“雙碳”目標下退役動力電池梯次利用現狀及綜合分析

劉倩，陳瀟川，吳軍雄，李小燕，陳育明，陳慶華

（福建師范大學環境與資源學院、碳中和現代產業學院，福建 福州 350007）

2020 年9 月22 日習近平總書記在第75 屆聯合國大會上提出“碳達峰、碳中和”目標，通過加強國家自主貢獻度并采取有效政策和措施，努力在2030 年前達到二氧化碳排放量的峰值，并力爭在2060 年前實現碳中和目標[1]。2020 年我國機動車污染物及溫室氣體排放總量分別為1 593.0 萬t 和6.7 億t CO2eq，傳統燃油車是交通運輸部門中污染物以及溫室氣體排放的主要來源[2]。研究表明與燃油汽車相比，新能源電動汽車在使用過程中更為環保，能夠有效解決傳統燃油車不斷增加的溫室氣體（GHG）排放和空氣污染問題，特別是在設立新能源汽車試點的城市其碳排放降低趨勢更為顯著[3]。因此，在“雙碳”政策的大力扶持下，新能源汽車在國內銷量急速上升，應用逐步規?；?，已成為應對氣候變化、推動綠色發展的戰略舉措。

鋰離子電池具有循環壽命長、能量密度高、自放電率低等優點，被廣泛應用于電子產品、電動自行車、新能源汽車等領域[4]。根據正極材料的不同分為三元鋰電池（Nickel Manganese Cobalt，NCM）和磷酸鐵鋰電池（Lithium Iron Phosphate，LFP），作為新能源汽車核心部件之一，電池容量隨著循環次數的增加會不斷衰退，當衰退至初始容量的80%以下時，便不能滿足新能源汽車動力需求進而退役[5]。2020 年，我國動力電池退役數量已達到20 萬t，預計2025 年將達到80 萬t[6]。如果無法高效、大規模地利用退役動力電池，無疑會給地球造成巨大的資源浪費和嚴重的環境污染。

目前退役動力電池的處理方式有填埋、回收再生和梯次利用。近年來關于動力電池梯次利用的研究越來越廣泛，以“動力電池梯次利用”為關鍵詞在中國知網數據庫檢索顯示，2015—2022 年相關文獻共發表678 篇，如圖1 所示。相關領域文獻發表數量呈現逐年增加的趨勢，2018 年開始增長較為明顯，到2020 年后每年平均有100 篇以上相關領域的文章發表。

圖1 動力電池梯次利用文獻發表情況

推進動力電池梯次利用一方面可以延長電池使用壽命，避免資源浪費，另一方面能有效緩和上游企業生產動力電池所面臨的原材料匱乏問題，達到“減碳降污、循環發展”的目的[7]。因此，梳理了退役動力電池梯次利用的相關政策和標準，分析了進行梯次利用技術—生態—經濟分析的重要性，以助力鋰離子電池全產業鏈朝著實現“雙碳”目標邁進。

1 退役動力電池處理方式

退役動力電池3 種處理的方式中填埋最不可取，因為電池含有較多重金屬和化學物質，如果只是簡單地拆解、焚燒或者填埋，會對自然環境造成更加嚴重的危害。據測算，填埋重約20 g 的電池會對1 km2土壤造成長達50 a 的環境污染[6]；回收再生可分為濕法回收、火法回收、直接再生回收技術等。楊芳[8]，Jiang 等[9]對比了火法、濕法及直接再生回收技術，認為濕法冶金技術具有金屬回收率高、能耗低等優點，但與梯次利用相比，回收再生無法對電池進行多層次利用；梯次利用是對已退役動力電池進行再制造[10]，主要過程包括檢驗、分級、拆解、電池維修及重組，之后根據電池適配容量開展二次利用，其具體工藝流程如圖2 所示。

研究發現磷酸鐵鋰電池梯次利用容量衰減率更慢，同樣的循環次數下其容量明顯高于三元電池，相較而言更具有經濟價值[11]。雖然三元電池的衰減速度快、梯次利用價值不高，但其金屬含量更高，再生利用經濟性更強。針對兩種電池自身特點，開展回收時的具體路線如圖3 所示。

圖3 動力電池回收路線

目前，梯次應用的領域主要包括：充電站儲能[12]、通信基站[13]、備用電源[14]、家庭儲能[15]等，目的是對電池的剩余價值進行挖掘和多次利用[16]，如圖4 所示。

