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保时捷发布电池生命周期白皮书
2022-02-21 22:48:21· 来源：能源学人
对当前汽车电池循环经济挑战的全面分析摘要：随着社会对电动化乘用车和商用车的全球应用的展开，关于汽车电池在电动汽车（EV）中使用后的命运的问题出现了。锂离
对当前汽车电池循环经济挑战的全面分析
摘要：
随着社会对电动化乘用车和商用车的全球应用的展开，关于汽车电池在电动汽车（EV）中使用后的命运的问题出现了。锂离子电池的有限可用寿命以及欧洲等国家关于电池回收和处理的规定都是值得考虑的问题。此外，社会对可持续解决方案的认识和需求也在增加，人们要求提高材料的可追溯性，减少碳足迹，并增加回收配额。然而，在第二生命应用中延长产品的寿命和通过回收更早获得关键材料之间的关键冲突仍有待解决。总而言之，这些影响需要在汽车电池的后生命周期-"二次"生命周期中找到解决方案。在这篇白皮书中，作者使用早期市场的数据分析了二级生命周期，随后得出了三个关键的启示：
1、预测性电池分析将成为电池寿命周期管理的标准程序；
2、只有一定比例的废旧电池可以用于第二生命的应用；
3、电池回收可以支持原材料的供应，并有可能成为经济上的吸引力。
背景介绍：
随着电动汽车在大量领域的广泛使用，锂基电池的使用正在成为汽车部门的一个大众市场业务。汽车牵引电池的生命周期是沿着两个主要路径进行的：一次性寿命周期，持续到电池在车辆中的第一个寿命结束，以及随后的二次寿命周期。在本白皮书中，重点在于后者。术语"报废电池"(EoL)在这里被用来描述电动汽车中第一个寿命结束时的电池。对报废电池进行分析以确定其健康状况（SoH），这为其进一步的部署提供了宝贵的信息：在其第二次生命中的预期使用或直接走向回收。在每种情况下，电池都必须被收集和运输。
关于第二次生命，EoL汽车电池的主要使用情况是在固定储能系统（ESS）中使用，例如，用于电网稳定或作为大功率充电（HPC）站的缓冲器。在这种系统中的任何使用，通常都需要对电池进行修理、准备工作和修改。第二次生命的另一个使用案例是将模块作为再制造的备件在车辆中重新使用。后者仍处于早期阶段。另一方面，回收可以在各种机械和化学过程中进行，主要目的是重新获得原材料，然后可以用来制造新的电池单元：换句话说，循环经济。电池的循环经济不仅可以减少电池的碳足迹，还可以减少对原材料供应商的依赖。
图1、电池寿命周期的阶段
为了评估生命周期的下游过程，有必要对汽车锂离子电池的安装基础进行评估。如图2所示，全球汽车电池的年需求量预计将逐步增加，2030年将达到4400 GWh，2040年将达到8300 GWh，20506年将超过11000 GWh。最近的政治举措如欧洲的欧盟绿色协议和美国拜登政府实施的电动车战略加速了这一增长。
图2、全球年度汽车电池销售和回报
基于经验数据和预测，全球达到第一寿命的汽车电池数量可以通过一个数学模型来预测，该模型的平均车辆寿命为15年。技术故障和事故损失在整个EoL电池的数量中占少量，但最重要的是，车辆工作寿命的结束决定了电池第一寿命的结束。同样的假设也适用于所有电池的化学成分。虽然今天的EoL电池数量几乎可以忽略不计，但在中期的未来，可以预期会有大量的汽车电池返回。在2030年，报废电池的总量可能达到330 GWh，2040年为2400 GWh，2050年为4900 GWh（见图2）。
考虑到这些返回量，很明显，在可预见的未来，回收材料只能供应原材料需求的一部分，而且鉴于电动车市场的快速增长，这将不足以满足所有的材料需求。因此，在可预见的未来，将不得不增加新的原材料，以满足不断增长的需求。然而，这一趋势是明确的：虽然在2030年，EoL电池的容量只足以供应新的汽车电池需求的7%，但在2050年，EoL电池的容量将相当于新需求的43%，这对可持续性的原因以及支持原材料供应是有利的。
目前在电池生命周期后期的挑战主要是建立适当的基础设施和程序来收集、再利用和回收电动汽车电池。特别是世界上的工业化地区（如欧洲、中国），它们被认为是电动车的早期采用者，已经部分地制定了法规，以确保正确处理EoL电池。在这些地区，二手车的电池可以但不一定要免费交还给原始设备制造商（OEM）。在这种情况下，原始设备制造商将负责分析、临时储存、准备以及包装和物流，以便将其转变成第二次生命或回收。在这种立法的情况下，原始设备制造商也必须承担这些程序的费用。
