鉅大LARGE | 點擊量：601次 | 2022年06月11日
電動汽車和固定儲能用鋰電池的循環經濟（二）：驅動因素、障礙和促成因素
1．簡介
研究表明，全球鋰電池市場規模持續上升，以應對電動汽車(EV)和儲能市場需求的上升。根據調研機構WoodMacKenzie公司的調查，從2013年到2020年，美國累計部署的儲能系統的總裝機容量約為1,600MW，其中鋰電池儲能系統占市場總份額的99%。而從2011年到2020年，美國電動汽車累計銷量達到約140萬輛，其中鋰電池占據了大部分市場份額。
專注于電網彈性和零排放能源生產和運輸的美國各州和聯邦政策將繼續推動對電動汽車和電池儲能系統的鋰電池的需求。美國儲能市場部署的電池儲能系統將從2013年的523MW上升到2025年的7.3GW。美國電動汽車市場預計也將繼續快速上升，預計到2025年，美國的電動汽車年銷量將達到110萬輛，到2030年將達到每年400萬輛，而到2030年美國將擁有1600萬輛電動汽車，到2035年將達到4600萬輛。預計到2035年，鋰電池將繼續主導用于電動汽車和電池儲能系統的全球市場份額，因此鋰電池儲能系統成為這份調查報告的重點。
圖1鋰電池的循環經濟
2.鋰電池循環經濟的驅動因素、障礙和促成因素
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如今，美國的電池儲能系統供應鏈被描述為一種線性經濟模型。很少有電動汽車和儲能系統制造商（例如福特、通用汽車和TSLA）投資于延長電池產品耐用性的設計，或鋰電池的再利用/回收設計。目前只有一家美國制造商實行了回收計劃以回收鋰電池材料。而在調查中，沒有發現任何證據表明美國電池儲能系統制造商正在投資于鋰電池的再利用/回收設計，以及對廢舊電動汽車電池再制造和再利用（例如電動汽車充電站和儲能系統）的研發試點項目的商業規模投資。此外，只有少數第三方公司回收鋰電池，只有少數翻新和/或轉售鋰電池用于二次使用的美國第三方公司。大多數供應鋰電池回收服務的公司并不在美國本土處理電池。和其相反，將循環原則納入電池儲能系統供應鏈的努力重要是由美國政府資助的政府舉措和試點項目推動的，這些舉措和試點項目側重于電池回收和二次使用電動汽車電池。
在本節中，將討論美國鋰電池循環經濟的驅動因素、障礙和潛在促成因素。除了進行基于各種文獻的研究之外，美國國家能源部可再生能源實驗室(NREL)還和電池儲能行業專家進行了交流和互動，以確定可能推動或阻礙美國重新使用/回收大型鋰電池的因素。這些利益相關者之前互動還為潛在的解決方法供應了信息，這些解決方法可能會在美國實現大規模鋰電池的重用/回收。
2.1驅動因素
某些機會和好處可能會推動美國鋰電池的循環經濟發展。在本節中，將討論可能推動材料管理決策和行為的經濟、環境和安全機會和收益，從而促進將循環原則整合到電池儲能系統的價值和供應鏈中。表1總結了這些驅動因素。
表1.鋰電池循環經濟的驅動因素
2.1.1經濟驅動因素
新的和擴大的市場機會、創造就業機會，以及供應鏈穩定性和資源安全可能會推動美國聯邦、各州和地方政府對鋰電池循環經濟的投資。成本節約、利潤新增和競爭力增強可能會推動在產品、服務和工藝創新以及鋰電池的再利用/回收方面的私人投資。本節討論其中一些經濟驅動因素。
2.1.1.1再利用
