劉若桐 李建林 呂 喆 馬速良

退役動力電池應(yīng)用潛力分析

劉若桐1李建林1呂 喆2馬速良1

（1. 儲能技術(shù)工程研究中心（北方工業(yè)大學(xué)），北京 100144；2. 北京海博思創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100080）

在國家政策的引導(dǎo)和推動下，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，退役動力電池的處理和應(yīng)用提上日程。動力電池梯次利用不僅可以緩解大量動力電池退役所帶來的電池回收壓力和環(huán)境污染問題，還可以實現(xiàn)電池價值和資源的最大化利用，同時有效降低電動汽車整車成本和電力系統(tǒng)儲能工程造價。本文首先總結(jié)了國內(nèi)電動汽車市場環(huán)境及退役動力電池梯次應(yīng)用成功案例，然后對退役動力電池的經(jīng)濟成本和不同應(yīng)用場景進行闡述，分析退役動力電池的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景，最后評估其梯次儲能利用的優(yōu)勢和應(yīng)用經(jīng)濟性。研究表明，隨著退役動力電池數(shù)量的爆發(fā)式增長，退役電池在電網(wǎng)儲能、通信基站等場景中的應(yīng)用具有巨大的潛力，可以實現(xiàn)優(yōu)化資源配置、確保供電可靠、穩(wěn)定電力系統(tǒng)、提高電網(wǎng)安全性的目的，且相較于直接資源回收，將退役電池梯次利用的經(jīng)濟成本優(yōu)勢更加顯著。最后對退役動力電池梯次儲能應(yīng)用進程進行總結(jié)和展望，為退役電池產(chǎn)業(yè)化回收利用的發(fā)展提供參考。

退役動力電池；儲能；應(yīng)用場景；經(jīng)濟成本

0 引言

近年來，得益于動力電池相關(guān)政策和補貼的落實，我國電動汽車開始大規(guī)模推廣應(yīng)用。電動汽車作為清潔能源汽車，促進了節(jié)能減排和污染防治的有效推進，對于緩解我國能源緊缺和環(huán)境污染問題、促進交通能源電力化戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型、推進生態(tài)文明建設(shè)具有十分重要的意義。作為新能源汽車的動力來源，動力電池在使用5～8年后其容量會出現(xiàn)嚴重衰退，這一變化導(dǎo)致其不再適用于汽車，需要進行退役處理。隨著電動汽車數(shù)量的劇增，動力電池的退役量隨之增加，如何有效合理地利用退役電池成為人們關(guān)注的熱點。退役動力電池的梯次利用是將動力電池性能盡可能最大化發(fā)掘和應(yīng)用的有效途徑，能夠減少對電池價值、能源資源的浪費和可能造成的污染，應(yīng)用于不同場景可使得電池應(yīng)用效益最大化，同時降低生產(chǎn)利用成本，促進上游電池生產(chǎn)制造與下游電池銷售、回收利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有助于循環(huán)經(jīng)濟的推進，符合我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展需求，具有很高的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。目前，國內(nèi)外陸續(xù)開展了退役動力電池梯次利用的相關(guān)研究和應(yīng)用。

針對退役動力電池梯次利用在儲能方面的應(yīng)用，本文從退役動力電池儲能應(yīng)用的應(yīng)用性和經(jīng)濟性兩方面進行闡述，并根據(jù)分析進行總結(jié)和展望。

1 退役動力電池現(xiàn)狀概述

2012年以來，我國新能源汽車市場規(guī)模日漸龐大，退役電池數(shù)量逐年增加，具體如圖1所示。中國汽車技術(shù)研究中心在考慮汽車報廢年限、動力電池壽命等因素的前提下經(jīng)綜合研究得出，預(yù)計2020年我國累計動力電池退役量超過20萬t，市場規(guī)模達到175億元，其中梯級利用市場規(guī)模約105億元，再生利用70億元；到2025年，報廢量超35萬t，市場規(guī)模達到379億元，其中梯級利用的市場規(guī)模約282億元，再生利用約97億元；到2030年，市場規(guī)模將超過千億元[1]。可見，退役動力電池回收利用市場將迎來爆發(fā)式增長。