其中一个关键的因素，同时也是一个不确定的来源，就是离开循环经济的车辆的剩余部分。尽管有立法，但由于囤积、不当处置或出口到收集、再利用和回收过程落后于工业化国家的发展中国家，将不可避免地发生外流。发展中国家的收集、再利用和回收过程预计会落后于工业化国家。德国的历史数据显示，出口到发展中国家的报废汽车（ELVs）比率约为10%。此外，有高达19%的ELV没有统计记录其去向。必须指出的是，历史数据主要是指内燃机ELV，由于发展中国家的充电基础设施不足，全电动ELV的出口率预计会降低，至少在未来几年是这样。即使是留在循环经济中的电池，关键的问题是，一个无害环境的电池是否应该用于潜在的第二次生命或直接回收，以及如何选择最佳的路径。在接下来的章节中，我们将以三个关键点的形式阐述当前的挑战和限制，以及对电池二次寿命周期的建议。首先，预测性电池分析的应用是标准程序。随后，将讨论废旧电池二次利用的可行性，以及通过支持原材料供应的电池回收的经济吸引力。
预测性电池分析将成为电池寿命周期管理的标准程序
我们相信上帝；所有其他人必须带来数据。这句话是统计过程控制的先驱William Edwards Deming说的，他简明扼要地总结了数据测量和分析在几乎所有应用领域的价值。电池也不例外。然而，直到现在，电池数据的使用几乎没有用尽其潜力，很少有基于数据的方法被用来评估电池的真正价值和离其最终寿命结束的剩余时间。
对电池的分析和有关其真正退化的透明度，将是将其分配到第二次生命或直接走向回收的重要推动力。描述电池退化影响的相关参数是健康状态（SoH）。通常情况下，SoH被称为当前容量与最初规定容量的比率。然而，它实际上是一个通用的数字，可以基于各种电池技术参数的测量，如阻抗或内阻，这些都可以作为确定SoH的因素。到目前为止，这些技术参数是通过特定的测试设备获得的，这些设备通常要求电池在车间里要么仍在汽车内，要么处于拆卸状态。这很费时间，而且需要人工。目前的SoH测定程序是复杂的，并且在置信度方面仍有局限性。此外，SoH无法对电池的真正健康状况作出准确的结论。关于电池的真正健康状况的确切结论，如果没有进一步的细节，对电池的预期寿命进行深刻的分析是不可能的。
更复杂的电池分析概念依赖于增强的传感器技术和更广泛的连接以及机器学习。在这种最先进的电池分析概念中，参考电池在实验室中进行循环和测试，以提供一个基于人工智能的模拟模型，该模型反映了真实的电池-"数字孪生"。来自现场真实电池的运行（实时）数据，然后可以使用数字孪生体进行处理和分析。虽然原始设备制造商已经在收集车辆的运行数据（特别是在商用车领域，广泛使用远程信息处理技术），但收集车辆的实时电池数据大多没有得到利用。在其他分析模型中，每辆车的数据可用于检查相关的电池参数与预定的警告水平，检测车队内的异常行为，或将实际电池状态与数字实验室模型进行比较。除了检测异常行为和质量问题外，历史电池数据还可以确定电池特定的SoH，并预测EoL后第二次使用的可行性。整个过程在图3中描述。
图3、实时的车辆数据可用于分析电池SoH的二次使用情况
可以预计，来自实际车辆的电池数据的使用将急剧增加。事实上，国家立法甚至可能要求原始设备制造商在其车辆中加入部分此类功能。例如，中国已经依法对电池数据进行了实时监测（RTM），这可以作为进一步分析的基础。但特定国家的立法，如数据隐私法案，将导致区域内不同的（实时）数据利用界限。
总而言之，预测性电池分析不仅是一种成本效益工具，可以减少经销商和车间的人工分析，而且还将出现使用实时电池数据的其他货币化模式，如基于实际处理数据的延长保修或二手电动车证书。特别是在第一寿命使用的后期，确定SoH和基于数据的EoL预测是确定电池在其剩余寿命周期中的命运的关键技术，因为只有在第一寿命结束时具有相对较高SoH的电池才有望适用于第二寿命的利用。
只有一定比例的废旧电池可以用于第二生命的应用