鋰電池的再利用可能會為行業利益相關者創造經濟效益，并在美國創造新的和擴大的市場機會和就業機會。行業專家觀察到，退役的電動汽車鋰電池的容量通常保持其原始容量的80%，可用于要較少充放電循環的二次電動汽車和電池儲能系統的應用。而在研發和試點項目階段，來自電動汽車的鋰電池可以用于商業和工業規模固定電池儲能系統以及住宅、微電網和備用電源應用中。例如，豐田和通用汽車正在探索將電動汽車電池用于固定電池儲能系統中。此外，來自電動汽車的鋰電池也可以翻新，并重新用于其他要較少電池循環的汽車和電池應用（例如無人機和叉車）
從鋰電池中獲得額外的服務和收入會新增電池儲能系統系統的總生命周期價值，并且其成本可以由重要和次要用戶分擔。鋰電池儲能制造商和系統所有者可以通過銷售或捐贈二次使用的電池單體或電池模塊獲得經濟利益。雖然目前重要是理論上的，但儲能系統所有者可以出售用過的鋰電池以出現收入或捐贈鋰電池用于慈善用途并獲得稅收抵免。電池儲能制造商也發現，出售或捐贈使用過的鋰電池以符合自愿性行業標準或提升其公司責任形象是有利的。從事環境可持續商業實踐（例如再利用）的公司可能會反過來提高消費者對二次使用電池產品的信心及其在市場中的整體競爭力。
在二次應用中出售用于修復和再利用的二次鋰電池也可能為美國新的和擴大的電池儲能市場和創造就業機會供應機會。例如，用于固定用途的低成本二次鋰電池的銷售可以進一步新增固定電池儲能系統的部署，并可能有助于進入傳統上服務不足的市場參和者，例如中低收入社區。此外，汽車拆解商、制造商、維修店和機械師等行業利益相關者可以擴大服務范圍，包括維修和銷售退役鋰電池以供再利用。還有一些供應重復使用的電池產品和服務的公司，這些公司將供應一系列服務，包括二次電池的收集、運輸、拆卸；用于識別電池化學成分的診斷和篩選測試；維修、翻新、重新組裝、安裝和轉售。
2.1.1.2回收
回收鋰電池和生產廢料可為行業利益相關者創造經濟效益，并在美國創造新的和擴大的電池儲能市場機會和創造就業機會。回收鋰電池和制造廢料可以回收高價值材料，這些材料可以出售到商品市場或用于生產新的鋰電池。回收鋰電池和制造廢料可以從電池的陰極、電解質、黑色物質和陽極部分回收有價值的材料，例如鈷、鎳、鐵、石墨、鋰和錳。這些材料的回收也可能為美國制造業供應上升機會，并有助于滿足國內需求。一項估計發現，
疫情之后的經濟復蘇也可能為美國制造業的上升供應機會，這有助于滿足國內需求。一項研究表明，全球鋰電池回收市場規模在2019年達到約15億美元，預計到2030年將上升到181億美元。
鋰電池制造商、儲能系統所有者、第三方回收商和其他行業利益相關者可以從回收鋰電池中獲得經濟利益。電池儲能系統制造商可以通過重復使用從客戶保修退貨、制造廢料和其他退役鋰電池中回收的電池材料，并降低生產成本。一項調查發現，當使用回收的正極材料時，鋰電池電池的制造成本可降低5%至30%。回收材料的再利用還降低了生產成本和對進口電池的依賴，并將降低初級市場上鋰電池的成本。儲能系統所有者和第三方回收商也可以通過向商品市場出售回收材料來創收。和上述再利用討論的內容類似，儲能系統所有者和鋰電池制造商可能會發現回收鋰電池以符合自愿性行業標準或提升其公司責任形象是有利的。從事回收等環境可持續業務的公司反過來可能會新增消費者的信任度和他們在市場上的整體競爭力。