面對數(shù)量巨大的電池，國家發(fā)改委、工信部等部門陸續(xù)發(fā)布了關(guān)于退役動力電池回收利用的指導(dǎo)性政策。其中，《電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策》指明動力汽車退役電池的回收處理應(yīng)先進行梯級利用、后進行資源再生，以促進資源利用率的提高[2]。《報廢機動車回收管理辦法實施細則》進一步規(guī)范動力電池的回收利用，要求企業(yè)對報廢新能源汽車的廢舊動力蓄電池或其他類型儲能裝置進行回收利用，加強全過程安全管理[3]?！缎履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》指明新能源汽車動力電池利用體系應(yīng)遵循高效循環(huán)的原則以實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，同時落實新能源汽車生產(chǎn)制造責任延伸制度，建設(shè)車用動力電池溯源管理平臺，保障電池的全生命周期可追溯，提高動力電池生產(chǎn)制造的安全性[3-4]。國家標準委也發(fā)布了多項涉及汽車動力電池的國家標準，主要有《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》《車用動力電池回收利用拆解規(guī)范》《廢蓄電池回收管理規(guī)范》《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》《廢電池處理中廢液的處理處置方法》《鋰離子電池材料廢棄物回收利用的處理辦法》《車用動力電池回收利用余能檢測》等，對電動汽車動力電池的規(guī)格尺寸、設(shè)計生產(chǎn)、編碼規(guī)則、回收主體等做出具體規(guī)定，為退役電池的梯次利用及再生利用提供明確的標準依據(jù)，有助于解決動力電池不一性造成的難以匹配應(yīng)用場景的難題[5]，保證動力電池全生命周期的可追溯性，提高廢舊動力電池回收利用中的安全性和科學(xué)性[6]。這些政策和標準的頒布為現(xiàn)有退役動力電池的回收利用做出了明確規(guī)范，為其未來健康快速的發(fā)展指明了方向。

圖1 我國動力電池需求量和退役量

為了適應(yīng)動力電池退役浪潮和響應(yīng)國家政策號召，許多企業(yè)將目光聚焦在退役電池的回收利用領(lǐng)域。目前，全國已有17個省市被列為動力電池回收試點地區(qū)，開展針對退役動力電池回收利用的典型示范項目，應(yīng)用案例主要集中在電網(wǎng)儲能、通信基站、低速電動車及家庭照明等其他小型儲能領(lǐng)域[5]，電池類型以磷酸鐵鋰電池為主，這些試點工程取得了顯著成果，表明了退役電池回收利用的可行性和巨大潛力，動力電池回收產(chǎn)業(yè)成為行業(yè)新焦點。

2 退役動力電池的應(yīng)用分析

動力電池作為電動汽車的能量來源，是新能源電動汽車的核心零部件之一。然而動力電池使用壽命有限，當電動汽車的動力電池容量衰減到不足額定容量的80%時，就無法滿足電動汽車的使用要求，這些動力電池面臨報廢回收，但仍具有較大的殘余容量，若直接用于資源回收將造成對電池價值和資源的極大浪費，還會污染環(huán)境。所以可以將這部分退役電池經(jīng)充放電循環(huán)進行余能檢測，根據(jù)殘余容量選擇合適的應(yīng)用場景。其中，經(jīng)余能檢測后容量較高的退役電池可用于電池更換和儲能應(yīng)用，容量較低的電池可用于照明、不間斷電源（uninterruptible power supply, UPS）備用電池、移動充電樁、低速電動車、家庭儲能電源、基站電源風光路燈儲能等較為溫和的低倍率放電應(yīng)用場景[6]。理論上，梯次利用儲能電池均可應(yīng)用于上述場景中。國內(nèi)退役動力電池梯次利用總體還處于實驗探究階段[7]，未來將會迎來工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化的高收益突破。表1為近年來我國退役動力電池梯次利用的一些成功案例，可見退役動力電池梯次利用場景廣泛，在電網(wǎng)儲能、通信基站、削峰填谷和削弱棄光率等方面意義重大，可以實現(xiàn)優(yōu)化資源配置、解決用電矛盾、確保供電可靠、穩(wěn)定電力系統(tǒng)、提高電網(wǎng)安全性的目的[8-9]。

退役動力電池梯次應(yīng)用于儲能系統(tǒng)，能夠較強地適應(yīng)環(huán)境，建設(shè)周期短，可分散進行小型配置?？紤]到退役動力電池的類型尺寸、性能優(yōu)劣、殘余容量、安全性等因素的不同，在儲能電站的建設(shè)和應(yīng)用中，梯次儲能電站應(yīng)該與常規(guī)儲能電站有所區(qū)別。儲能系統(tǒng)根據(jù)儲能設(shè)備安裝地點和發(fā)揮作用的不同，可分為發(fā)電側(cè)、供電側(cè)和用電側(cè)儲能裝置，對于提高電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和可用性、促進資產(chǎn)更高利用及促進能源的可再生發(fā)展有重要意義，能夠在不同應(yīng)用場景中滿足供用電需求[10]，如圖2所示。