圖4 動力電池梯次利用目標市場

2 國內外動力電池梯次利用現狀

2.1 國外梯次利用現狀

發達國家電池梯次利用項目開展較早，已有較為成熟的動力電池梯次系統工程，形成了以電池制造商為主的回收體系[17]。日本采用立法和電池生產企業互補模式，政府嚴格規范廢舊電池的回收流程，從源頭出發形成“蓄電池生產—銷售—回收利用—再生處置”的回收利用體系[18]；美國電池回收采用生產者責任延伸和消費者押金制度相結合模式，相關立法涵蓋美國聯邦、各州和地區，全面實行消費者押金制度和附加環境稅，并要求舊動力電池制造企業支付部分回收費，作為再生使用的經費保障[19]；德國通過法律規定生產者責任延伸制度和完備的電池回收管理體系，由生產商承擔主要責任，所有電池生產企業和進口商均須在政府部門登記注冊，銷售商落實動力電池回購管理機制，企業將廢舊電池交到政府部門規定的電池回收管理機構[20]。

日本的4R Energy 公司，主要業務是將梯次利用的動力電池用于銷售或租賃住宅和商用的儲能設備[18]；美國的特斯拉（Tesla）公司使用退役電池為家庭和商業系統提供動能[19]；德國的柏林博世集團、寶馬和瓦滕福公司就動力電池回收利用展開合作，利用寶馬的ActivwE 和i3 純電動汽車報廢的電池建造了2 MW/2 MWh 的大型光伏電站儲能系統[21]。

2.2 國內梯次利用現狀

相比于發達國家，我國動力電池梯次利用項目仍處于探索階段，主要以示范工程和規模企業試點為主，未形成完善的產業鏈和商業模式[22]。

河南省鄭州市建設了尖山退役電池的儲能示范項目[23]；上汽通用公司選用寶駿汽車（E100、E200）的退役動力電池在廣西成功搭建了首個兆瓦級大型光伏風能一體化梯次利用儲能電站[23]；2018 年起，中國鐵塔公司開始對動力電池進行回收利用，至2021 年使用梯次利用的動力電池已在30 個不同省份建成約50 萬個基站，使用退役電池儲能容量約3 GWh[24]。

3 電池梯次利用相關政策及標準

3.1 梯次利用相關政策

目前國內暫未出臺電池梯次利用的規范性文件，但已陸續發布了多項動力電池梯次利用的政策和標準。通過調查統計目前相關政策出臺約50 項，標準約20 項[25]，主要相關政策[26-27]如圖5 所示。

圖5 動力電池回收行業政策

由圖5 可知，2017 年工信部、科技部、環保部等7 個部門發布《新能源汽車動力蓄電池回收管理體系暫行辦法》，首次提出應遵循優先梯次循環后的再生原理多用途循環新能源汽車動力電池；2019 年工信部發布的《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件（2019 年本）》再次強調完善退役電池的梯次利用和再生利用體系；2022 年工信部等部門共同發布的《加快推動工業資源綜和利用實施方案》中明確提出推進電池梯次利用應該促進電池的上下游，聯合完善數據溯源，下一步我國仍需健全電池梯次利用政策并嚴格貫徹落實。

3.2 梯次利用相關標準

退役動力電池梯次相關標準的出臺，有利于電池梯次利用市場的健康發展和良性循環，便于國家對電池梯次利用進行大規模管理及維護廢舊電池市場秩序，部分相關標準[28]如表1 所示。

表1 動力電池梯次利用行業標準

為確保電池梯次利用的安全性，行業標準不僅規定了新能源汽車動力電池單體、模塊、箱體的尺寸、編碼規則、編碼對象和代碼的結構組成等，還要求測試廢舊動力電池的余能；并提出了適用于電池回收、貯運、梯級利用及再生利用的一般要求，涵蓋了包裝運輸的術語及定義、分類要求、一般要求、包裝要求、運輸要求及標志要求。這些標準旨在倡導動力電池回收利用的基本原則，推動編碼與溯源管理，促進電池梯次利用的可持續發展。

4 動力電池梯次利用綜合分析

4.1 梯次利用關鍵技術分析

為了保證電池再使用階段高效、安全、環保，需要通過嚴格篩選才能進行再加工，其中包括初檢階段、性能檢測階段、抽樣測試階段，以評估電池的能量特性和性能衰減情況[29]。