鋰電池的資源回收也為美國新的和擴大的電池儲能系統市場供應了機會。第三方回收公司和生命周期管理公司可以供應服務，例如處理和運輸鋰電池以進行資源回收。例如，總部位于密歇根州的Sybesma公司擴大了業務范圍，以供應電動汽車電池翻新、維修和回收服務。Spiers公司等新的市場進入者也將不斷在涌現，以供應回收服務或逆向物流服務來管理退役的鋰電池。
2.1.2、環境驅動因素
環境驅動因素（例如減少負面環境影響和減少資源限制）可能會鼓勵美國聯邦、各州和地方政府投資以及私人投資，以促進美國鋰電池的循環經濟。以下討論其中一些環境驅動因素。
鋰電池的再利用/回收具有近期和未來的環境效益。鋰電池的二次使用可以減少可重復使用產品的處置，而基于回收的鋰電池資源回收可以從垃圾填埋場獲取有價值的材料，例如鎳和鐵。例如在2019年，從制造廢料中回收的鎳和使用過的鎳產品占美國用于滿足國內需求的鎳供應量的47%。此外，鋰電池和制造廢料的再利用/回收可以緩解資源限制以及美國對鈷、石墨、鋰和錳等關鍵礦物的需求。美國內政部將鈷、石墨、鋰和錳歸類為關鍵礦物，這些礦物對美國經濟和國家安全至關重要，因為它們在產品制造中必不可少，包括用于電池儲能系統的鋰電池。
根據世界銀行集團的估計，到2050年，對鋰電池儲能系統中使用的關鍵礦物的需求可能將新增500%，以支持可再生能源發電量的上升。這些關鍵礦物的成本會因資源有限和供應鏈中斷而上漲，這通常是由于生產地區的政治不穩定造成的：假如目前的趨勢持續下去，專家預計鋰電池中的鎳將在5～6年內出現短缺。從鋰電池中再利用/回收鎳有助于建立強勁的國內供應并減少對進口的依賴，這可能有助于保護美國免受供應鏈未來中斷的影響。鋰電池和制造廢料的再利用/回收可以通過減少在環境和健康法規不太嚴格的國家中開采和出口原生礦物的需求來支持可持續的資源治理。例如，剛果民主共和國擁有世界上最大的鈷儲量，總儲能量達到360萬噸，2019年生產了10萬噸精煉鈷。相比之下，美國2019年只生產了500噸精煉鈷。
2.2、障礙
某些因素可能會抑制美國鋰電池的循環經濟的發展。在本節中，確定了可能抑制管理決策和行為的技術、流程、數據、經濟和監管因素，這些因素有助于將循環原則整合到BES價值鏈和供應鏈中。表2總結了這些障礙。
表2、鋰電池循環經濟的障礙
2.2.1、技術、基礎設施和流程障礙
技術、產品和流程創新在效率、成本節約、新增利潤以及增強行業的競爭力方面發揮著關鍵用途。當前和鋰電池的再利用/回收相關的技術、基礎設施和工藝并未針對有效的、具有成本效益的修復進行優化，以實現有價值材料的再利用或回收。因此，處置的可及性和成本可能更理想。本節討論可能抑制鋰電池循環經濟的技術、基礎設施和工藝障礙，以及美國的二次電池的市場機會。
如今市場上許多不同的電池產品，并且沒有采用鋰電池的標準化模塊或結構，而其形狀、尺寸和材料成分可能因制造商而異，甚至可能來自同一制造商的不同型號。鋰電池設計和成分的可變性使得難以設計用于二次使用電池的安全性和可靠性測試的標準化流程，也使得電池拆卸和回收過程的自動化變得困難，要昂貴的人工拆卸和分離。此外，電池單體的連接方法也可能會阻礙再利用/回收效率，例如將電池組焊接而不是用螺母和螺栓將電池單體固定在一起。一些美國政府資助的研發工作專注于鋰電池的設計以便于重用/回收，但這些努力都沒有達到商業規模。
