第2章　电动汽车退役动力电池梯次利用技术

2.1　梯次利用定义及退役动力电池的目标市场

2.1.1　梯次利用定义及退役动力电池梯次利用的意义

2.1.1.1　梯次利用的定义及与翻新的区别

（1）梯次利用的定义　梯次利用是指某一个已经使用过的产品已经达到原生设计寿命，再通过其他方法使其功能全部或部分恢复继续使用的过程，该过程属于基本同级或降级应用的方式。“梯次利用”与“梯度利用、阶梯利用、降级使用”在概念上是基本一致的，但不能视为翻新使用。

梯次利用的核心是需要对原生产品进行一系列复杂的检测和分析，科学地判断其生命周期价值以及可再使用性，从而设计出符合该产品的梯次等级和应用领域。

（2）梯次利用与翻新的区别　翻新是指产品从原厂生产出来以后，经过使用，有了一定的磨损，性能各方面与原厂刚生产出来的时候有差距，经过特殊加工，使它的外表或者性能恢复到接近原厂刚生产出来的状态。翻新使用往往是采用非常简单的方式或便捷形式去修理或掩饰原生产品，从而再以新品的方式销售给终端市场，而在翻新过程中没有科学的检测分析和评估，更没有梯次的设计和应用领域的分析，从而使该产品的再次使用会带来各方面的潜在风险。因此，梯次利用与翻新使用存在本质上的区别。

2.1.1.2　退役动力电池梯次利用的意义及背景

（1）退役动力电池梯次利用的意义　梯次利用的最大社会意义是使产品得到最大限度的利用，其设计周期得到延长，为社会创造经济价值的同时，也为社会减少垃圾排放，是现代社会应大力推行的一种循环性、低碳型生产生活方式。梯次利用虽然有着遥远的发展背景，但却是一个新兴事物，因为要实现梯次利用，必须依靠科学技术的发展和进步来完成。

动力电池的性能随着使用次数的增加而衰减，当动力电池性能下降到原性能的80%时，将不能达到电动汽车的使用标准，但仍可用在对动力电池性能要求低的场合，即进入梯次利用阶段，如储能系统、低速电动交通工具等。当退役的动力电池性能进一步降低到不适合梯次利用后，再进入回收拆解再利用的阶段。目前在梯次利用技术方面，国内的科研院所和企业正在开展研究，包括淘汰产品生命周期诊断、可再循环性梯次设计、物理指标检测、综合性能测试等。

动力电池梯次利用一直被认为是新能源汽车动力电池退役后的主要去处，但是，也有人从安全性和经济性层面考虑，认为退役动力电池梯次利用就是一个“伪命题”。随着我国动力电池退役潮的临近，以及相关规范的连续公布，退役动力电池的梯次利用将在退役动力电池规划和政策方面取得更多支撑，即退役动力电池的梯次利用势在必行。

对于退役动力电池“拆解回收”和“梯次利用”是被业内广泛认可的两种具有互补性的方法，目前，我国已是全球最大的动力电池市场，如此大规模的动力电池集中退役，做好退役动力电池回收和梯次利用工作，无论从经济、资源安全，还是环保的角度，都有很大的必要性和现实意义。

退役动力电池梯次利用的意义在于从动力电池原材料→动力电池→动力电池系统→汽车应用→二次利用→资源回收→动力电池原材料的动力电池全生命周期使用角度考虑，可以降低动力电池成本，避免环境污染。

从环保角度来看，退役动力电池含大量重金属、有机物、电解质及其转化物产生的有毒气体，这些都会严重威胁环境和人类的健康，给社会生态环境造成巨大的压力。所以做好退役动力电池回收及梯次利用工作，也是一项重大的生态建设任务。

梯次利用不仅能从商业模式上进一步降低动力电池的成本，同时也降低储能动力电池的成本，还能推动更多的储能应用场景和市场。不同储能场景对动力电池要求不一样，所以退役动力电池梯次利用适用的场景和商业模式是下一个需要摸索的难题，国外梯次利用的创新尝试对刚刚起步的国内市场有很大借鉴意义。