表1 我國退役動力電池梯次利用的成功案例

圖2 退役動力電池梯次利用于儲能系統(tǒng)中的各類應(yīng)用場景

發(fā)電側(cè)的梯次儲能系統(tǒng)位于電源側(cè)，可應(yīng)用于集中式可再生能源并網(wǎng)和火電、儲能聯(lián)合參與輔助服務(wù)市場調(diào)頻等應(yīng)用場景。集中式可再生能源并網(wǎng)擴大了可再生能源裝機規(guī)模[11]，促進了可再生能源利用水平的提高，加大力度推進可再生能源消納，促進可再生能源持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展；采用火電+儲能聯(lián)合參與輔助服務(wù)市場調(diào)頻是采用儲能系統(tǒng)和火電機組聯(lián)合運行構(gòu)成新的電力調(diào)頻電源[12]，可以有效解決我國傳統(tǒng)火電機組頻率調(diào)節(jié)緩慢、調(diào)節(jié)誤差較大、存在折返延遲、系統(tǒng)能量有限、電網(wǎng)調(diào)頻困難的難題[13]，保持發(fā)電機組平穩(wěn)運行，提高火電機組運行效率和電網(wǎng)調(diào)頻性能，增加機組運行的穩(wěn)定性和安全性，減少動態(tài)運行中對機組的磨損，降低更換設(shè)備的可能和檢修運維的成本，減少或延緩發(fā)電側(cè)對新建發(fā)電機組的需求[13-14]，具有較好的經(jīng)濟性，有助于相關(guān)電力企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展。

供電側(cè)梯次儲能系統(tǒng)位于電網(wǎng)側(cè)，可應(yīng)用于有償調(diào)峰、獨立調(diào)頻及其他方面，如黑起動、調(diào)壓等。有償調(diào)峰是發(fā)電部門相應(yīng)改變發(fā)電機的出力適應(yīng)用電負荷的變化，維持了有功功率平衡，保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定；獨立調(diào)頻是根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化增減發(fā)電機的發(fā)電出力，保持系統(tǒng)頻率在較小的范圍內(nèi)波動，具有完成調(diào)頻、系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)線交換功率控制和經(jīng)濟調(diào)度等綜合功能。

用電側(cè)梯次儲能系統(tǒng)位于用戶側(cè)，可應(yīng)用于削峰填谷、需量調(diào)節(jié)、改善電能質(zhì)量和用作供電系統(tǒng)備用電源等場景[15]。削峰填谷是將高峰負荷的用戶需求轉(zhuǎn)移到低谷負荷時段，使電網(wǎng)需要的發(fā)電設(shè)備調(diào)峰容量小，提高發(fā)電設(shè)備的利用率和電網(wǎng)的安全性及經(jīng)濟效益。需量調(diào)節(jié)控制負荷的需要，使得最大需要功率不超過合同用電功率，調(diào)整合同用電功率，提高負荷率，正確地使用負荷設(shè)備，定量地掌握負荷設(shè)備的種類、容量及運行情況，如連續(xù)運行、間歇運行、暫時停機或關(guān)機等[16]。用戶側(cè)儲能裝置可以改善電能質(zhì)量，保證用電設(shè)備正常工作和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定，還可以作為供電系統(tǒng)備用容量，在設(shè)備檢修、事故、調(diào)頻等情況下仍能保證內(nèi)電力市場需求。

