回收利用的高效率。此外，由于其规范化回收渠道的建立，可实现回收利用的规模化效应，最终实现动力电池从退役到报废处理的全过程有效控制，减少二次污染，保证整个回收体系的生态和高效［10］。此外，动力电池从进入使用环节到其电量完全消耗的全生命周期可达到20年，然而，当动力电池只能充满原有电量70%～80%的时候，就不适合作为车用动力源［11］。如果这时直接进入逆向物流的资源化处理环节，会造成可利用价值降低和资源能源的浪费。因此，对于退役后的动力电池，业界提出了其新的处理途径，即梯次利用。所谓动力电池梯次利用，是指对新能源汽车使用后的动力电池进行拆解、检测和分类后的二次使用。梯次利用的方式可以让动力电池延长生命周期内的使用时间，提升其价值空间。

近年来，日本、德国和美国等发达国家也率先进行了动力电池梯次利用的研究，在二手动力电池具体性能测试评估、二次应用领域价值分析、梯次利用的技术障碍等领域取得了一些进展。如日产汽车公司成功地将在日本和美国销售或租赁的二手动力电池用于住宅和商用的储能领域；通用公司将退役后的车载锂电池成功用于智能电网；德国政府已把动力电池回收利用的研究放上了重要议程，相关企业和科研机构在政府资助下成功开展了两个动力电池回收利用项目，并取得了可喜的成果［12］。对动力电池的梯次利用过程可分为三个阶段，第一阶段为回收电池梯次利用领域探索和其性能测试的方式方法研究；第二阶段为在梯次利用阶段的电池改装和市场开发研究，第三阶段的研究重点即如何形成完善的梯次利用体系和制定实施梯次利用的标准流程。当前国内外对动力电池的梯次利用尚处于初级阶段，对梯次利用的回收应用领域仍处于试用和初级应用阶段。

四、循环经济视角下动力电池逆向物流网络的优化及其实施举措

（一）循环经济视角下动力电池逆向物流链的优化

相对于以往传统粗放型工业经济发展形式而言，循环经济以资源的高效利用和循环利用为目标，以“减量化、再利用、资源化”为原则，最大限度地回收和利用废旧产品所蕴含的财富，从产品寿命出发，将“线性结构”制造模式发展为闭环“循环型结构”制造模式，大力推动废旧产品再资源化，转变为“资源—产品—再生资源”的循环型产业链［13］。近年来，我国已经通过《循环经济促进法》确立了循环经济理念，并且新的《环境保护法》亦体现了相关的思想。因此，将该理念贯彻到动力电池的回收利用管理过程中，有助于优化废旧动力电池回收的高效率、低消耗和无害化的逆向物流回收利用链。

循环经济视角下车用动力电池的逆向物流网络的优化有两个出发点：一是在车用动力电池的全生命周期内对资源最小化的投入和损耗，减轻环境负担，达到保护环境的目的。二是最大化利用其相关的材料性能，增加其可用价值。具体表现为动力电池全生命周期优化为出发点，根据动力电池的外观良好性、荷电状态和健康指数等指标进行生命周期进行的阶段划分，对车用动力电池所处阶段进行判定后，让其进入逆向物流链上的相应节点进行再利用、再制造或处理，实现逆向物流的生态化和效益最大化。

动力电池从开始使用到电池能量完全耗尽报废的全生命周期约为20年，一般将其用作车用动力源的时间为5年左右，当动力电池电量降为80%的时候，就不适合继续在电动汽车上使用，意味着其剩余寿命还有15年左右［14］。如图3所示，动力电池的生命周期可分为三个阶段：正向物流的应用阶段，该阶段内的动力电池直接进入车用市场，作为新能源汽车动力源；梯次利用阶段，在该阶段的电池需要经历分流和检测，通过对其进行针对性、全面的性能和安全测试后，进行分流，进入梯次利用领域或再制造环节，若由于特殊情况（譬如功能不全、外观受损），报废动力电池也会直接进入其生命周期的第三阶段进行资源化处理；资源化处理阶段，主要进行材料和废旧金属的回收，避免造成二次环境污染。

图3　动力电池逆向物流链的构建

其中，梯次利用环节是其逆向物流链优化的关键节点，基于对动力电池全生命周期进行优化管理的思路，退役后的动力电池经过检测和技术工艺处理，在动力电池（或者电池单体）外观、荷电状态、健康指数符合要求的情况下，进行梯次利用。通过该环节的有效顺利实施可实现其回收过程中的最大化生态和经济效益。在该节点考虑二次利用电池的物理和化学性能，电池本身的成本估算以及重新处理加工成本的控制，针对二次利用领域的使用环境和电池要求的特定性能分析，将其用于不同的领域，譬如在通信、储能、基站建设、动力电池再制造领域，或是作为电动场地车等低速电动车的动力源［15］。慈松（2015）指出基于动力电池全生命周期的优化，当动力电池的容量在30%～80%之间时，即梯次利用的阶段一可用于社区、分布式电站储能、主电网/电站储能；阶段二即其容量低于30%时，用于充电桩、家庭和建筑储能。当动力电池的充电能力丧失，电能耗尽时，从梯次利用领域上二次淘汰后则进入其生命周期的第三阶段——资源化处理阶段。在该物流网络中，回收处理节点多，报废后的车用动力电池回收应用领域较广，不仅可有效解决环境污染问题，还延伸了动力电池的产业链。