退役动力电池梯次利用的发展趋势是不言而喻的，国家政策和标准相继配套出台，责任也很清晰。但是，梯次利用节奏动作缓慢，其问题是利益不够吸引、体系没有建立起来，产业链、价值链还没有形成。梯次利用将动力电池的使用价值最大化，可以延长动力电池的使用寿命，降低动力电池全寿命周期成本。退役动力电池的梯次利用和回收主要基于环境保护、资源节省、有利可图三个方面。

①环境保护。动力电池的正极材料里包含镍、钴、锰、锂等重金属元素，这些重金属元素会对环境、水等造成污染；负极材料里面的碳材、石墨等会造成粉尘污染；此外，动力电池的电解液中含有有毒的化学成分，也会造成环境污染。

②资源节省。动力电池中含有大量的金属元素，镍、石墨等资源我国比较多，但是像钴之类的金属元素是我国稀缺的；我国的锂元素绝对含量很多，但是开采难度比较大，一般都分布在西藏、青海、四川等条件比较艰苦的矿山；盐湖中的镁和锂含量比较高，但锂的提取难度也很大。

③有利可图。做退役动力电池的梯次利用及资源化回收还是能形成商业化的，因为最近几年汽车行业大量转入电动化，动力电池需求量增加，导致上游的贵金属材料价格非常高，金属钴价格为60万元/t，镍价格为10万元/t，碳酸锂价格为17万元/t，金属锂价格为90万元/t。

（2）退役动力电池梯次利用的背景　近年来，我国新能源汽车产业快速发展，截至2017年年底，新能源汽车累计产量超过180万辆，动力电池累计装配量超过85GW·h。2018年我国退役动力电池回收量为12GW·h，2020年退役动力电池回收量将接近25GW·h，而到2022年退役动力电池回收量将接近45GW·h。随着动力电池退役潮的临近，作为新能源汽车最后一千米的退役动力电池回收及梯次利用将会成为下一个“蓝海”。

大量退役的动力电池如处置不当，既给社会带来环境和安全隐患，也会造成资源浪费，同时制约新能源汽车产业健康、可持续发展。国务院高度重视新能源汽车退役动力电池回收利用，曾召开专题会议进行研究部署。推动新能源汽车退役动力电池回收利用，不仅有利于保护环境和社会安全，而且能有效提高资源循环利用水平，促进我国新能源汽车产业健康发展，对于加快绿色发展、建设生态文明和美丽中国具有重要意义。

从资源利用角度来看，直接将退役的动力电池作为原材料回收，其实是变相浪费。在国家多部委联合出台的《新能源汽车动力电池回收利用管理暂行办法》中，提出退役动力电池的利用应遵循先梯次利用，后再生利用的原则。即退役动力电池经过梯次利用后，再进行再生利用。如果说无害化处理和资源再生是必须做的，那么梯次利用是充分发挥了动力电池的价值，但只有保证经济性，这件事才是值得去做的。梯次利用不仅可以解决成本问题，还可为电动汽车动力电池退役谋出路。

梯次利用主要针对动力电池容量降低，致使动力电池无法使电动汽车正常运行，但是动力电池本身没有报废，仍可以在别的途径继续使用，例如用于电力储能、通信基站后备电源等用途。如果能做好退役动力电池的梯次利用，不仅可以降低动力电池的成本并延长使用寿命，还可以有效降低储能成本，并对可再生能源的发展起到帮助作用。

通常来讲，动力电池平均使用年限为5～8年，其性能随着充电次数的增加而衰减，动力电池剩余容量降低到初始容量的70%～80%时便无法满足电动汽车车载动力使用要求，这意味着其在电动汽车上的使用寿命终止。如果直接将动力电池淘汰，必将造成资源的严重浪费，同时也会导致环境污染。

从电动汽车上退役下来的动力电池，经过测试、筛选、重组等环节，完全可以继续满足分布式发电、微网、移动电源、后备电源、应急电源等中小型储能设备和大型商业储能及电网储能市场的使用，如果退役动力电池梯次利用技术提高、经济成本下降，在梯次利用领域，动力电池的全生命周期、使用价值将会得到充分利用。当退役的动力电池无法进行梯次利用时，则需要进行拆解回收，进行资源化处理。随着动力电池性能的提升以及成本大幅下降并趋稳，让现有及未来退役动力电池梯次利用的价值大大提高，国内企业也开始在退役动力电池回收和梯次利用领域展开布局。