退役動力電池的儲能系統(tǒng)梯次利用理論上均可應(yīng)用于上述場景中，但考慮到各類型電池荷電容量、放電穩(wěn)定、一致性、循環(huán)壽命、使用周期等因素影響，各應(yīng)用場景中不同類型電池的選擇視電池性能而定。磷酸鐵鋰電池能量密度大，熱穩(wěn)定性強，價格便宜，具有較好的安全性，用作梯次儲能電池時充放電倍率大、循環(huán)壽命長[17]，磷酸鐵鋰新電池、磷酸鐵鋰梯次電池可作為發(fā)電側(cè)集中式可再生能源并網(wǎng)，實現(xiàn)可再生能源移峰和穩(wěn)定輸出，促進可再生能源發(fā)展，還可實現(xiàn)供電側(cè)的根據(jù)負荷變動進行電能的實時調(diào)度、電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、緩解輸電系統(tǒng)阻塞和輸配電系統(tǒng)擴容等，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，以及用電側(cè)的削峰填谷、根據(jù)控制負荷需要進行需量調(diào)節(jié)、改善電能質(zhì)量及作為供電系統(tǒng)備用容量，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，在作為通信基站備用電源、峰谷套利、平抑可再生能源出力波動、緩解電網(wǎng)擴建等梯次儲能系統(tǒng)場景適用性強[18]；三元鋰電池含有鎳、鈷、錳/鋁三種元素，比能量、比功率更大，在大倍率充電和耐低溫性能等方面優(yōu)勢更大[17]，三元鋰電池、三元鋰梯次電池在各主要梯次儲能應(yīng)用場景中的適用性均不高[19]；鈦酸鋰新電池、鈦酸鋰梯次電池更適用于調(diào)頻、黑起動等場景[17]；鉛酸電池技術(shù)成熟，具有優(yōu)越的低溫工作特性和大電流放電特性，抗振動和抗沖擊性能好、成本較低[17]，用作梯次儲能電池時充放電倍率低，具有較好的可靠性和安全性。但在儲能電站應(yīng)用場景下，鉛酸電池因服役年限短，更換電池的運維工作量和成本較大[19]，所以鉛酸電池、鉛酸梯次電池不適用于發(fā)電側(cè)火電+儲能聯(lián)合調(diào)頻和供電側(cè)儲能基站等對于退役動力電池各項性能指標要求較為嚴苛的應(yīng)用場景，多應(yīng)用于用電側(cè)削峰填谷，節(jié)約電能資源，平滑用戶負荷，同時獲取峰谷差價收益，降低儲能應(yīng)用成本[20]。

退役動力電池的廣泛應(yīng)用和回收處理具有深遠的社會效益和環(huán)境效益。發(fā)展電動汽車減少了對化石能源等不可再生能源的損耗和汽車尾氣的排放，大大改善了居民綠色出行和消費觀念。退役動力電池含石墨、碳材、銅箔等原材料、大量重金屬和有機物、電解質(zhì)及其轉(zhuǎn)化物產(chǎn)生的有毒氣體，如未妥善處置和進行價值最大化利用，將嚴重威脅公共環(huán)境和人類健康，造成難以逆轉(zhuǎn)的環(huán)境污染和有價金屬資源的巨大浪費，給社會生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力[21]。推進動力汽車退役電池的回收利用，是我國保護環(huán)境和社會安全的重要舉措，可以有效緩解我國與日俱增的能源壓力和環(huán)境污染問題，有利于推動資源再生循環(huán)利用進程，促進我國經(jīng)濟社會的健康持續(xù)發(fā)展，對于加快綠色發(fā)展、建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義。退役動力電池的市場化和商業(yè)化發(fā)展，形成了其特有的新型商業(yè)模式，可以提高退役電池梯次利用的積極性和創(chuàng)新性，實現(xiàn)汽車企業(yè)、電池生產(chǎn)廠商、用戶、電網(wǎng)的多方共贏，有效促進電池和設(shè)備控制等第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，優(yōu)化發(fā)輸供配用電工程，減少電網(wǎng)建設(shè)對于土地、原材料等資源的利用和消耗，緩解棄風、水、光、限電等問題，提高發(fā)電利用率，對于擴大居民就業(yè)面和配套產(chǎn)業(yè)鏈的形成構(gòu)建有著重大意義。所以做好動力電池回收及梯次利用工作，也是一項重大的生態(tài)建設(shè)任務(wù)和社會建設(shè)任務(wù)。

3 退役動力電池經(jīng)濟性分析

退役動力電池回收處理的途徑主要是梯次利用和資源再生利用。車載動力電池容量低于額定容量80%的退役電池將不再適合用于電動汽車，這部分可以通過梯次利用實現(xiàn)能源的二次利用；電池容量低于額定容量25%左右的電池基本不具備商業(yè)用途，這部分殘余容量較低的退役電池可以通過直接回收利用將其拆解實現(xiàn)資源和能源的二次整合[22]。

對退役動力電池進行梯次利用可以變廢為寶，使退役電池作為電能的載體在其他應(yīng)用領(lǐng)域充分發(fā)揮剩余價值，使電池價值利用最大化，還可以減少直接進行資源回收的退役電池數(shù)量，減少拆解電池過程中電池內(nèi)部有害物質(zhì)對環(huán)境的污染，降低動力汽車電池成本，提高市場競爭力，促進新能源汽車市場蓬勃發(fā)展[5]。

