1．簡介
研究表明，全球鋰離子電池市場規(guī)模持續(xù)增長，以應對電動汽車(EV)和儲能市場需求的增長。根據(jù)調(diào)研機構Wood MacKenzie公司的調(diào)查，從2013年到2020年，美國累計部署的儲能系統(tǒng)的總裝機容量約為1,600MW，其中鋰離子電池儲能系統(tǒng)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，其中鋰離子電池占據(jù)了大部分市場份額。
專注于電網(wǎng)彈性和零排放能源生產(chǎn)和運輸?shù)拿绹髦莺吐?lián)邦政策將繼續(xù)推動對電動汽車和電池儲能系統(tǒng)的鋰離子電池的需求。美國儲能市場部署的電池儲能系統(tǒng)將從2013年的523MW增長到2025年的7.3GW。美國電動汽車市場預計也將繼續(xù)快速增長，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，鋰離子電池將繼續(xù)主導用于電動汽車和電池儲能系統(tǒng)的全球市場份額，因此鋰離子電池儲能系統(tǒng)成為這份調(diào)查報告的重點。
圖1 鋰離子電池的循環(huán)經(jīng)濟
2.鋰離子電池循環(huán)經(jīng)濟的驅動因素、障礙和促成因素
如今，美國的電池儲能系統(tǒng)供應鏈被描述為一種線性經(jīng)濟模型。很少有電動汽車和儲能系統(tǒng)制造商（例如福特、通用汽車和特斯拉）投資于延長電池產(chǎn)品耐用性的設計，或鋰離子電池的再利用/回收設計。目前只有一家美國制造商實施了回收計劃以回收鋰離子電池材料。而在調(diào)查中，沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)表明美國電池儲能系統(tǒng)制造商正在投資于鋰離子電池的再利用/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(tǒng)）的研發(fā)試點項目的商業(yè)規(guī)模投資。此外，只有少數(shù)第三方公司回收鋰離子電池，只有少數(shù)翻新和/或轉售鋰離子電池用于二次使用的美國第三方公司。大多數(shù)提供鋰離子電池回收服務的公司并不在美國本土處理電池。與其相反，將循環(huán)原則納入電池儲能系統(tǒng)供應鏈的努力主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(jié)中，將討論美國鋰離子電池循環(huán)經(jīng)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)還與電池儲能行業(yè)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/回收大型鋰離子電池的因素。這些利益相關者之前互動還為潛在的解決方案提供了信息，這些解決方案可能會在美國實現(xiàn)大規(guī)模鋰離子電池的重用/回收。
2.1驅動因素
某些機會和好處可能會推動美國鋰離子電池的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。在本節(jié)中，將討論可能推動材料管理決策和行為的經(jīng)濟、環(huán)境和安全機會和收益，從而促進將循環(huán)原則整合到電池儲能系統(tǒng)的價值和供應鏈中。表1總結了這些驅動因素。
表1. 鋰離子電池循環(huán)經(jīng)濟的驅動因素
2.1.1經(jīng)濟驅動因素
新的和擴大的市場機會、創(chuàng)造就業(yè)機會，以及供應鏈穩(wěn)定性和資源安全可能會推動美國聯(lián)邦、各州和地方政府對鋰離子電池循環(huán)經(jīng)濟的投資。成本節(jié)約、利潤增加和競爭力增強可能會推動在產(chǎn)品、服務和工藝創(chuàng)新以及鋰離子電池的再利用/回收方面的私人投資。本節(jié)討論其中一些經(jīng)濟驅動因素。
2.1.1.1再利用
鋰離子電池的再利用可能會為行業(yè)利益相關者創(chuàng)造經(jīng)濟效益，并在美國創(chuàng)造新的和擴大的市場機會和就業(yè)機會。行業(yè)專家觀察到，退役的電動汽車鋰離子電池的容量通常保持其原始容量的80%，可用于需要較少充放電循環(huán)的二次電動汽車和電池儲能系統(tǒng)的應用。而在研發(fā)和試點項目階段，來自電動汽車的鋰離子電池可以用于商業(yè)和工業(yè)規(guī)模固定電池儲能系統(tǒng)以及住宅、微電網(wǎng)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(tǒng)中。此外，來自電動汽車的鋰電池也可以翻新，并重新用于其他需要較少電池循環(huán)的汽車和電池應用（例如無人機和叉車）