通过对退役动力电池的梯次利用，可以缓解大批量退役动力电池进入回收阶段的压力，同时有效减少国家相应资源的消耗量，提高资源的使用效率。目前退役动力电池的梯次利用在国内外均处于开始研发试点阶段，但已经可以看出，这将是电动汽车退役动力电池的主要落脚点。

电动汽车退役动力电池梯次利用会在相当长的一段时间内成为一个热门问题，一方面是动力电池在整车的成本上居高不下；另一方面是环境担忧问题。如果，国家在政策方面多倾斜，鼓励并协助这个薄弱环节，同时企业为了降低成本，积极地去探索延长动力电池服役时间。到那时候，动力电池成本需要看企业梯次利用程度和深度，这种多赢的局面、新能源良性发展的局面也就形成了。

动力电池的质量是梯次利用的前提，要求动力电池成组后的外形、安装、动力接口、信号接口以及各种协议、电压等级等都必须统一起来。2014年以前生产的动力电池很难实现梯次利用，是因为2014年以前生产动力电池的工艺水平还不够高，动力电池的一致性差，品质不高，未能大规模批量化生产，生产规范和自动化生产水平都还未得到发展，因而产品品质也较难保障，一些动力电池虽然参数合格，但实装使用后容量衰减得非常快。在容量衰减到80%退役以后，继续使用会出现“跳水”，即容量急剧下降，缺乏安全性和稳定性，难以再次利用。

在2015年以后投运的动力电池则有所改善，由于具备了更为严谨的设计体系以及大规模自动化的生产工艺，生产的动力电池品质有了较大的提升，保守预计能够进入梯次利用的动力电池容量比例可达60%～70%。动力电池容量的衰减能够保持线性，因此梯次利用在技术上才具备了可行性。所以，对动力电池梯次利用解决方案供应商来说，对退役动力电池进行筛选是第一步。

目前，退役的动力电池大概只有一半可以利用，随着动力电池质量的提升，未来可利用比例将可能提高到60%～70%，乐观的话可以到80%。从退役动力电池梯次利用行业对于梯次利用技术的实践来看，目前国内动力电池型号众多，不同企业所生产的动力电池在材料、结构和组装工艺上都千差万别。这使得拆解难以通过流水线完成，不得不借助于人工。这既提高了梯次利用的技术难度，也提高了再次利用的成本。退役动力电池梯次利用行业希望通过标准化的提高使得梯次利用更具可行性。总体来讲，需要关注以下三个方面的问题。

①技术性可行性方面。包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性，涉及老化、失效机理、后续寿命、安全性、可靠性检测、分级筛选技术、工况测试、重组与管理技术等方面，但相关标准目前仍缺失。

②经济可行性方面。退役动力电池梯次利用的成本包括退役动力电池成本、运输成本、检测成本、重组成本，由于新动力电池成本的快速降低，退役动力电池的再利用生存空间，可能会随着新动力电池成本的下降而逐渐被挤压。当新动力电池与退役动力电池的差价接近检测、再加工、设备更换、旧动力电池维护维修等二次利用动力电池的综合成本以后，就可能出现退役动力电池没有再利用价值的情况。

如果可以利用退役动力电池的历史数据，则可省去部分检测成本。退役动力电池电芯二次处理以及统一规格、模组设计、动力电池组运营模式等，对退役动力电池电芯级别的二次利用都有影响，还需要观察相关技术发展情况，加工成本的降低趋势。

③退役动力电池回收市场方面。退役动力电池所有权复杂，退役动力电池残值、风险责任、应用市场等方面还需要政府支撑与扶持，产业界的积极响应。

总体来说，随着动力电池技术进步和性能的提高，相关标准的逐步完善，都利于退役动力电池梯次利用，而退役动力电池梯次利用的经济性随着储能市场的发展及退役动力电池梯次利用规模化的应用也逐渐显现。