探索欧盟锂离子电池未来循环性情景：一种系统动力学方法

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Exploring future circularity scenarios of lithium-ion batteries in the European Union: A system dynamics approach

　　

欧盟向气候中和转型正在加速对锂离子电池（LIBs）的需求，以推动汽车和家庭部门电气化。这使得欧洲地区在材料供应、寿命终止（EOL）管理和回收能力方面易受脆弱性影响。尽管对电池循环性的研究日益增多，现有模型通常针对单个国家或孤立的寿命终止路径，缺乏全面的欧盟范围、多路径视角。本研究开发了一种系统动力学（SD）模型，以评估至2050年整个EU-27国家车辆和固定电池市场、寿命终止流以及材料回收的长期演变，整合了国家层面异质性和阴极化学转变。分析量化了延长使用、再制造、重复利用和回收之间的相互作用如何塑造未来电池需求、材料依赖性和自给自足。结果显示，到2050年，电动汽车将主导电池需求。淘汰政策和高重复利用率降低了固定需求，但增加了对电动汽车电池进口的依赖。收集和回收能力必须大幅扩展以满足监管目标，尽管回收基础设施仍集中在少数国家。在协调扩展努力下，锂、镍和钴等关键原材料的回收可以部分满足欧洲自给自足目标。本研究的发现强调，过度二次寿命部署会延迟材料回收，而平衡整合再制造和回收可改善循环性和资源弹性。为实现欧洲可持续性目标，实施灵活、化学特定和区域整合的战略至关重要。这些战略应连接电池设计、收集和回收基础设施，以平衡循环经济目标与资源安全。

**论文解读：欧盟锂离子电池未来循环性情景的系统动力学分析**

**研究背景与问题**
欧盟为实现气候中和，正加速推动汽车和家庭部门电气化，导致对锂离子电池（LIBs）的需求激增。然而，这一转型使欧洲面临材料供应脆弱性、寿命终止（EOL）管理不足以及回收能力有限的挑战。现有研究多聚焦单一国家或孤立的EOL路径，缺乏覆盖EU-27全境的、多路径耦合的系统视角。此外，重复利用与回收之间的动态权衡、基础设施容量瓶颈以及国家间异质性尚未被充分量化。因此，本研究旨在开发一个系统动力学（SD）模型，以评估2020至2050年间多政策、技术及循环策略下EOL锂离子电池的长期影响，并回答两个核心问题：EOL电池在不同路径间的动态分配如何影响电池需求、基础设施需求和EOL流；以及二次材料回收能否满足欧盟2036年锂、镍、钴的回收目标，并减少对原生进口的依赖。论文发表在《RENEWABLE》。

**关键技术与方法**
研究人员采用系统动力学（SD）建模方法，构建了包含八个模块的存量-流量模型，以因果回路图（CLD）表征反馈回路，并在AnyLogic平台上实现。模型覆盖EU-27所有国家，集成了国家层面异质性（如车辆保有量、GDP增长、可再生能源容量）和阴极化学转变（如LFP、NMC811等）。情景设计采用全因子设计，共864个情景，涵盖八个关键参数：电动汽车（EV）份额增长、固定储能（SES）需求、重复利用比例、回收比例、EV电池寿命、电池化学组合、延长使用采用率以及基础设施延迟。数据来源包括Eurostat、OECD、JRC等官方报告及同行评审文献。

**研究结果**
**6.1 需求与供给**
通过模拟不同情景下的EV和SES锂离子电池净需求，研究发现：EV电池需求在2050年达到中位数约13,320 kt，其中BAU（无淘汰）情景比BAN（2035年淘汰内燃机）情景需求降低17.09%；SES需求在重复利用比例为0.75时下降50.76%，显示重复利用对固定储能需求的显著抑制效应。进口依赖方面，高重复利用比例（0.75）使进口增加150.94%，而BAU情景则减少40.70%。

**6.2 基础设施容量**
模型量化了收集、再制造和回收能力的扩展需求。收集能力中位数从2020年的0.14 kt增长至2050年的5.20 Mt，其中BAU情景降低9.40%。再制造能力受重复利用比例影响最大：比例从0.25升至0.75时，能力下降66.17%。回收能力增长相对平缓，中位数至2050年达1.02 Mt，但延迟设施调试（8年 vs 5年）导致自给自足率降低约16.1%。回收能力集中在德国、意大利、西班牙、法国和荷兰等少数国家，而多数东欧及南欧小国需求低于10 kt，凸显地理集中性。

**6.3 寿命终止路径**
延长使用电池存量从2020年的0.08 kt增至2050年的30.36 kt，受重复利用比例正向影响（+7.97%）。再制造电池使用量中位数于2050年达1,537 kt，但高重复利用比例（0.75）使其减少62.94%。重复利用电池使用量在2050年达269.3 kt，受重复利用比例（+54.43%）和SES增长（+29.30%）驱动。回收电池量在2050年达465–1,685 kt，回收比例每提升0.5级，产出增加9.49%–18.83%。

**6.4 材料与目标**
锂需求中位数至2050年达105.74 kt，对应欧盟2036年12%回收目标需12.69 kt；镍需求达370.34 kt，目标需约44.10 kt；钴需求达58.83 kt，目标需约7.06 kt。回收自给自足方面，锂、镍、钴在最大情景下分别于2050年达141.82%、146.22%和97.26%，可满足目标，但需最大化回收比例并避免基础设施延迟。Ni-dominant化学组合使镍提取需求增加67.37%，而Fe-based路径则降低依赖但增大电池总质量。

**讨论与结论**
讨论指出，过度侧重重复利用会减少再制造产出并降低回收量，导致锂、镍、钴提取需求分别增加3.50%、4.53%和5.34%；而回收比例是提升自给自足的最强杠杆（锂+9.49%–18.99%，镍+15.69%–33.76%）。基础设施延迟（?16.1%）和BAN淘汰政策（?10.9%–11.8%）抵消部分收益。研究强调，循环经济框架内存在结构性张力：延长使用和二次寿命减少原生需求，但延迟材料回收，需平衡高级别活动与回收基础设施的运营连续性。结论部分翻译如下：本研究模拟了至2050年EU-27电池市场发展的多种情景，开发了整合技术、行为、基础设施和政策驱动因素的SD模型。建议采取平衡的废物管理策略，辅以协调的基础设施，以达成欧盟循环性和可持续性目标。过度关注二次寿命会推迟材料回收，而增加回收可提升自给自足但提高短期储能需求。回收能力集中于少数国家，凸显需要灵活、化学特定和区域整合的政策，连接产品设计、收集和回收。这些发现提示：重复利用与回收原料可用性之间的权衡需要动态EOL分配机制；回收能力集中性和调试延迟要求协调欧盟内部物流和加速许可；再制造与原料冲突可通过多利益相关方治理结构（如电池护照）解决；化学轨迹敏感性要求化学特定监管路径；回收比例作为主导杠杆，需结合扩展生产者责任。研究局限性包括经济与成本动态的抽象化，未来应整合环境与经济评估模块。