实现全球生产者责任延伸的途径：基于数据驱动的电动汽车电池可持续与循环供应链优化

《Resources, Conservation and Recycling》：Pathways for fulfilling global extended producer responsibility: a data-driven optimization for sustainable and circular electric vehicle battery supply chains

　　随着电动汽车（EV）的普及加速，管理退役（EOL）电池对于生产者责任延伸（EPR）的实施至关重要。本研究针对中国出口电动汽车电池在172个目的地的回收网络进行了优化。我们开发了一个双目标混合整数线性规划（MILP）框架，采用威布尔分布进行需求预测，纳入156家中国回收企业的处理产能以及24家汽车制造商的资本支出（2025-2060年）数据。我们评估了"运回国内"、"海外本地建厂"和"正规外包"三种策略，结果显示2025-2060年累计退役需求为5796万吨，其中2060年单年需求为478万吨。国内产能约束迫使以利润为导向的系统转向海外本地回收。与利润最大化方案相比，碳最小化方案将本地投资提前了十年，提高了本地处理比例11.2个百分点，净温室气体减排提升了16.3%，但净现值降低了54.4%。帕累托膝点方案以13.2%的净现值损失实现了66.7%的额外减排。碳最小化方案在锂、钴、镍的回收率上表现最优，表明环境优化与资源循环利用之间存在协同效应。在交通运输部门脱碳以实现全球气候变化目标的宏观背景下，全面电动化转型迅速确立了中国作为全球最大新能源汽车（NEV）制造商和出口国的地位。这一转型引发了对电池原材料需求的空前激增（Greim等人，2020；He等人，2024）。然而，这种单向的实物产品输出在全球范围内催生了一个延迟的逆向供应链挑战：随着时间推移，出口电池将在172个海外目的地陆续达到退役期。与此同时，以《第（EU）2023/1542号关于电池和废电池的条例》为代表的国际环境立法正在建立本地化的生产者责任延伸制度（Peiseler等人，2022；Trost和Dunn，2023）。这一制度要求对循环经济产生了结构性矛盾：制造集中地与退役分散地之间存在严重的空间错配，阻碍了二次材料流的高效回收。此外，退役电池的跨境转移还受到《巴塞尔公约》及适用的废物运输法规的约束。因此，将所有海外退役电池运回中国不能被视为不受限制的回收选项（巴塞尔公约，1989；欧洲议会和理事会，2023、2024）。除了合规成本之外，一个更根本的挑战是如何防止海外市场产生的二次材料流失。因此，相关决策不仅仅是退役电池能否被回收，还包括在哪里、何时以及通过何种组织途径履行回收责任。面对大规模的退役需求，跨国新能源汽车企业面临三条电池回收战略路径。第一条路径是将退役电池运回中国，利用国内回收产业的规模经济效应；然而，长距离海运会产生额外的运输排放和监管成本，且面临国内产能瓶颈。第二条策略是在核心海外市场进行本地化建厂，这虽然能减少跨洋运输排放并保留高价值材料，但需要高昂的初始资本支出。第三条路径是正规外包，即将退役电池转移至目的地国家或地区的认证第三方回收商。这一路径减少了企业对专用设施的投资需求，在低销量市场提供灵活性，但企业对处理决策的直接控制力较弱，且仅能获得回收材料价值的合同份额。如第2节综述所述，先前的研究已考察了电池回收技术、二次利用应用、物质流和闭环供应链设计。然而，这些研究流派很少将出口衍生的退役需求与长期的国际设施及路径决策联系起来。特别是，国内处理能力、海外资本约束、跨境可行性和生产者材料控制需求等综合影响仍未得到充分量化。我们开发了一个决策支持框架，将数据驱动预测与混合整数线性规划相结合，为出口相关EPR回收网络提供集中式规划基准。该模型纳入：（1）利用历史出口数据和威布尔寿命模型对2025-2060年进行国家级退役需求估计；（2）基于实证数据的约束条件，包括从工信部公布的156家电池回收企业整理的处理产能，以及从24家中国汽车制造商集团年度财务报告汇总的资本支出；（3）三种代表性方案，包括利润最大化、碳最小化和帕累托膝点折中方案。三种方案在相同的需求、产能、成本、排放、投资预算和材料控制假设下进行评估。据此，本研究回答三个问题。第一，2025至2060年间，与中国出口新能源汽车相关的退役电池在数量上及地理分布上如何演变。第二，当三种方案面临相同的物理和金融约束时，经济目标和环境目标如何改变"运回国内"、"本地建厂"和"正规外包"之间的分配格局。第三，贴现生产者利润、净生命周期碳排放以及锂、钴、镍回收之间产生何种权衡。为回答这些问题，本研究的贡献有三点。第一，本研究将基于出口的退役预测与国家级多期逆向物流优化模型直接联系起来。第二，它纳入了基于实证的产能和投资约束，而非假设回收产能无限。第三，它通过比较两个优化端点与帕累托膝点方案，识别出利润-碳-材料之间的权衡关系。电动化转型正在增加对锂、钴、镍及其他电池材料的需求，这些材料的可获得性受地质共伴生、加工集中度、价格波动和回收限制的影响（Reck和Graedel，2012；Greim等人，2020；Elshkaki，2021；Zeng等人，2022；Wang等人，2023；Zhang等人，2023；He等人，2024；Woodley等人，2024）。需求侧措施和车辆轻量化可能缓解这些压力，但无法彻底解决。本研究开发了一个多期混合整数线性规划模型，用于考察中国电动汽车和电池生产者针对海外市场产生的退役牵引电池的管理生产者责任延伸策略。整体研究框架如图1所示。该模型涵盖2025-2060年间172个目的国家和地区，时间分辨率为年度。国家和地区的命名及编码已进行了统一标准化处理。中国电动汽车出口市场的预期扩张将产生快速增加且地理分散的退役责任。172个目的国家每年出口的电动汽车数量将从2025年的约196万辆增至2060年的2614万辆（图2d）。在整个规划期内，亚洲和欧洲始终是两大目的地区域，到2060年合计占预计出口量的81.6%。西欧和东南亚是……本研究表明，在退役电池生命周期的各个阶段，没有单一回收路径始终表现最优。相反，最优EPR网络从最初的集中式配置逐步演变为结合运回国内、本地建厂和正规第三方处理的混合架构。由于三种代表性方案使用相同的需求、技术、财务和制度假设，观察到的差异可归因于经济目标……本研究开发了一个整合预测与双目标混合整数线性规划框架，用于考察生产者如何履行与中国出口电动汽车产生的退役电池相关的EPR义务。在统一的需求、产能、成本、排放、投资和材料控制假设下，评估了三种回收路径——"运回国内"、"本地建厂"和"正规外包"。因此，利润最大化、碳最小化和帕累托膝点代表了在不同目标导向下的替代性优化方案。张斌：稿件修订与编辑、软件、资源、经费获取、概念构思。尹国恩：初稿撰写、可视化、资源、方法论、形式分析、数据管理。张苗恒：可视化。张国：可视化、数据管理、概念构思。刘子尧：初稿撰写、数据管理、概念构思。作者声明不存在任何已知的可能影响本文研究工作的竞争性财务利益或个人关系。本研究得到了国家自然科学基金委（项目编号：72574021、72321002、W2412163）以及北京理工大学科技创新人才培育项目（项目编号：2024CX01017）的支持。张斌 | 尹国恩 | 张苗恒 | 张国 | 刘子尧