4.1.1 初檢階段

初檢階段指排除外觀破損、電池失活等明顯不合格的電池。通過電池包外觀篩選，退役電池可能存在物理性或化學性損壞，物理性損壞是指電池使用過程中受外界應力所引起的形變或破損；化學性損壞是指電池內部發生的一系列不可逆反應，包括電解液的分解產氣、鋰枝晶生長、電極結構坍塌等。初步篩選后仍需對電池性能進行全面檢測，以評估電池的健康狀況和性能，確認是否適合梯次利用。

4.1.2 性能檢測階段

性能測試階段主要通過建立模型來仿真電池工作狀態下的真實情況估算電池的電荷狀態（state of charge，SOC）和健康狀態（state of health，SOH）。其中SOC 為評估電池狀態，即剩余容量（Qr） 與標稱容量（Qn）之間的比值[30]。

SOC 的評估方法可分為傳統估計方法、模型驅動方法和數據驅動方法3 類。傳統估計方法中安時積分法較為常用，通過對電池充放電時的電流進行積分推算，這種方法簡單易行，但易受到充放電過程中的不確定性影響。模型驅動方法通過建立電池的物理或數學模型，對電池的實景充放電過程進行模擬仿真?？柭鼮V波算法從最小誤差的角度出發具有較高的估計精度，是目前較為全面的計算方法，但需要準確的電池模型和大量的參數校準，對計算資源要求較高。柴建勇等[31]在初始值不確定的情況下通過卡爾曼濾波算法建立電池梯次利用的模型，有效降低了SOC 的評估誤差；數據驅動方法較為經典的是神經網絡法，主要利用人工神經網絡模型對電池的SOC 進行估計。通過訓練神經網絡模型，將電池的輸入特征與對應的SOC 進行訓練，從而實現SOC 的準確估計，該方法能在減輕監測設備負擔的同時保證較高的估算精度[32]。

SOH 用來評估電池壽命，內阻測試和自放電測試是SOH 的重點評估部分。即電池測量容量（Caged）與額定容量（Crated）的比值[33]，公式如下：

其中內阻測試通常采用混合脈沖法和電化學阻抗譜?；旌厦}沖法是一種基于電流脈沖測量的方法，通過對電池施加不同電流脈沖并測量相應的電壓響應，得到電池的動態特性和內阻參數。該方法能夠快速測量電池在不同工況下的電壓響應來分析電池的動態特性和內阻變化情況，適用于快速測試電池的動態特性和內阻變化情況[34]；電化學阻抗譜是一種基于頻率掃描的測試方法，利用不同頻率下施加小幅交流電信號并測量電池的電壓響應和電流響應以獲取不同頻率下的阻抗響應，可以評估電池的狀態和內阻特性，適用于詳細的電化學特性分析和內阻參數的精確測量[35]。這兩種方法都具有非破壞性的優勢，能夠在電池正常運行狀態下進行測試且對電池不會造成損害。

電池自放電測試主要包括直接測量法[33]、脈沖測量法[36]和等效電路法[37]。直接測量法是最簡單的自放電測試方法之一，使用電壓表或電流表直接測量電池的電壓或電流數值變化情況，計算出電池的自放電速率，其測量精度較低；脈沖測量法是在電池上施加脈沖信號，測量其響應來評估自放電特性。采用短脈沖信號測量電池在脈沖施加后的恢復時間和電壓衰減情況，分析脈沖信號的衰減速率，得到電池的自放電速率，脈沖測量法可以提供更快的測試結果，但需要考慮脈沖對電池的干擾；等效電路法是一種基于電路模型的自放電測試方法，通過將電池的自放電過程建模為電路，采集電池在不同時間點的電壓或電流數據，并利用電路模型對數據進行擬合，可以提供較精確的自放電特性分析。這些方法各有優劣，選擇合適的方法取決于測試需求和實際條件。

4.1.3 抽樣測試階段

抽樣測試是對前兩個階段篩選出的電池進行分組，并從每個組中隨機選取樣本進行性能測試，旨在評估電池的性能一致性。在完成電池篩選后進入重組階段，該階段主要考慮對差異性較大的電池進行相互匹配，根據不同應用場景進行容量配置[35]。

4.2 梯次利用生態環境分析

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA），是從原材料采集到產品生產、運輸、使用及最終處置整個生命周期階段的一種環境管理工具。該方法通過量化評價對象相關的能源、物料消耗以及廢棄物排放來評估其造成的環境影響[38]，被廣泛應用于橫向或縱向比較不同產品、技術或產業造成的環境影響，以達到節能減排的效果形成新的環保戰略。LCA 基本步驟包括目標和范圍定義、清單分析、影響評價、結果解釋[39]，如圖6所示。