從鋰離子電池中獲得額外的服務和收入會增加電池儲能系統(tǒng)系統(tǒng)的總生命周期價值，并且其成本可以由主要和次要用戶分擔。鋰離子電池儲能制造商和系統(tǒng)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(jīng)濟利益。雖然目前主要是理論上的，但儲能系統(tǒng)所有者可以出售用過的鋰離子電池以產(chǎn)生收入或捐贈鋰離子電池用于慈善用途并獲得稅收抵免。電池儲能制造商也發(fā)現(xiàn)，出售或捐贈使用過的鋰離子電池以符合自愿性行業(yè)標準或提升其企業(yè)責任形象是有利的。從事環(huán)境可持續(xù)商業(yè)實踐（例如再利用）的企業(yè)可能會反過來提高消費者對二次使用電池產(chǎn)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離子電池也可能為美國新的和擴大的電池儲能市場和創(chuàng)造就業(yè)機會提供機會。例如，用于固定用途的低成本二次鋰離子電池的銷售可以進一步增加固定電池儲能系統(tǒng)的部署，并可能有助于進入傳統(tǒng)上服務不足的市場參與者，例如中低收入社區(qū)。此外，汽車拆解商、制造商、維修店和機械師等行業(yè)利益相關者可以擴大服務范圍，包括維修和銷售退役鋰離子電池以供再利用。還有一些提供重復使用的電池產(chǎn)品和服務的公司，這些公司將提供一系列服務，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
回收鋰離子電池和生產(chǎn)廢料可為行業(yè)利益相關者創(chuàng)造經(jīng)濟效益，并在美國創(chuàng)造新的和擴大的電池儲能市場機會和創(chuàng)造就業(yè)機會?；厥珍囯x子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(chǎn)新的鋰離子電池?；厥珍囯x子電池和制造廢料可以從電池的陰極、電解質(zhì)、黑色物質(zhì)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(yè)提供增長機會，并有助于滿足國內(nèi)需求。一項估計發(fā)現(xiàn)，
疫情之后的經(jīng)濟復蘇也可能為美國制造業(yè)的增長提供機會，這有助于滿足國內(nèi)需求。一項研究表明，全球鋰離子電池回收市場規(guī)模在2019年達到約15億美元，預計到2030年將增長到181億美元。
鋰離子電池制造商、儲能系統(tǒng)所有者、第三方回收商和其他行業(yè)利益相關者可以從回收鋰離子電池中獲得經(jīng)濟利益。電池儲能系統(tǒng)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(chǎn)成本。一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當使用回收的正極材料時，鋰離子電池電池的制造成本可降低5%至30%?；厥詹牧系脑倮眠€降低了生產(chǎn)成本和對進口電池的依賴，并將降低初級市場上鋰離子電池的成本。儲能系統(tǒng)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(chuàng)收。與上述再利用討論的內(nèi)容類似，儲能系統(tǒng)所有者和鋰離子電池制造商可能會發(fā)現(xiàn)回收鋰電池以符合自愿性行業(yè)標準或提升其企業(yè)責任形象是有利的。從事回收等環(huán)境可持續(xù)業(yè)務的企業(yè)反過來可能會增加消費者的信任度和他們在市場上的整體競爭力。
鋰離子電池的資源回收也為美國新的和擴大的電池儲能系統(tǒng)市場提供了機會。第三方回收公司和生命周期管理公司可以提供服務，例如處理和運輸鋰離子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(yè)務范圍，以提供電動汽車電池翻新、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(xiàn)，以提供回收服務或逆向物流服務來管理退役的鋰離子電池。
2.1.2、環(huán)境驅動因素
環(huán)境驅動因素（例如減少負面環(huán)境影響和減少資源限制）可能會鼓勵美國聯(lián)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(huán)經(jīng)濟。以下討論其中一些環(huán)境驅動因素。
鋰離子電池的再利用/回收具有近期和未來的環(huán)境效益。鋰離子電池的二次使用可以減少可重復使用產(chǎn)品的處置，而基于回收的鋰離子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(chǎn)品占美國用于滿足國內(nèi)需求的鎳供應量的47%。此外，鋰離子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(nèi)政部將鈷、石墨、鋰和錳歸類為關鍵礦物，這些礦物對美國經(jīng)濟和國家安全至關重要，因為它們在產(chǎn)品制造中必不可少，包括用于電池儲能系統(tǒng)的鋰離子電池。
根據(jù)世界銀行集團的估計，到2050年，對鋰離子電池儲能系統(tǒng)中使用的關鍵礦物的需求可能將增加500%，以支持可再生能源發(fā)電量的增長。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(chǎn)地區(qū)的政治不穩(wěn)定造成的：如果目前的趨勢持續(xù)下去，專家預計鋰離子電池中的鎳將在5～6年內(nèi)出現(xiàn)短缺。從鋰離子電池中再利用/回收鎳有助于建立強勁的國內(nèi)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。鋰離子電池和制造廢料的再利用/回收可以通過減少在環(huán)境和健康法規(guī)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(xù)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(chǎn)了10萬噸精煉鈷。相比之下，美國2019年只生產(chǎn)了500噸精煉鈷。