3.1 退役動力電池梯次利用成本分析

電池的梯次利用是將容量較低的電池重新改造以再次應(yīng)用于儲能領(lǐng)域的技術(shù)，即通過破碎、拆解、冶煉等改造手段實現(xiàn)對目標電池的再次利用[1]。動力電池的梯次利用一般分為拆解、余能檢測、篩選和重組四個環(huán)節(jié)[5, 18]。

經(jīng)濟高效的退役動力電池梯次利用工藝流程是實現(xiàn)退役電池回收利用標準化、規(guī)范化量產(chǎn)的基 礎(chǔ)[22]。若要實現(xiàn)退役動力電池大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，回收拆解的工藝流程和保證其一致性和安全性的狀態(tài)評估過程必不可少，所以從其經(jīng)濟性分析回收工藝的成本，包含工藝流程成本和狀態(tài)評估成本。

退役動力電池梯次利用的工藝流程成本主要包含收集、儲運、分類、拆解、重組成本，狀態(tài)評估成本主要有余能檢測成本、狀態(tài)測試、狀態(tài)診斷和狀態(tài)評價成本。

1）收集、儲運和分類成本

面對來自全國各地、數(shù)量巨大的退役電池，集中處理加工能有效降低成本、提高效率。整車企業(yè)、電池企業(yè)和行業(yè)聯(lián)盟可以通過汽車4S店、汽車售后服務(wù)網(wǎng)點、汽車修理店、電池原材料企業(yè)、第三方回收企業(yè)等對拆卸下來的退役電池進行統(tǒng)一收集、運輸，并集中儲存在后續(xù)的回收加工點[23]。這個過程產(chǎn)生了從不同渠道收取退役電池時所支付的收集成本，交通運輸、裝載、貯藏的儲運成本。不同公司、不同車型的退役電池型號、批次、電池模組規(guī)格、電池廠產(chǎn)能等均存在差異，分類是對已收集到的退役電池根據(jù)電池類型和狀態(tài)進行大致的劃分，有利于量產(chǎn)且高效，同時對退役電池進行初步分揀，將部分出現(xiàn)鼓包或其他故障損壞的退役電池作報廢處理，并將其轉(zhuǎn)送到可進行電池資源再生利用的企業(yè)，提高動力電池生產(chǎn)效率[5, 24]。

2）余能檢測成本

對已收集的退役動力電池進行余能檢測，經(jīng)充放電循環(huán)測試，得到電池殘余容量，為接下來的拆解、篩選和重組過程選擇其梯次利用應(yīng)用場景。將電池容量較高的歸入梯次利用一類，用于電池更換和儲能應(yīng)用；將電池容量較低的歸入梯次利用二類，用于移動充電樁、低功率電動車、自動導(dǎo)引車輛（automatic guided vehicle, AGV）電源、家庭儲能電源、照明、UPS備用電池、基站電源風光路燈儲能等較為溫和的低倍率放電應(yīng)用場景[25]，具體如圖3所示。

圖3 退役動力電池余能檢測后適用的應(yīng)用場景

3）狀態(tài)測試、診斷和評價成本

拆解后的動力電池在重新分選成組之前需對其健康狀態(tài)進行評估，該環(huán)節(jié)至關(guān)重要。對動力電池的使用壽命和安全性等進行測試評價，可以避免退役電池不能充分發(fā)揮其剩余價值就直接進行資源回收造成的資源浪費和有可能導(dǎo)致的安全事故。電池梯次利用將退役的動力電池進行回收、拆解、分型號分批次的歸總，依據(jù)相關(guān)的標準對退役電池的安全性、使用壽命等指標進行測試評價，并根據(jù)測試結(jié)果出具電池評價報告以決定電池是進行梯次利用還是進行資源再生處理[7, 26]。若退役電池具有完整的運行過程數(shù)據(jù)，屬于白箱電池，可提高電池性能狀態(tài)評估工作的準確度和精確度，提升電池梯次利用時的經(jīng)濟性；若退役電池沒有完整的運行過程數(shù)據(jù)，屬于黑箱電池，需要根據(jù)電池出廠時的相關(guān)數(shù)據(jù)，測試動力電池退役時的各項參數(shù)，這個過程中測試時間增加，測試成本提高，同時電池性能不一還使得電池梯次儲能利用的安全性有待估量[2]。電池經(jīng)狀態(tài)檢測評估后，對資源回收的電池進行拆解和冶煉，對梯次利用的電池進一步評估，根據(jù)電池健康狀態(tài)評估結(jié)果決定適用的梯次應(yīng)用場景[7, 25]。