圖6 LCA 基本框架

目標和范圍的確定主要是明確目標產品、功能單位和系統邊界來比較相同功能單位下產品的環境污染。動力電池開展LCA 研究時，研究對象可選定為電池的某一部件或整個電池包。系統邊界包括了從搖籃到大門，即電池原料提取階段到產品制造階段；從大門到大門，適用于局部的LCA 研究，僅考慮電池制造階段；從搖籃到墳墓，即電池從生產制造到最后廢棄處置的全部過程。

清單分析指生命周期內全部單元過程數據的輸入和輸出。輸入過程包括物料、能源及自然資源消耗量，輸出包括產品和副產品、污染物及待處置廢棄物排放量，將所得數據清單在生命周期評價軟件中開展環境影響評價。

影響評價是通過分類、特征化和量化3 個步驟將清單分析結果轉化為資源消耗、人類健康影響和生態影響等方面的潛在環境影響，選用適當的評估模型和方法，結合規范化評價指標對環境影響進行分析。目前成熟的評價模型有CML、ReCiPe、IPCC、TRACI 等，這些模型可以分為兩類：中點法與終點法。中點法是早期觀察的環境影響，側重于單一的生態問題；終點法著眼于因果鏈末端的環境影響，得到的指標以更容易理解的方式顯示更高聚合級別的環境影響，通過模型計算能夠更方便的得到環境影響結果。

結果解釋是依據目標與范圍的界定，通過對數據進行可視化處理，分析總結環境污染的原因并提出建議。

現LCA 研究已被廣泛應用于電池梯次利用的環境可行性。Yang 等[40]通過對比初次使用的鉛酸蓄電池和退役鋰電池在通訊基站上的使用，研究了電池梯次利用的環境可行性；Ahmadi 等[41]基于安大略省的電網供電情況下，從電池全生命周期的角度出發研究了電池梯次利用在儲能領域的環境影響；Wang 等[42]基于不同的使用年限及回收方法，設定6 種不同場景，探究電池梯次利用不同場景下的環境表現；Quan 等[43]對比分析了LFP 電池和NCM 梯次利用的環境影響，以上研究結果均表明從生態環境的角度來說電池梯次利用具有一定的正向效益，能有效減少環境污染并緩解資源緊張的壓力。

4.3 梯次利用經濟價值分析

生命周期成本（Life Cycle Cost，LCC），包括設計、制造、采購、使用、維修保養和廢棄處置的全部成本[44]，多用于企業對產品研發費用的綜合評估，以降低后期的使用成本。純電動汽車的LCC 不僅應包括企業、客戶和社會實際付出，還應包括各階段社會資源的無形損失。

在已開展的動力電池梯次利用LCC 研究中，吳戰宇等[45]研究了鋰離子電池組及電芯的拆解和分選過程中各步驟所需成本；劉堅等[46]提出未來電池梯次利用在電力系統儲能方面具有巨大潛力，并隨著技術推進電池模組標準化，電芯故障率降低可以提升其成本優勢；李建西等[47]對退役三元鋰電池開展了生命周期評價和生命周期成本評價，證明了電池梯次利用在生態效益上具有可行性且有一定的經濟價值。

4.4 梯次利用技術—生態—經濟綜合分析

綜上所述，電池具有多重屬性需從多個維度對其進行綜合評估。為此，應構建“技術—生態—經濟”綜合評價框架，在評價生態和經濟價值可行性時，需基于具體應用場景及技術性因素（如壽命、充放電倍率和深度等）以提高結果的準確性和合理性；同時，在評價關鍵技術可行性時，應考慮生態和經濟價值。例如，在電池設計過程中，受生態和經濟價值的約束來篩選產品材料和制備工藝，三者間相互關聯、相互依存，形成一致耦合的關系。通過構建電池梯次利用技術—生態—經濟評價模型能夠驗證其安全、環境和經濟價值等方面的可行性，有助于評價退役動力電池處理的整體可持續潛力。