2.2、障礙
某些因素可能會抑制美國鋰離子電池的循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。在本節(jié)中，確定了可能抑制管理決策和行為的技術、流程、數(shù)據(jù)、經(jīng)濟和監(jiān)管因素，這些因素有助于將循環(huán)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、鋰離子電池循環(huán)經(jīng)濟的障礙
2.2.1、技術、基礎設施和流程障礙
技術、產(chǎn)品和流程創(chuàng)新在效率、成本節(jié)約、增加利潤以及增強行業(yè)的競爭力方面發(fā)揮著關鍵作用。當前與鋰離子電池的再利用/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(yōu)化，以實現(xiàn)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(jié)討論可能抑制鋰離子電池循環(huán)經(jīng)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(chǎn)品，并且沒有采用鋰離子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。鋰離子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，需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(fā)工作專注于鋰離子電池的設計以便于重用/回收，但這些努力都沒有達到商業(yè)規(guī)模。
調(diào)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(tǒng)的退役和報廢的預計數(shù)量。美國只有少數(shù)幾個可以處理大型鋰離子電池的收集/分類站點，并且美國目前只有一個回收設施。此外，對于二次利用鋰離子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。
當前的鋰離子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(yōu)化。鋰離子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(jīng)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，但其提取方法需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(shù)據(jù)障礙
在擴大市場機會的早期階段，調(diào)查研究報告中的數(shù)據(jù)在為投資決策提供信息方面發(fā)揮著重要作用，但關于美國退役鋰離子電池的可用鋰離子電池研究和儲能市場中公開信息是有限且可變的。本節(jié)討論了面臨信息和數(shù)據(jù)障礙，這些障礙可能會阻礙美國鋰離子電池和二級電池儲能市場機會的循環(huán)經(jīng)濟。
有關退役鋰電池的數(shù)量、時間和狀況的公開信息是有限且可變的。退役鋰離子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離子電池達到其預期壽命的終點，而用于固定式電池儲能系統(tǒng)的鋰離子電池也開始主導主要市場。而對于電動汽車和電池儲能系統(tǒng)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離子電池的質(zhì)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離子電池再利用的信任和信心。
對鋰離子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(shù)據(jù)是有限的。迄今為止的分析主要集中在電池拆卸（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(guī)遵從性。
而這份調(diào)查報告并沒有給出任何與鋰離子電池翻新和再利用相關成本的分析或數(shù)據(jù)，。也沒有分析考慮到再利用/回收過程的未來創(chuàng)新或鋰離子電池技術的進步。
關于重新利用的鋰離子電池回收的鋰離子電池材料的價值和市場的信息也很有限。關于使用過的鋰鋰離子電池的殘值和市場的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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，考慮到當前鋰離子電池化學和設計的回收鋰的商品市場數(shù)據(jù)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(jiān)管障礙
美國聯(lián)邦、各州和地方法規(guī)在消費品安全和可靠電力服務方面發(fā)揮著關鍵作用。法規(guī)還有助于確保鋰離子電池的安全處理、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(guī)如何適用于電池儲能系統(tǒng)通常尚不清楚。此外，聯(lián)邦、得州和地方法律法規(guī)要求對鋰離子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(guī)定的行為進行民事和刑事處罰。此外，聯(lián)邦、州和地方的法律法規(guī)很復雜，這由于司法管轄區(qū)不同而有所不同，有時不清楚它們?nèi)绾芜m用于鋰離子電池的某些再利用和回收過程。本節(jié)重點介紹了一些監(jiān)管障礙，這些障礙可能會阻礙美國鋰離子電池和二級電池儲能系統(tǒng)市場機會的循環(huán)經(jīng)濟。