电池在车辆中的第一个寿命结束后，其整体寿命可能不会完全结束，但仍有可能在第二个寿命的应用中重新使用，这取决于降解情况。根据一般惯例，如果汽车电池的SoH值低于最初额定值的70-80%，则被认为达到了寿命的终点。此外，光学、功能或热应力可能会导致被宣布为关键电池。这些是有缺陷或损坏的电池（例如，来自坠毁的车辆），它们含有火灾或热失控的风险。关键电池在处理、包装和运输方面有更高的要求，不能用于第二次使用，必须直接回收。
EoL汽车电池再利用的主要使用案例可以在固定式储能系统（ESS）中找到。随着可再生能源的兴起，用于削峰填谷、备用电源或成本优化的能源供应等使用情况的此类系统的需求将增长。这为新的和二手锂离子电池带来了巨大的市场潜力。储能系统有不同的尺寸，服务于多种使用情况，例如，容量低于50千瓦时的家庭储能系统。高功率充电站（HPC）的缓冲存储器，容量大于100千瓦时，以及公用事业规模的MWh系统，可用于调节电网的一次能源供应，尤其是可再生能源。
在这种情况下，应该提到的另一个使用案例是对废旧电池进行再制造，以作为备件再利用，这是一种传统上适用于内燃机某些部件的方法。原始设备制造商正在不断调查，看看它是否可以成为电池的一个可行案例。在这种使用情况下，具有相对较高的SoH的模块可以从EoL电池组中提取出来，并可能作为现场车辆的备件，单独或重新组装成整个电池组。然而，这些工作目前还处于早期阶段。
从可持续发展的角度来看，重新使用废旧电池是值得的，因为它延长了电池的使用寿命，同时为不断增长的ESS市场服务，否则就需要新电池。由于目前新电池在生产过程中仍然对环境造成很大的影响，因此，利用第二代电池可以与正在进行中的电池生产相结合。由于目前新电池在生产过程中仍然会对环境造成很大的影响，利用第二代电池，再加上持续的生产优化，肯定可以缓解这些影响。然而，当涉及到旧电池的第二次生命的可行性时，需要考虑经济和技术的边界条件。根据固定存储的市场发展，对锂基电池的ESS容量需求可能小于可用的EoL电池的容量。
2030年，ESS的需求将至少为每年107 GWh。这将不足以消耗2030年预计的330 GWh的EoL电池（图2）。如果出现更积极的ESS应用，二次电池安装的潜在容量可能会增加。尽管如此，只有相关的无机物电池可以被带入第二次生命过程，即那些被证明在技术上最合格的电池。对于ESS的使用，SoH在70-80%的范围内仍然是足够的，二手汽车电池只要达到40-50%的SoH就可以使用（见图4）。这里，"技术上"一方面是指SoH，另一方面是指电池化学。此外，那些缺乏必要的健康和可靠性的电池需要被分离出来，并应直接进入回收途径。
图4、不同汽车牵引电池化学成分的利用阶段
然而，必须考虑到ESS在循环稳定性、功率密度、冷却、抗震性和安全性方面比汽车电池有其他要求，而且不同的电池化学成分以不同方式满足这些要求。镍-锰-钴（NMC）电池的化学成分目前是汽车牵引电池的标准。除了镍、锰和钴的比例变化，NMC化学电池将继续用于汽车牵引电池-至少在未来10年内。另一方面，作为正极材料的磷酸铁锂（LFP）到目前为止主要用于消费类电池，但在汽车OEM中越来越受欢迎。虽然LFP电池目前只用于少数电动车，但它们的相对份额预计将在未来几年内增加。
在技术可行性方面，鉴于LFP电池的循环稳定性和内在安全性，通常似乎更适合于第二生命。NMC电池在这些规格上显示出较弱的性能，这限制了它们在ESS中第二次生命的可用性（见图4）。低成本的电池化学材料（主要是LFP）似乎将尽可能多地用于第二寿命的应用中，因为它们在技术上更可行，并且缺乏昂贵的电池材料，使它们对回收有吸引力。如果对第二寿命存储容量的需求超过了可用的LFP电池的数量，可能会出现用包括更有价值的金属（如NMC）的化学材料进行补充的情况。
图5、基于SoH和化学的回收与第二生命的评估
综上所述，未来可能会有更多的二次电池的使用，但作为一般准则，其可行性一方面取决于SoH，另一方面取决于电池的化学成分（见图5）。具有合适的化学成分和足够的SoH的电池可以被用于二次使用。但就其经济可行性而言，必须考虑到额外的成本，因为几乎所有的二次电池都必须经过再利用的过程。考虑到这些顶层工艺和新电池价格的快速下降。不能保证再利用的旧电池在经济上能与新电池竞争-这在很大程度上取决于个人的使用情况。二手电池的潜在折扣的经济性仍未得到解决-这也是先进分析技术至关重要的另一个原因。