調查表明，美國的電池回收基礎設施比較有限，也沒有有效的流程來處理來自電動汽車和固定電池儲能系統的退役和報廢的預計數量。美國只有少數幾個可以處理大型鋰電池的收集/分類站點，并且美國目前只有一個回收設施。此外，有關二次利用鋰電池的安全性和可靠性、指導性有限，沒有標準化流程，也沒有標準化或自動化的拆卸鋰電池進行資源回收的流程。
當前的鋰電池回收技術通常采用濕法冶金（化學）和火法冶金（熔煉）工藝，并未針對高回收率的高純度材料的成本效益回收進行優化。鋰電池的火法冶金回收可以回收一些金屬，但會在殘渣中留存鋰和鋁等高價值金屬，這使得它們難以經濟有效地回收。濕法冶金回收可以回收高價值金屬，如鋰和銅，但其提取方法要昂貴的再處理才能重新使用回收的金屬。
2.2.2、信息和數據障礙
在擴大市場機會的早期階段，調查研究報告中的數據在為投資決策供應信息方面發揮著重要用途，但有關美國退役鋰電池的可用鋰電池研究和儲能市場中公開信息是有限且可變的。本節討論了面對信息和數據障礙，這些障礙可能會阻礙美國鋰電池和二級電池儲能市場機會的循環經濟。
有關退役鋰電池的數量、時間和狀況的公開信息是有限且可變的。退役鋰電池的壽命和平均狀況在很大程度上是理論上的，因為用于電動汽車的鋰電池達到其預期壽命的終點，而用于固定式電池儲能系統的鋰電池也開始主導重要市場。而有關電動汽車和電池儲能系統的不同預期壽命、剩余充電率和部署假設，以及其他指標導致預期壽命預測的范圍很廣。此外，證明再利用和翻新鋰電池的質量、性能、安全性和技術可行性的公開信息和項目有限，這可能會影響消費者對鋰電池再利用的信任和信心。
對鋰電池進行再利用和回收有價值材料的真實成本的分析和數據是有限的。迄今為止的分析重要集中在電池拆卸（例如包裝拆卸、模塊拆卸和分離）和回收處理成本，而這些分析沒有考慮基礎設施需求（例如收集中心和回收設施）、逆向物流（例如分揀、處理和運輸）、運營費用或法規遵從性。
而這份調查報告并沒有給出任何和鋰電池翻新和再利用相關成本的分析或數據，。也沒有分析考慮到再利用/回收過程的未來創新或鋰電池技術的進步。
有關重新利用的鋰電池回收的鋰電池材料的價值和市場的信息也很有限。有關使用過的鋰鋰電池的殘值和市場的數據有限，而且由于更新、更高效電池的價格、再利用成本以及電池壽命和首次使用的降解數據等方面的不確定性，可用的信息變化很大和第二次生命應用。同樣，考慮到當前鋰電池化學和設計的回收鋰的商品市場數據有限，并且沒有考慮到不斷變化的電池化學或未來的再利用和回收技術以及工藝效率。
2.2.3、監管障礙
美國聯邦、各州和地方法規在消費品安全和可靠電力服務方面發揮著關鍵用途。法規還有助于確保鋰電池的安全處理、儲存、處理、運輸、再利用、回收和處置。然而，各州和地方互連、消防、建筑和電氣法規如何適用于電池儲能系統通常尚不清楚。此外，聯邦、得州和地方法律法規要求對鋰電池的回收和處置進行昂貴的處理、儲存、運輸和處理，對不遵守規定的行為進行民事和刑事處罰。此外，聯邦、州和地方的法律法規很復雜，這由于司法管轄區不同而有所不同，有時不清楚它們如何適用于鋰電池的某些再利用和回收過程。本節重點介紹了一些監管障礙，這些障礙可能會阻礙美國鋰電池和二級電池儲能系統市場機會的循環經濟。
2.2.3.1、再利用
