《Journal of Energy Storage》：Unlocking second-life battery potential to mitigate lithium demand in China's energy storage systems
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冯汉|高杰|曹子豪|杨东|曾安琪|朱文松|毛瑞昌|史峰山东科技大学（山东科学院）科技发展研究所，济南，250100，中国摘要中国雄心勃勃的碳中和目标以及可再生能源的迅速发展凸显了对锂离子电池储能的需求，这加剧了锂供应的挑战。退役的电动汽车电池通过二次利用提供了一种可行的解决方案。
冯汉|高杰|曹子豪|杨东|曾安琪|朱文松|毛瑞昌|史峰
山东科技大学（山东科学院）科技发展研究所，济南，250100，中国
摘要
中国雄心勃勃的碳中和目标以及可再生能源的迅速发展凸显了对锂离子电池储能的需求，这加剧了锂供应的挑战。退役的电动汽车电池通过二次利用提供了一种可行的解决方案。然而，它们在循环经济中维持电池储能系统（BESS）的潜力至今尚未得到充分探索。在这里，我们开发了一个基于锂动态物质流分析的储能模型，以评估退役电池在中国能源转型中减少初级锂需求的作用。模型考虑了电池寿命、回收效率、技术进步和市场动态等关键因素。结果显示，到2060年，退役电池的容量将增加46倍。预计从2051年开始，二次利用的磷酸铁锂电池将完全满足BESS对锂的需求。具体而言，二次利用的锂贡献将从2030年的2.3千吨稳步增长到2060年的16千吨，而在使用中的锂库存将在2054年达到峰值254千吨。此外，引入镍钴锰电池后，二次利用的应用潜力进一步提高了14年，从而能够在2037年满足BESS的需求。这些发现突显了退役电池二次利用在中国支持可持续能源储存和锂管理方面的潜力。
引言
中国能源系统的脱碳进程加剧了对可再生能源的关注，风能和太阳能已成为国家清洁能源转型的关键来源[1]、[2]、[3]。然而，它们的不稳定性和间歇性对电网稳定性构成了挑战，因此需要部署大规模的储能系统[4]。在过去十年中，锂离子电池已成为主导的储能技术，具有高效率和快速响应能力[5]。2023年，中国新安装的储能系统中有97%依赖于锂离子电池[6]，随着可再生能源的扩展，锂的需求呈指数级增长[7]、[8]。
BESS的快速部署对关键能源金属产生了巨大需求[9]。尽管中国是全球最大的锂电池制造商，但由于其全球锂储量份额有限且供应风险不断增加[10]，在能源转型过程中面临重大挑战。到2040年，中国能源行业的锂需求将增加25倍[11]，远远超过国内资源供应能力。这种不平衡凸显了通过二次利用电动汽车（EV）退役电池（RBs）来增强锂可持续性的重要性，以维持BESS[12]。然而，RBs可用性的波动性以及循环经济实践的不完善，引发了对BESS锂供应可持续性的担忧。
为了解决潜在的供应短缺和环境问题，物质流分析被广泛用于追踪和量化锂的生产、使用和生命周期管理[7]、[13]。最近的研究强调了由促进风能和太阳能电网整合的政策推动的储能系统对锂需求的增长[4]、[14]。在绿色转型的背景下，当电动汽车电池容量降至80%时，循环经济实践（如重新使用和回收电池）的重要性得到了强调[15]、[16]。尽管如此，循环经济的不确定性仍然存在，包括收集率、回收效率以及二次材料的经济可行性[17]、[18]、[19]。多项研究还考虑了二次利用电池（SLBs）的性能，涉及电池的使用、处置和回收[20]、[21]、[22]。研究发现，通过延迟回收和减少原材料需求，SLBs可以实现显著的资源和碳节约[21]、[23]、[24]。尽管目前RBs在储能系统中的级联利用受到技术安全和经济问题的限制，但其市场潜力仍然巨大[25]。例如，Kamran等人的研究[26]和Xu等人的研究[27]表明，重新利用报废车辆电池可以分别满足英国和欧盟未来的电网储能需求。
然而，目前仍缺乏长期和系统的物质流分析结果来动态估计储能需求与退役电池供应之间的锂流动。现有的研究，如刘等人的研究[28]和李等人的研究[29]，已经考察了循环经济策略下储能系统中的锂代谢。然而，这些模型未能充分捕捉到非线性市场波动（如政策变化和技术进步）或与相邻系统的动态依赖性，包括RBs在储能应用中的二次使用。这一问题在中国尤为突出，因为这里电动汽车销量快速增长，拥有全球最大的锂电池库存[30]，SLB市场尚未得到规范[31]，并且正在大规模转向风能和太阳能[32]，这使得情况更加复杂。研究空白主要体现在三个领域：（1）尽管已经认识到RBs的级联利用潜力，但缺乏长期情景分析，探讨这些电池在不同政策、技术和市场动态下的表现[33]，这与中国的长期碳目标相关，因此迫切需要动态建模；（2）影响因素（如退役EV电池的质量和回收效率[30]）之间的相互作用尚不明确，这给SLBs的应用规模化带来了不确定性；（3）在中国背景下，缺乏全面评估初级和二次锂供应、BESS锂需求、电池寿命以及不断发展的电池回收技术的综合评估。
在这里，我们开发了一个基于锂动态物质流分析的储能模型，以评估2010年至2060年中国可再生能源领域内的锂流动和库存情况。通过纳入电池寿命、回收效率和不断发展的能源政策等关键因素，该模型评估了SLBs在减少BESS中初级锂需求中的作用。我们希望解决以下问题：（1）相对于快速增长的BESS需求，RBs的锂可用性的总体趋势是什么？（2）BESS中的在使用中的锂库存何时达到峰值，以及SLBs的级联利用何时能够满足中国的锂需求？（3）如何实施系统的供需措施，以有效缓解潜在的锂供应风险？
章节摘录
系统边界
图1展示了本研究的系统边界。系统边界涵盖了锂的整个代谢过程，包括采矿、制造、使用、再利用、回收和处置阶段。本研究重点关注BESS内的循环经济实践，特别是SLBs的作用。
退役电池（RBs）优先通过再制造过程进行再利用——这里定义为对退役电池的系统性拆卸、测试、分类、重新组装和重新包装
退役电池供应和储能需求
图2展示了三个阶段内安装的电动汽车电池容量的轨迹：（1）起步阶段（2010-2020年），年均增长5 GWh；（2）快速增长阶段（2021-2040年），年均增长增至52 GWh；（3）成熟期（2041-2060年），增长放缓。2020年后新安装的电动汽车电池容量快速增长主要是由于市场渗透率的提高（图2a）和平均电池容量的增加（图2
结论
本研究系统地评估了二次利用电动汽车电池在循环经济框架下满足电池储能系统锂需求的潜力。通过将动态物质流分析模型与电池需求和退役预测相结合，我们的结果表明，尽管短期内对初级锂的整体需求将持续增长，但重新利用的电池有望随着时间的推移抵消大部分需求。
CRediT作者贡献声明
冯汉：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法论、研究设计、资金获取、数据管理、概念构思。高杰：撰写——初稿撰写、方法论设计、研究设计、数据管理。曹子豪：撰写——初稿撰写、方法论设计、研究设计、数据管理。杨东：验证、软件开发、方法论设计、资金获取。曾安琪：撰写——审稿与编辑、资金获取。朱文松：可视化展示、验证、资源协调、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金[42471317, 72204270]、教育部的人文与社会科学项目[24YJCZH081, 22YJCZH010]，以及山东省泰山学者计划[tsqn202507250, tsqn202507245]的支持。