电池回收可以支持原材料供应，并可能在经济上具有吸引力
回收是指对电池的部件进行分解，以回收其原材料。回收过程的配置和效率是电池循环经济的直接推动因素。在这种情况下，有必要提到的是回收的吸引力与镍和钴直接相关。每个电池的收入潜力约为30%。关于越来越流行的LFP电池，应该注意到，由于缺乏有价值的金属，其回收的经济吸引力将降低。因此，镍和钴含量高的电池化学制品在以下回收过程的成本和收入分类中被关注-特别是NMC。
NMC111是汽车牵引电池的标准材料混合物，直到近年来被NMC622所取代，NMC622是目前占绝大多数的新汽车牵引电池的标准。因此，预计NMC111将主要出现在未来10年内回归的电池中。而NMC622将是此后EoL电池的主要电池化学成分。目前的材料研究显示，镍的含量不断增加（80-90%），而锰和钴的含量则不断减少，例如NMC811，预计将在未来十年成为标准。
回收过程本身通常在第一步考虑对电池组进行拆解和放电。此后，目前的行业标准是将湿法冶金与火法冶金或机械预处理相结合。图6中描述了一个当代的过程链。该过程本身或子过程的组合因不同的应用和公司而异。回收量大于1,000吨/年的回收厂已经被证明是可以成功的。
图6、当代回收工艺概述
目前，大多数工业工厂都没有回收阴极以及电解液中的锂。除了收入潜力外，这可以为回收业务的可持续性和经济可行性做出重要贡献。因此，锂回收工艺的整合有望成为未来电池回收商的必修课，这也是德国应用生态研究所等研究机构的预期。必须注意的是，只有在使用黑粉作为输入质量的情况下，即在使用机械处理作为预处理而不是火法冶金的情况下，才能在湿法冶金过程中回收锂。
当代回收工艺可以以高回收率回收电池材料（见图6）。然而，即使有高效的回收过程，循环经济也取决于旧产品的收集率。纵观整个全球锂离子电池市场，目前只有约50%的报废电池能被回收商回收。可持续的生命周期也需要得到极大的关注。最近的欧盟立法提案显示了65-75%的收集目标，并对新电池单元中回收材料的最低比例规定了目标。就回收效率而言，欧盟估计锂基电池的65-70%可以被回收。这样的监管框架将加快回收活动，并有可能增加数量和规模经济。虽然今天的回收工厂主要是利用不足，但在未来的几年里，负载率将会增加。这也将对这些工厂的运营成本产生至关重要的影响，预计其运营成本将急剧下降。
同时，电池回收与行业的外部因素密切相关。回收的经济可行性在很大程度上取决于电池原材料。原材料的可用性和市场价格的发展将是电池回收商业案例中的关键输入参数。为了评估经济可行性，来自回收材料的收入必须与回收工厂的运营成本以及处理、包装和运输的成本进行比较。处理成本对整个过程的贡献较低，但由于涉及到人工劳动，预计将保持稳定。包装和物流成本预计将稳步下降，并将对整体业务盈利能力产生重大的成本影响。因此，通过规模经济可以减少成本的潜力。
除了成本方面的规模经济外，原材料收入是杠杆经济可行性的主要贡献者。电池的原材料价格在历史上有很大的波动性，原材料的稀缺性可能会发生，这取决于原始设备制造商的电气化战略和随后的需求。这种材料的稀缺性将不可避免地导致原材料价格的上升。此外，必须考虑到碳定价的经济性可以积极促进回收的整体经济可行性。目前，电池生产是二氧化碳密集型的，除了其他杠杆外，电池回收也是减少二氧化碳排放的一种手段。由于回收而节省的二氧化碳在很大程度上取决于所使用的回收工艺。虽然火法冶金工艺由于能源需求较大而造成较高的二氧化碳排放，但纯水法冶金工艺具有较高的二氧化碳减排潜力。平均来说，考虑到火法和湿法冶金，可以假设每千瓦时回收的电池可以节省20公斤二氧化碳当量。随着世界各国政府对二氧化碳和其他温室气体（GHG）的排放进行定价，减少电池材料的开采和提炼过程将最终带来经济效益。在主要的二氧化碳定价现货市场之一，基于上限和交易结构的欧洲排放交易系统（EUETS），二氧化碳价格已经逐渐上升，2021年的价格在30至55欧元/吨二氧化碳当量之间。研究机构和非政府组织要求更高的二氧化碳价格。
由于原材料和二氧化碳价格的发展不确定，对电池回收的经济吸引力计算了两种情况，如图7所示。这两种情况都考虑了从NMC111到NMC622到NMC811的过渡。
图7、整个回收价值链的成本和收入结构