4）拆解、篩選和重組成本

拆解過程是先對電池徹底放電，再進行拆解，分離出正極、負極、電解液和隔膜等電池原有的各組成部分，再對電極材料進行堿浸出、酸浸出，然后進行除雜和萃取，實現(xiàn)有價金屬的富集。篩選和重組成本依據(jù)狀態(tài)診斷和評估結(jié)果，對符合各場景要求的退役電池各組成部分進行一致性分選和重 組[6, 27]。重組是根據(jù)具體使用情況和使用壽命等將拆解出來的電池各組成部分重新結(jié)合組成新的電池投入使用。

3.2 退役動力電池資源再生成本分析

資源再生利用是對報廢的退役動力電池進行破碎、拆解和冶煉的過程，實現(xiàn)鎳、鈷、錳、鋰、石墨、碳材、銅箔等資源的回收利用[28]。退役動力電池資源再生利用中的工藝成本主要包含收集、儲運、分類、拆解、重組、電池再回收成本、運行保障和環(huán)境維護成本。

收集、儲運、分類、拆解、重組與梯次利用的成本分析相同。電池再回收成本是指對動力電池中有用的材料進行提取和回收[29]。動力電池中的鎳、鈷、錳、鋰等元素和石墨、碳棒、銅箔都可以回收利用，如果不經(jīng)再回收處理，這些金屬和部分無機、有機化合物將對大氣、水、土壤等造成嚴重的污染，具有極大的危害性[21]。電池再回收過程將電池中可以再生利用的材料進行提取和收集，投入其他工業(yè)生產(chǎn)中，實現(xiàn)對資源的二次利用，降低部分電池生產(chǎn)制造成本，這一流程產(chǎn)生了再回收成本。

退役電池資源再生回收利用的整個工藝流程中會產(chǎn)生運行保障和環(huán)境維護成本[30]。運行維護是保障設(shè)備儀器和工作環(huán)境正常穩(wěn)定運作的根本，其中產(chǎn)生的電力費用、設(shè)備儀器的運行維護費用、故障檢修費用、人工檢修費用等均納入運行保障成本。退役動力電池制作原材料中包含的重金屬元素、有機物、電解質(zhì)及其轉(zhuǎn)化物產(chǎn)生的有毒氣體等的處理要經(jīng)過嚴格的檢測，否則這些有害物質(zhì)進入環(huán)境后，會嚴重污染環(huán)境[7, 21]。所以工業(yè)廢料在最后排放前，檢測排放物中的重金屬元素及其他有害物質(zhì)的含量和濃度是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺失的一環(huán)。

隨著動力電池技術(shù)的不斷發(fā)展成熟和國家政策、補貼的落實，動力電池的價格成本大幅降低。以電池巨頭寧德時代公布的數(shù)據(jù)為例，2015年國內(nèi)新能源汽車的電池成本在2 400元/(kW·h)左右，2017年降到了1 800元/(kW·h)左右，2018年進一步下降至1 100元/(kW·h)上下[31]。作為新能源汽車的動力源，動力電池成本是新能源汽車成本的重要構(gòu)成部分，占整車成本的40%左右，如此大的占比嚴重制約了新能源汽車的價格標準[32]。所以動力電池成本的降低可以降低汽車整車成本，使其具有更強的市場競爭力，對于新能源汽車的應(yīng)用和推廣大有益處。圖4為近些年全球動力電池需求量、退役量和價格趨勢，反映了隨著電動汽車市場規(guī)模逐步擴大，全球動力電池需求量和退役量呈指數(shù)型逐年增加，退役量的產(chǎn)生與增長時間落后于需求量，但二者在數(shù)量上的總體趨勢相同，說明未來全球動力電池需求量和退役量巨大，具有廣闊的市場環(huán)境；而動力電池的價格隨著電池制造、應(yīng)用和回收利用工藝的成熟和成本的降低而逐年降低，表明動力電池具有更好的經(jīng)濟性。

