《Journal of Energy Storage》：Second-life applications for retired electric vehicle batteries: Challenges, opportunities, and future directions
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电动汽车退役电池的再利用技术挑战与可持续解决方案研究，系统综述了第二生命电池（SLB）在技术、环境、经济及政策维度的应用现状，提出AI驱动的电池管理系统可提升性能稳定性，生命周期评估显示再利用较传统回收减少30-40%碳排放，但需解决电池退化建模、标准化评估及区域政策差异等关键问题。
阿米尔·侯赛因·阿扎德（AmirHossein Azad）、法拉兹·福鲁坦·尼亚（Faraz Forutan Nia）、阿姆贾德·安瓦里-莫加达姆（Amjad Anvari-Moghadam）、大卫·弗林（David Flynn）、米凯拉·隆戈（Michela Longo）、米亚德雷扎·沙菲-卡（Miadreza Shafie-khah）
伊朗阿拉克工业大学（Arak University of Technology）电气与计算机工程系
摘要
电子移动性的全球扩张，主要得益于电动汽车（EV）的快速普及，导致大量不再符合汽车性能要求的废旧电池产生。这一新趋势凸显了对创新、可持续且可扩展的管理策略的迫切需求，以应对环境和物流方面的挑战。本文提供了一个先进的综合性框架，涵盖了二次利用电池（SLB）部署的技术、环境、经济和政策方面。除了回顾现有做法外，本文还批判性地评估了影响SLB性能的退化过程、限制可靠性的诊断和建模难题，以及再利用过程中的技术空白。文章探讨了基于人工智能的预测技术和自适应管理策略的最新进展，这些技术有助于减少电池异质性、确保安全并延长其在固定储能应用中的使用寿命。生命周期评估表明，与传统的直接回收方式相比，再利用在减少碳足迹方面更为有效；然而，经济可行性仍主要取决于退化机制、物流条件和区域市场环境。当前监管框架的不一致性凸显了制定全球统一标准的必要性，以支持SLB的大规模商业化。
引言
过去十年间，电动汽车（EV）在交通领域确立了其地位。得益于技术突破、环境意识的提高以及化石燃料资源的减少，电子移动性在全球范围内彻底改变了交通行业[1,2]。这一趋势持续加速，预计到2025年底全球电动汽车销量将达到近8500万辆[1]。然而，这一增长也带来了新的挑战：专家估计，到2030年，不再适合汽车使用的废旧电动汽车电池每年将产生112至275吉瓦时的可再利用能量。这一数量相当于2023年全球锂离子电池产量的30-40%[3]。由于电池具有毒性和易燃性，属于危险废物，因此这一即将到来的电池退役潮迫切需要全球性的环境缓解措施。
为了充分发挥废旧电动汽车电池的潜力，建立集成的技术和经济系统以实现翻新、再利用和回收是必要的。通过先进的回收工艺实现材料回收是一种成熟的方法（目标是在2030年前回收95%的废旧电池）；同时，近期研究重点关注电池组件的再利用[4]。不过，最新策略侧重于将功能模块重新用于所谓的“二次利用”应用。这种转变不仅有助于降低储能成本，还能促进可再生能源的整合、增强电网灵活性，并延长电动汽车电池的价值链[3,4]。换句话说，日益增长的废旧电池数量可以转化为推动低碳转型的资源。
多项研究探讨了这一潜力，多篇综述文章涉及了二次利用电动汽车电池的不同方面。参考文献[5]通过预测建模、子系统分析和可持续性评估提供了延长电池使用寿命的综合性概述。参考文献[6]分析了回收过程、经济框架以及电动汽车电池在循环经济中的作用。参考文献[7]指出了安全性、性能评估和再利用方法方面的挑战。参考文献[8]强调了标准化、有效电池管理和监管适应性的必要性，以实现可靠的固定储能。类似地，参考文献[9]概述了从拆卸和分类到先进电池管理系统（BMS）设计的全过程。这些研究表明，人们对二次利用电池的应用表现出浓厚兴趣，但该领域仍处于发展阶段，远未完全成熟。尽管大多数研究集中在电池回收或提供总体概述上，但SLB应用的具体技术挑战尚未得到充分探讨。退化过程的不确定性、性能不可预测性、缺乏标准化评估方法以及汽车和固定储能需求之间的不匹配，持续阻碍了SLB大规模实施的可行性。同时，缺乏统一的监管标准和经济模型也使得构建稳健的二次利用生态系统变得困难。