5 結論及建議

在國家“雙碳”目標下，發展新能源汽車已成為我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路。梳理了電池梯次利用的發展現狀及相關政策標準，綜合分析了電池梯次利用時技術—生態—經濟的重要性。研究發現目前我國政府部門正逐步健全電池梯次利用管理制度、引導相關企業重視回收體系建設并鼓勵梯次利用項目的開展，但仍存在一些實際問題需要解決。針對退役動力電池梯次利用檢測技術不成熟、不規范和政策不健全、溯源體系不完善等問題，現階段國家層面，應健全梯次利用相關的政策和標準，加快構建適合中國國情的動力電池碳足跡標準體系；行業層面，加大對動力電池高效梯次利用等關鍵技術的攻關及推廣應用力度，并組織動力電池企業統一電池單體級別到系統級別的規格，完善電池管理系統；個人層面，強化群眾低碳意識，個人應采取實際行動宣傳節能減排知識。相關建議如下。

5.1 突破關鍵技術瓶頸

目前退役動力電池檢測與篩選方面，多采用傳統單體電池測試和評估技術簡單平移直接應用于模組，并且檢測過程多基于深度充放電的方法，導致檢測效率低。因此，未來應聚焦模組級的檢測和分選方法研究，根據梯次電池模組不同的狀態設計更加有效的檢測和評估方法，企業應選用電化學阻抗譜技術等先進技術結合溯源數據，以提高梯次電池利用的效率。此外，應開展退役電池在不同工況下進行熱濫用的“預警—防控—消防”安全監控技術研究，以保障系統的安全運行。

5.2 借鑒國外成功經驗

我國梯次利用的電池企業規模較小且處于起步階段，僅靠少數資質較高的回收企業難以消納近年來報廢量激增的退役動力電池。小規模企業在運輸、檢測評估、拆卸、后期維護等方面固定成本較高，常常難以盈利，應結合我國實際情況，借鑒發達國家在電池梯次利用方面的戰略優勢，形成安全穩定的儲能產業戰略布局，鼓勵動力電池梯次利用行業創新商業模式，積極推進梯次利用與電池生產、拆解回收和電池材料的產業融合發展，以創造可觀的經濟價值。

5.3 健全行業法律法規

針對目前梯次利用各環節的標準和政策仍不充分、市場整體積極性較差等問題，仍需進一步細化相關政策及標準，考慮從新能源汽車生產制造開始構建回收體系，要求生產者對動力電池的全生命周期各環節承擔責任，推動電池生產商、使用群體及各回收部門相互協同合作。

5.4 完善溯源數據體系

我國電池梯次利用LCA 研究存在地域和時間局限性。由于現有的LCI 生命周期清單數據庫多來自歐美國家，國內暫未建立完善的電池溯源數據平臺，限制了我們對電池梯次利用的準確評估和分析。首先，應通過法律規范和政策支持，促使企業按照標準化的方式收集、記錄和報告電池的生命周期數據，這樣的數據平臺將為行業提供準確的電池溯源數據，為技術—生態—經濟評估提供重要依據；其次，積極參與國際合作與交流，通過與國際組織、研究機構和行業協會的合作，獲取更多豐富的電他生命周期數據，并與其它國家的研究成果進行比較和驗證，彌補我國電池梯次利用研究中數據的不足，提高評估的可靠性和全面性；最后，推動生命周期評價方法的發展和應用。通過引入新的評價指標、改進建模方法以及開展前瞻性研究，提高電池梯次利用的評估精度和全面性。

5.5 推動“產學研用金”聯動結合

退役動力電池研究涉及多個領域和專業，應加強企業與高校的合作及企業間的溝通。學校針對企業的需求，培養對口人才，為科技進步提供力量支撐，同時整合多個學科的專業知識和研究成果，優化資源配置，減少成本，提高梯次利用效率，助于制定更具經濟可行性的退役動力電池梯次利用方案；企業間共同投入資源和專業知識，聯合推進項目研究，實現資源的高效利用和降低生產成本，促進不同企業在退役動力電池梯次利用產業鏈中的合作與協同，形成完整的價值鏈，推動整個產業的經濟發展；此外，企業間建立信息共享平臺，通過共享行業動態、技術、政策法規等信息，探索新的市場機制和商業模式，以促進退役動力電池梯次利用產業的商業可行性和經濟可持續性，助力實現科技創新與經濟效益的雙贏。

5.6 加大電池回收宣傳

從源頭規范引導上游企業統一電池單體級別到系統級別的規格，完善電池管理系統，進而促進經濟的發展。同時，鼓勵新能源車企與消費者簽署退役電池回收管理相關協議，通過法律文件保證電池的有效回收，為產業鏈中的企業創造更多經濟機會。此外，與相關機構、社區組織或電池生產商建立合作伙伴關系，可以提高資源的回收再利用率，減少資源浪費，為經濟發展帶來更多機遇和利益。