2.2.3.1、再利用
美國州和地方法規(guī)不明確且多變，可能會影響鋰離子電池的再利用和二級電池儲能系統(tǒng)市場的投資。美國的大多數(shù)互連、消防、建筑和電氣法規(guī)由于司法管轄區(qū)的不同而有所不同。此外，這些法規(guī)通常沒有專門針對電池儲能系統(tǒng)制定，并且對于它們是否適用通常不明確。美國只有少數(shù)司法管轄區(qū)已經(jīng)采取措施修訂和澄清其互連法規(guī)，以解決它們?nèi)绾芜m用于電池儲能系統(tǒng)的問題。同樣，相關行業(yè)主導的火災、建筑和電氣模型標準的起草工作主要是在開發(fā)階段。報告發(fā)現(xiàn)，沒有研究分析互連、火災、建筑和電氣法規(guī)對鋰離子電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)和離網(wǎng)二次使用應用的可行性的影響。電池儲能系統(tǒng)系統(tǒng)和大型鋰離子電池法規(guī)和標準的不確定性和缺乏指導使得難以確定鋰離子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(chǎn)品的信心和對鋰離子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(lián)邦、各州和地方法規(guī)可能會影響有價值的鋰離子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離子電池，以及被回收的鋰離子電池，可以按照與在處置前積累或儲存的鋰離子電池相同的方式，按照美國1976年發(fā)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(qū)不同而有所不同，它們強制規(guī)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，鋰離子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(guī)的約束。除了為這個調(diào)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》對于固體廢物/危險廢物在美國處理、運輸、儲存、處理、回收和處置鋰離子電池的要求。
也有證據(jù)表明《資源保護和回收法》監(jiān)管排除是否適用于鋰離子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(fā)《資源保護和回收法》監(jiān)管是一個有爭議的主題。不明確和可變的監(jiān)管可能會產(chǎn)生一定程度的風險和不確定性，從而影響對鋰離子電池材料回收的投資。此外，如果《資源保護和回收法》監(jiān)管排除不適用于回收的鋰離子電池，并且它們的監(jiān)管方式與處置的鋰離子電池相同，則可能缺乏回收鋰離子電池的動力，直到回收經(jīng)濟變得更具競爭力。
2.2.4、經(jīng)濟和市場壁壘
如今，私營企業(yè)投資于鋰離子電池的再利用或回收的經(jīng)濟動機或動力有限。同樣，消費者對鋰離子電池在電動汽車和固定式電池儲能系統(tǒng)應用中的二次使用缺乏信心。此外，鋰離子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(jié)討論可能會抑制美國鋰離子電池和二級電池儲能系統(tǒng)市場機會的循環(huán)經(jīng)濟的經(jīng)濟和市場障礙。
經(jīng)濟、市場和監(jiān)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(tǒng)市場機會、鋰離子電池資源的回收，以及對電池儲能系統(tǒng)產(chǎn)品、流程和服務創(chuàng)新的整體投資。如今，與鋰離子電池的再利用/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(yōu)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(xiàn)自動化或具有成本效益。此外，關于重新處理鋰離子電池以供再利用的真實成本或回收有價值的鋰離子電池資源真實成本的數(shù)據(jù)比較有限。關于重新利用的鋰離子電池和回收的鋰離子電池材料的價值和市場的信息也很有限。此外，對于鋰離子電池的再利用適用哪些法規(guī)存在不確定性，也缺乏關于鋰離子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(guī)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(lián)邦、州和地方法規(guī)也可能以與處置相同的方式管理用于資源回收的使用過的鋰離子電池，如果處置的經(jīng)濟性更有利，這可能會抑制有價值的鋰離子電池的回收。此外，報告并沒有確定許多美國聯(lián)邦、州或地方的經(jīng)濟激勵措施或政策可以幫助激勵鋰離子電池的再利用/回收，或對新的和擴大的電池儲能系統(tǒng)市場進行早期投資。 （未完待續(xù)，嚴禁轉載，違者必究）
