基于仿真的可持续循环电池价值链设计方法：德国与日本的比较研究

《CIRP Annals》：Simulation-based design methodology for sustainable circular battery value chains: A comparative study of Germany and Japan

　　

研究人员指出，随着电动汽车的普及，开发针对废旧锂离子电池（LiBs）的可持续循环价值链的需求日益增长。本文旨在通过整合情景分析、市场模型和产品生命周期模型，开发一种基于仿真的循环电池价值链设计方法。该方法能够进行动态仿真，考虑时间变化并平衡LiB的需求与供应。对日本和德国的案例研究表明，将产品即服务模型（例如租赁）与生命周期管理相结合，有望在2021-2050年期间减少电池生命周期内的CO₂排放。

**研究背景与问题**
随着电动汽车（EVs）的全球需求增长，锂离子电池（LiBs）的使用量快速增加，引发了对关键电池材料长期可用性的担忧。同时，退役LiBs需妥善处理以防止环境危害，并因其高剩余价值和可回收材料而成为重要的二次资源。因此，实施循环经济（CE）活动对于EV LiB应用至关重要。现有研究已分析不同R策略（如直接再利用、修复、改造和回收）的影响，但结果表明LiB的生命周期可持续性能高度依赖情境，受空间、时间、技术及个体间条件差异影响，如法规、能源系统、市场结构和电池化学体系（如磷酸铁锂（LFP）和镍锰钴（NMC）电池）。性能还取决于单个R策略及整个电池生命周期中多个参与者的协调实施。这种生命周期协调与情境特异性促使采用综合价值链视角，即可持续循环电池价值链（CBVC）。目前，研究人员、从业者和政策制定者在设计CBVC方面缺乏方法论指导。现有研究存在三个关键挑战：1）缺乏整体方法，未考虑产品（LiBs）、产品生命周期、参与者（如客户和商业提供者）、商业模式选项（如共享、订阅和租赁）以及政治和社会经济背景之间的理想关联；2）客户选择（如是否选择新电池或翻新电池）的影响关注有限；3）需要评估和预测未来系统修改，如技术进步和时间推移带来的影响。因此，必须将情景分析纳入CBVC研究方法。

**研究内容与结论**
本文提出一种基于仿真的设计方法，支持CBVC的设计，并聚焦于EV牵引LiB。通过整合情景分析与CBVC模拟器，研究人员探索了市场条件、商业模式、客户行为和R策略的理想组合。基于文献综述、问卷调查（日本N=3209，德国N=1000）和案例研究的数据，在日本和德国展示了该方法的适用性。案例研究覆盖2021–2050年，评估了CBVC的CO₂排放。结果表明，将产品即服务模型（如租赁）与生命周期管理相结合，有望在电池生命周期内减少CO₂排放。该论文发表在《CIRP Annals》。

**关键技术方法**
研究人员采用了以下主要关键技术方法：1）情景分析：通过PESTLE分析和专家研讨会提取影响因素（如法规、技术创新和市场发展），构建CBVC情景，确保国家特定情境（如法规、市场结构和客户行为）与循环策略（如商业模式选项和R策略）之间的内部一致性。2）CBVC模拟器：包含两个子模型——市场模型和产品生命周期模型。市场模型结合Bass模型（用于估计新产品如EV的未来需求）和多项logit模型（用于估计客户选择电池选项的概率，基于问卷调查确定的权重因子）。产品生命周期模型基于离散事件仿真技术（LCS），模拟每个产品的行为，包括丢弃、收集、退化程度和寿命终点。3）决策支持模型：基于电池健康状态（SOH）阈值决定退役LiB的R策略（直接再利用、修复、改造和回收），优先考虑直接再利用、修复和改造。数据来源包括文献综述、问卷调查（日本3209份，德国1000份）和案例研究。

**研究结果**
**案例研究设置**：研究人员设定了两种极端情景——基准情景（BaU）和循环情景（CS），并考虑两种电池类型（NMC和LFP）的规格（容量40 kWh，退化率等）。BaU假设当前市场趋势，CS假设最大化LiB循环性（所有EV用户转为租赁，防止出口）。

**电池流动分析**：通过Sankey图（图2）分析2021–2050年累积LiB流动，发现BaU情景中主要问题是LiB出口（日本40.6%，德国30.2%），无法控制。CS情景中，EV租赁促进了直接再利用和修复（日本33.9%，德国19.0%）。在所有情景中，回收占比很小（0–4.8%），可能与电池法规不一致。

**CO₂排放分析**：图3显示，CS情景比BaU情景的CO₂排放降低27.9%（日本）和22.8%（德国）。主要贡献来自日本的直接再利用和修复（减少新LiB制造量）以及德国的改造（减少新LiB用于ESS等的制造排放）。

**敏感性分析**：表2的敏感性分析表明，延长EV寿命、提高收集率、增加EV租赁比例、推广使用二手EV、增加LFP电池份额、客户偏好和LiB退化率等参数均影响CO₂排放。其中，延长EV寿命效果最显著（日本-4.26%，德国-3.02%），而增加LFP份额可降低排放（因LFP制造排放更低且退化率更低）。

**讨论与结论**
讨论部分指出，该方法的独特之处在于能够定量可视化国家特定情境（如市场）、商业模式和R策略之间的关系，帮助CE业务规划者和政策制定者研究各种参数的影响。通过与现有模型基准测试验证了模拟器的有效性（计算误差1.0%）。三个关键启示：1）控制LiB出口是紧迫问题，将商业模式从购买转向产品即服务模型（如EV租赁）有助于确保LiB可追溯性，还可结合数字技术和法规干预；2）改变用户行为至关重要，延长EV寿命和推广使用二手EV可减少CO₂排放；3）增加LFP份额可降低排放。研究局限性包括缺乏经济评估和需要进一步收集市场及循环策略数据。

**研究结论**：本文提出了一种基于仿真的CBVC设计方法，整合了情景分析与CBVC模拟器。主要贡献在于提供了一种系统化方法，设计CBVC时考虑需求与供给的动态平衡，该平衡因国家和市场而异。未来工作包括开发实用工具支持从业者实施该方法，并评估CBVC情景的影响。