圖4 全球動力電池需求量、退役量和價格趨勢

退役動力電池的回收利用成本作為動力電池成本中重要的一部分，決定了新能源汽車價格的未來走向，以及其經(jīng)濟潛力和市場應(yīng)用前景[32]。降低電池回收利用成本是動力電池能夠再次應(yīng)用所需要解決的重要問題。由于當前動力電池的成本在整車成本中的占比較大，購車客戶對于電池價格的變化更加敏感?？梢酝ㄟ^縮減回收電池成本，使新能源汽車在價格方面更有可能與傳統(tǒng)燃油車競爭[33]。因此降低動力電池回收利用成本的需求非常迫切。

對比退役動力電池梯次利用和資源回收兩種處理途徑，梯次利用是動力電池能夠發(fā)揮最大性能的有效途徑，在不同的應(yīng)用場景下能夠?qū)崿F(xiàn)電池價值最大化，甚至還可以創(chuàng)造一定經(jīng)濟收益[34]。退役電池應(yīng)用于電網(wǎng)儲能，在傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域中火電+儲能聯(lián)合參與輔助服務(wù)市場調(diào)頻可以實現(xiàn)輔助動態(tài)運行和延緩或減少新建機組的作用，在可再生能源領(lǐng)域中可以實現(xiàn)削峰填谷、跟蹤計劃出力，在輔助服務(wù)領(lǐng)域中可以起到電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰及作為供電系統(tǒng)備用容量的作用，在分布式能源與微網(wǎng)領(lǐng)域中對實現(xiàn)分時電價管理、需量調(diào)節(jié)、容量費用管理、提高電能質(zhì)量和供電可靠性意義重大[35]，可減少電能生產(chǎn)連續(xù)性和用電需求間斷性之間的不平衡，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，其中還可以通過不同時段的電價差、調(diào)整用電計劃等方法在充分利用電能的同時獲得經(jīng)濟收益。退役電池應(yīng)用于城市家庭生活，如城市移動充電樁、低速電動車、家庭儲能領(lǐng)域、照明路燈等，可以提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率，用作充電設(shè)備為電動車供電獲取額外電費收益，用作低速車可以作為交通工具服務(wù)城市、減少交通成本等[36]。這些梯次利用場景為更好地實現(xiàn)和挖掘動力電池價值、賺取額外的經(jīng)濟收益提供了可能，也是降低電池回收利用成本的有效途徑[21]。將動力電池直接進行資源回收處理不僅是對電池價值的極大浪費，容易產(chǎn)生更多的污染，而且整個回收處理過程成本高，經(jīng)濟效益低。經(jīng)比較分析，將退役動力電池進行梯次利用較直接資源回收具有更好的經(jīng)濟效益。

針對退役電池資源回收成本的相關(guān)問題，可以依據(jù)收集儲運、狀態(tài)測試、材料采購、人員配置、設(shè)備運維、電力費用、環(huán)保處理、其他成本等電池回收處理的成本金額數(shù)據(jù)占比，分析研究其構(gòu)成和占比并尋求降低成本的方法，圖5為退役動力電池資源回收成本估計扇形圖。

圖5 退役動力電池資源回收成本估計扇形圖

由圖5可以觀察到，退役動力電池成本主要集中在收集、置購和儲運，人員管理、狀態(tài)評估、原材料采購等方面次之。所以，可以通過對上游原材料的整合、技術(shù)進步替代傳統(tǒng)原材料減少原材料購置成本、規(guī)?；a(chǎn)降低人員管理、設(shè)備運維成 本[37]，企業(yè)還可以通過在各地建立電池工廠減少收集和儲運成本等途徑降低成本，這樣既可以更好地與下游客戶綁定，又可以降低收集和儲運成本。

3.3 退役動力電池資源利用效益分析

近年來，我國車用動力電池在材料性能、充放電倍率、放電深度、能量密度、殘余容量、循環(huán)壽命、工藝制造、可靠性和安全性等方面不斷提高，退役電池在各應(yīng)用場景中的利用效益也有巨大突破。2015年發(fā)布的《財政部、科技部、工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委關(guān)于2016—2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財政支持政策的通知》，對質(zhì)量質(zhì)保方面明確要求，新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對消費者提供動力電池等儲能裝置、驅(qū)動電機、電機控制器質(zhì)量保證，其中乘用車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)提供不低于8年或12萬km的質(zhì)保期限[38]。對18650型磷酸鐵鋰動力電池在室溫下進行充放電測試，當動力電池的可用容量降低至不再適用于電動汽車標準時，循環(huán)壽命為1 200次[39]。根據(jù)我國對車用動力電池行駛距離在8年或12萬km內(nèi)電池容量仍可滿足汽車需求，即容量衰減不超過額定容量20%的要求，以新能源汽車平均行駛300km為動力電池單次充電可連續(xù)行駛的里程為基準來計算，新能源汽車行駛8年或12萬km的循環(huán)壽命為270～400次，退役時動力電池的剩余循環(huán)壽命遠遠超過國家對于新能源汽車動力電池循環(huán)壽命的要求，這說明退役動力電池梯次利用具備較高的利用效益。