本文从技术角度出发，回应了这些挑战，特别关注未解决的难题及新兴解决方案的比较分析。本研究的主要贡献包括：
•提供各行业二次利用电池项目的全球概览，突出关键经验和比较见解。
•探讨限制SLB部署的主要技术障碍，如退化机制、性能不一致性和预测建模的难度。
•评估支持技术，如基于人工智能的诊断和预测技术、先进的电池管理系统，并评估它们克服SLB应用当前挑战的潜力。
•通过生命周期评估（LCA）和成本效益分析，展示二次利用选项在可持续性方面的量化收益。
•分析监管框架和政策空白，探讨将SLB应用与循环经济原则和长期能源战略相协调的机会。
本文的其余部分结构如下：第2节回顾了全球范围内使用二次利用电池的项目和倡议；第3节分析了废旧电池再利用的技术挑战；第4节讨论了支持技术及其应用领域，重点介绍基于人工智能的管理工具；第5节量化了环境和经济影响；第6节分析了扩展SLB应用的监管框架和市场障碍；第7节总结了结论和未来研究方向。
章节摘录
电动汽车电池的多元化用途
电动汽车电池在其整个使用寿命期间（通常为5-10年）面临严苛的条件。电池组通常会经历超过1000次部分充电循环，同时承受广泛的温度范围（-20°C至70°C）、高放电深度（DOD）以及充放电过程中的高功率操作[10,11]。当电池组不再满足电动汽车运行所需的标准性能时，它会被从车辆中移除，从而结束其初次汽车用途。
二次利用电池的技术挑战
通过二次利用应用重新使用废旧电动汽车电池存在显著的技术挑战。电池老化、性能退化以及现有建模方法的局限性是确保SLB系统可靠性、安全性和经济可行性的主要技术难题。本节详细探讨了这些挑战，强调了潜在机制、性能问题和建模方法。人工智能和先进电池管理系统的作用
随着电动汽车的广泛采用，预计将产生大量废旧锂离子电池，尽管这些电池不再适合汽车使用，但仍具有用于低要求固定储能应用的足够容量[9,94]。从主要移动设备向次要固定或移动设备的转变带来了关键挑战，包括由于首次使用情况不同、退化状态和化学成分混合导致的电池组之间的异质性——即使在同一电动汽车型号内也是如此[95,96]。经济和环境影响
电动汽车的快速普及对减少温室气体（GHG）排放和向可持续能源转型具有重要意义。然而，电动汽车数量的增加引发了关于如何管理废旧电池及其经济和环境影响的担忧。本节全面分析了将废旧电池用于二次利用的应用所带来的环境和经济影响，并将其与回收和处置进行了比较。监管和政策考量
监管和政策在电动汽车电池二次利用的发展和性能中起着关键作用。随着废旧电池供应量的增加，迫切需要制定明确且完善的监管框架，以确保其再利用的安全性和环境可持续性。目前，不同地区的SLB监管标准存在显著差异。
结论
本文评估了将废旧电动汽车电池用于二次利用的可行性，以寻找一种可持续的电池生命周期管理方法。通过对工业项目现有数据的分析发现，尽管存在老化速率不均匀、市场敏感性和监管差异等挑战，但可以通过应用创新技术克服这些障碍。
最近的技术进步，如基于人工智能的智能电池管理系统（BMS），为这一问题提供了解决方案。
作者贡献声明
阿米尔·侯赛因·阿扎德（AmirHossein Azad）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、资源整理、概念构思。法拉兹·福鲁坦·尼亚（Faraz Forutan Nia）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。阿姆贾德·安瓦里-莫加达姆（Amjad Anvari-Moghadam）：撰写——审稿与编辑、监督工作。大卫·弗林（David Flynn）：撰写——审稿与编辑、监督工作。米凯拉·隆戈（Michela Longo）：撰写——审稿与编辑、监督工作。米亚德雷扎·沙菲-卡（Miadreza Shafie-khah）：撰写——审稿与编辑、监督工作。财务利益
作者们未从任何组织获得与本研究相关的财务支持。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
作者承认仅使用了Grammarly等人工智能工具来改进某些句子的英文拼写质量。人工智能工具未参与内容生成、解释或分析工作。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