在方案（情景A）中，假设原材料价格稳定发展，没有考虑二氧化碳的影响。在这种情况下，在运输、包装和工厂运营方面，鉴于EoL电池的数量不断增加，电池回收的盈利能力将只因成本方面的规模效应而得到提高。在方案（情景B）中，由于可能出现的资源稀缺，假设原材料价格上升，这可能是OEM加速电气化战略的结果。在这种情况下，回收材料的市场价格也将上升。
此外，每千瓦时节省20公斤二氧化碳当量或每公斤电池节省3公斤二氧化碳当量，以及每吨二氧化碳当量5欧元（2020年）、100欧元（2025年）和150欧元（2030年以上）的二氧化碳价格已被应用。这两种效应将与方案A的成本节约一起带来进一步的经济效益。
到目前为止，考虑到目前的成本水平以及原材料和二氧化碳的价格，回收（是不盈利的。如方案A所示，仅靠成本节约可能很难将其变成一个积极的商业案例。如方案B所示，原材料价格的上涨加上避免的二氧化碳排放所带来的经济效应，是实现盈利的必要条件，该方案将在2025年和2030年之间实现收支平衡。然而，这两种情况下的盈利能力仍然受到电池化学过渡的影响，因为有价值的材料，特别是钴，目前在电池中被减少。
上述立法要求在新电池中加入最低比例的回收材料，这可以进一步提高经济可行性。在这种情况下，对回收材料的强劲需求可能导致回收收入的急剧增加，回收材料的价格甚至有可能超过新材料的价格。虽然目前还无法预测，但必须考虑到这种特殊的影响。对于代工厂来说，踏入回收市场可能是一个值得的方法，以参与一个潜在的有利可图的业务，并支持原材料供应。然而，OEM的主要障碍是缺乏对电池的所有权。除了制造商经营的车队（如原型车、汽车共享车等），主机厂并不拥有电池。除了通过电池租赁（只有少数原始设备制造商采用），回购是重新获得电池所有权的唯一真正概念。虽然在OEM经销商处发生的二手车和电池可能有可行的解决方案，但从非OEM地点（如拆解商或独立二手车经销商）回购和收集将是一个主要的障碍。
过去，随着废品供应的增长，出现了第三方控制的收集系统，用于收集有价值或易耗的汽车部件（如铅酸电池和催化转换器）。专门的公司专门处理这些高价值的部件，并能够围绕其收集形成盈利的商业模式。同样对于电池来说，建立一个第三方售后市场也不是不可能的事情。可以预计，现有价值创造链中的参与者（例如，原材料生产商、电池制造商、回收商和废物管理公司）将扩大他们的活动领域，以获得电池在寿命结束时的神经点。如果主机厂愿意进入回收市场，他们将需要开发新的概念，以重新获得EoL电池的所有权。
结论：
EoL电池既可以直接回收，也可以在第二生命期应用中重新使用。关于第二次生命，必须考虑技术和经济障碍。不仅储能市场可能太小，无法消化所有EoL汽车电池，而且还需要考虑到技术可行性方面的妥协。这对NMC电池来说尤其如此。这导致了一个结论，即主要是LFP电池将被用于第二生命系统。
总而言之，可持续发展目标可以鼓励第二次生命，在某些条件下，这将是一个值得的方法。因此，预测性电池分析是二次电池生命周期的重要推动力，而新的商业模式将在第一次使用电池期间的实时数据分析的基础上发展起来。然而，对于个别使用情况，必须考虑电池化学、SoH和经济边界条件。
无论电池是否有第二次生命，在生命周期的最后阶段，大部分电池都会被回收利用。因此，监管框架可以支持诸如收集目标、新电池中回收材料的强制性比例以及目标回收效率等措施。回收过程可以以高回收率回收原材料，但目前要用原材料销售的收入来支付前面的成本（处理、包装、运输和回收工厂的运营）是很有挑战性的。原材料销售的收入来支付前面的成本（处理、包装、运输和回收工厂的运营）是一个挑战。Eol电池数量的增加将导致成本方面的规模效应。在收入方面，二氧化碳的节约可以对未来的盈利能力起到很大作用。另一个因素是原材料定价。如果原材料的稀缺性和随后的价格上涨是可以预期的，那么回收业务的盈利能力将得到提升。
代工厂的关键成功因素是预测原材料需求，开发概念以重新获得所有权，并在市场上进行战略定位。垂直整合（通过合作或整合他们自己的回收业务）将是一个值得代工厂采用的方法，这不仅是为了在市场上占有一席之地，也是为了对冲原材料的匮乏。
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