4 結(jié)論

隨著國家政策的推動和引導(dǎo)，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，動力電池報廢規(guī)模也逐漸擴大，將其進行梯次利用可有效合理地解決大規(guī)模退役電池的去處。動力電池退役后仍可在電網(wǎng)儲能、通信基站、低速電動車等工況較好、電池性能要求較低的應(yīng)用場景中發(fā)揮余熱。退役電池根據(jù)其特性可以用于電源、電網(wǎng)、用戶等發(fā)輸供配用的電網(wǎng)儲能場景，以實現(xiàn)集中式可再生能源并網(wǎng)、調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)、減少棄風棄光、減小阻塞和延緩電網(wǎng)擴容等功能，或者用于照明、家用應(yīng)急備用電源等家庭儲能場景及城市移動充電樁、低速電動車等城市交通場景，為電力系統(tǒng)提供巨大的儲能潛力，促進梯次儲能技術(shù)的應(yīng)用推廣，同時變廢為寶，繼續(xù)發(fā)揮退役電池剩余價值。退役電池的成本隨著制造、回收利用工藝的成熟和市場規(guī)模的擴大而降低，相較于退役動力電池直接用于資源回收，梯次利用可以更好地發(fā)掘和利用電池自身價值和資源，且在各梯次應(yīng)用場景中都具有良好的應(yīng)用經(jīng)濟性，相關(guān)技術(shù)和算法也日趨完善，所以退役動力電池的應(yīng)用具有很大的潛力和發(fā)展前景。

目前我國電動汽車梯次儲能利用的發(fā)展受到工業(yè)流程、逆向物流、成本較高等多方因素的制約，但發(fā)展空間很大。相關(guān)主管部門應(yīng)在重視動力電池研發(fā)投入的基礎(chǔ)上，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和標準制定、與可再生能源發(fā)電的銜接、基礎(chǔ)設(shè)施、商業(yè)運營模式和市場培育等環(huán)節(jié)上加大扶持力度。同時，還應(yīng)注重對退役電池各方面因素的考量，做到精確度、測試效率和成本、安全性兼顧，促使退役動力電池的回收利用真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

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Application potential analysis of decommissioned power batteries

LIU Ruotong1LI Jianlin1Lü Zhe2MA Suliang1

(1. Energy Storage Technology Engineering Research Center, North China University of Technology, Beijing 100144; 2. Beijing Hyperstrong Co., Ltd, Beijing 100080)

Under the guidance and promotion of national policies, China’s new energy vehicle industry has developed rapidly, and the treatment and application of retired power batteries have been put on the agenda. The echelon utilization of power batteries can not only alleviate the battery recovery pressure and environmental pollution problems caused by the decommissioning of a large number of power batteries, but also can be applied in various energy storage scenarios to maximize the utilization of battery value and resources, and effectively reduce the cost of electric vehicle and the cost of power system energy storage projects. Referring to related experimental research, this paper looks at the electric car market environment and retired power battery pilot application. Through analyzing different application scenarios and economic cost of the retired power batteries, the potential and development prospects of retired power batteries is illustrated and its advantage and application economy is showed. Studies have shown that as the number of retired power battery explodes, retired battery applied to grid energy storage, communication base stations is with huge potential, which can realize the optimization of resources allocation, ensure the power supply reliability and stability of power system and improve the grid security. Compared with direct recycling, the economic cost advantage of echelon utilization of retired batteries is more significant. At last, the application process of ladder energy storage is summarized and prospected, which provides ideas for the expansion of industrial scale of decommissioned battery recycling.

decommissioned power battery; energy storage; application scenarios; economic cost

北京市自然科學(xué)基金項目（21JC0026）

北京高等學(xué)校高水平人才交叉培養(yǎng)“實培計劃”（21XN217）

2021-01-28

2021-02-10

劉若桐（1999—），女，本科，主要研究方向為退役動力電池梯次利用技術(shù)。