美國州和地方法規不明確且多變，可能會影響鋰電池的再利用和二級電池儲能系統市場的投資。美國的大多數互連、消防、建筑和電氣法規由于司法管轄區的不同而有所不同。此外，這些法規通常沒有專門針對電池儲能系統制定，并且有關它們是否適用通常不明確。美國只有少數司法管轄區已經采取措施修訂和澄清其互連法規，以解決它們如何適用于電池儲能系統的問題。同樣，相關行業主導的火災、建筑和電氣模型標準的起草工作重要是在開發階段。報告發現，沒有研究分析互連、火災、建筑和電氣法規對鋰電池儲能系統并網和離網二次使用應用的可行性的影響。電池儲能系統系統和大型鋰電池法規和標準的不確定性和缺乏指導使得難以確定鋰電池的可行的二次應用，這可能會扼殺消費者對使用二次電池產品的信心和對鋰電池再利用的整體投資。
2.2.3.2、回收
復雜、多變且有時不明確的美國聯邦、各州和地方法規可能會影響有價值的鋰電池材料的資源回收。在回收之前積累或儲存的使用過的鋰電池，以及被回收的鋰電池，可以按照和在處置前積累或儲存的鋰電池相同的方式，按照美國1976年公布的《資源保護和回收法》，美國的固體廢物法律由于司法管轄區不同而有所不同，它們強制規定了具體的處理、儲存、運輸、處理、回收和處置要求，違反者將會受到民事和刑事處罰。
此外，鋰電池運輸商也可能受到嚴格的美國運輸部(DOT)危險材料法規的約束。除了為這個調查報告所做的分析之外，并沒有研究全面分析《資源保護和回收法》有關固體廢物/危險廢物在美國處理、運輸、儲存、處理、回收和處置鋰電池的要求。
也有證據表明《資源保護和回收法》監管排除是否適用于鋰電池的某些回收過程。例如，新的回收技術（如陰極到陰極再鋰化）是否構成回收并觸發《資源保護和回收法》監管是一個有爭議的主題。不明確和可變的監管可能會出現一定程度的風險和不確定性，從而影響對鋰電池材料回收的投資。此外，假如《資源保護和回收法》監管排除不適用于回收的鋰電池，并且它們的監管方式和處置的鋰電池相同，則可能缺乏回收鋰電池的動力，直到回收經濟變得更具競爭力。
2.2.4、經濟和市場壁壘
如今，私營公司投資于鋰電池的再利用或回收的經濟動機或動力有限。同樣，消費者對鋰電池在電動汽車和固定式電池儲能系統應用中的二次使用缺乏信心。此外，鋰電池的再利用和回收選擇的成本和可及性通常被更便宜、更容易獲得的處置選擇所抵消。本節討論可能會抑制美國鋰電池和二級電池儲能系統市場機會的循環經濟的經濟和市場障礙。
經濟、市場和監管不確定性以及法律責任問題可能會抑制二級電池儲能系統市場機會、鋰電池資源的回收，以及對電池儲能系統產品、流程和服務創新的整體投資。如今，和鋰電池的再利用/回收相關的技術、基礎設施和流程有限，并且沒有針對有效成本效益的再利用或有價值材料的回收進行優化。再利用的安全性和可靠性測試沒有進行簡化，電池拆卸和回收過程沒有實現自動化或具有成本效益。此外，有關重新處理鋰電池以供再利用的真實成本或回收有價值的鋰電池資源真實成本的數據比較有限。有關重新利用的鋰電池和回收的鋰電池材料的價值和市場的信息也很有限。此外，有關鋰電池的再利用適用什么法規存在不確定性，也缺乏有關鋰電池安全可靠地再利用二次使用應用的指導。同樣，處理、運輸、儲存和處理要求對違規行為進行民事和刑事責任處罰也很復雜、多變，有時不明確。美國聯邦、州和地方法規也可能以和處置相同的方式管理用于資源回收的使用過的鋰電池，假如處置的經濟性更加有利，這可能會抑制有價值的鋰電池的回收。此外，報告并沒有確定許多美國聯邦、州或地方的經濟激勵措施或政策可以幫助激勵鋰電池的再利用/回收，或對新的和擴大的電池儲能系統市場進行早期投資。（未完待續，嚴禁轉載，違者必究）