动力电池逆向物流体系的优化和实施可以有效推动其回收利用的产业化和规模化，不仅能够缓解资源紧缺，还可通过二次利用创造动力电池新的市场价值，并获取相应的规模经济效应，具有巨大的市场潜力，同时也为我国新能源汽车“后市场”的发展提供一个新的前景视角。国务院节能与新能源产业发展规划也指出，未来我国要建立动力电池梯级利用和回收管理体系。总之，动力电池生态化、效益化逆向物流的构建和实施具有重大的现实意义和应用价值。

（二）循环经济视角下动力电池逆向物流实施的举措

循环经济视角下动力电池逆向物流链的运行强调对产业链上的动力电池及其功能原件进行二次或多次开发利用，通过重置加工将其作为新的资源投入逆向产业链进行开发和再利用。该运行思路与可持续发展的观点相吻合，注重在生态化的前提下进行高效的资源使用，具体实施时应注意以下几点：

1.实现动力电池系统模块标准化和智能化设计

由于电动汽车用的动力电池和其他储能领域的储能电池因环境需求和能量密度的不同，因此在规格和设置上存在着许多差异，即不兼容性。这给其生命周期的第二阶段进行二次利用增加了难度和制造加工成本，也提高了二次利用的技术门槛。而智能化和标准化的设计可以有效地解决这个难题［16］。目前我国政府和行业正在努力推动动力电池产业的绿色、集约发展，促进行业在规格、技术标准上进行标准化设计，从而有效地降低动力电池梯次利用的加工成本。目前要实现逆向物流上梯次利用的规模化和产业化，获得规模经济效益和利益最大化，难度较大，但是其前景乐观。

2.构建有效的逆向物流回收体系

只有对动力电池进行有效回收和分类，才能以最优方式对其进行再处理和再利用，而动力电池的有效分类和回收是逆向物流链上关键的起点。由于车用动力电池生产成本较高，生命周期长，因此可利用RFID等先进的信息技术，给电池安装RFID电子标签，标注其相应的信息参数、出厂日期、成分构成、购买方，并建立车用动力电池的信息平台，对废旧动力电池的回收过程进行全程跟踪监控［17］。在大数据时代，该方式可以让其他节点的使用者很好地了解动力电池的性能参数，降低后期梯次利用加工的技术门槛，同时能掌握进入逆向物流体系的电池动态，有助于实现动力电池回收利用的规模化。

3.加强产业链上行业间合作，促进相关产业链的协调发展

动力电池报废后要做到梯级利用，单靠电池制造企业及汽车企业显然是不够的，还会牵涉到很多能源利用单位和产业领域，因此需要加强与其他领域相关企业的合作，带动能源产业链的发展，提高环境保护效益。

4.落实生产者责任制度，加强政府引导和监管

落实生产者责任制是实现我国动力电池低碳回收处理的重要前提之一。生产者责任延伸制度可让生产者直接或间接地承担起动力电池全生命周期的环境责任，并充分利用企业对于正向销售渠道的熟悉掌握，借助正向物流的多样渠道，实现逆向物流高效能的回收再利用，构建有效的回收体系；同时生产者还可充分利用废旧动力电池的相关信息反馈进行技术改进和更新，实现绿色设计［18］。此外，在动力电池品种多样化的趋势下，容易产生“规模不经济”的情况；市场经济中的回收主体容易受经济利益驱使，进行恶性竞争。正如目前我国动力电池回收市场被大量无资质回收主体占据，“边回收边污染”的情况普遍存在，因此需要政府力量的积极参与，加强对企业的引导和监管，从宏观上规范我国的动力电池回收渠道，建立完善的回收利用网络，为动力电池有序、有效进入其逆向物流保驾护航。

五、展望

总之，电动汽车的数量将持续增长，将产生大量的废弃动力电池，这些会给生态环境带来负担的废旧电池，由于制造工艺先进，即使废弃以后仍然保持很高安全性和电性能，也是一座亟待开发的“金矿”。如果能够通过规范、生态化、高效逆向物流链的构建和运行，以及相应的法制制度进行保障，则可实现废旧动力电池合理、有效、效益最大化的再利用或资源化处理，不仅可以有效降低动力电池的制造成本、同样可给整个社会带来巨大的环保和经济效益，促进我国新能源汽车的持续健康发展。

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F252.19；F124.5

2095-3046（2015）06-0061-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.06.012

2015-08-18