逆向产品定位设计资源优化综合研究

摘要：以再生资源为研究对象，以管道学和逆向物流理论为基础，构建了废弃物质资源化回收处理的逆向产品定位设计路径，分析了逆向产品定位设计路径的基本设计、设计方法和评价标准，并通过实证研究分析了其应用效果。研究表明：逆向产品定位设计在节约金属资源，减少废弃产品的环境污染，提高我国重要金属资源的利用率和自给能力等方面具有积极作用，同时也为建立静脉产业和动脉产业可持续发展的协同机制提供了参考和借鉴作用。

关键词：再生资源；逆向产品定位设计；回收再利用；静脉产业

一、引言

新能源汽车行业是近年来国家大力支持和发展的朝阳产业。2018年我国新能源汽车产量达到127万辆，同比增长了59.9%。与此同时，2018年我国锂离子电池产量持续快速增长。国家统计局数据显示，全年我国锂离子电池累计产量达139.9亿只，同比增长25.9%[1]。锂离子动力电池需求增加也带动了相关资源的需求量，比如制备锂离子电池正极材料所需的镍、钴、锰等金属资源。以镍金属为例，2019年中国纯镍出口3.66万吨，进口有18.8万吨，全年净进口量为15.15万吨。为提高矿产资源对经济社会可持续发展的保障能力，保障资源的长期稳定供给，2001年4月，经国务院批准，我国实施了首部《全国矿产资源规划》，结束了我国矿产资源管理无规划可依的历史，将矿产资源规划列为国家规划体系中的重要组成部分[2]。随着经济社会发展，新一轮的《全国矿产资源规划》陆续编制实施，2016年，《全国矿产资源规划（2016—2020年）》出台，首次将石油、天然气、镍、钴、锂、晶质石墨等24种矿产列入战略性矿产目录，强调要强化战略性矿产的保护与储备[3]。本文拟探讨金属矿产资源的可持续利用对策，以废旧锂电池回收再制造为典型案例，分析其回收再利用过程，提出“逆向产品定位设计”路径及理论框架，构建锂电池低碳经济产业链模型，帮助我国再生资源循环利用产业建立高质量、高品位、品牌化发展模式。

二、再生资源循环利用的发展现状

（一）再生资源循环利用的理论研究。20世纪中后期，人们意识到资源浪费的严重性，循环经济的思想逐渐萌芽，将资源获取渠道从自然界中的原生资源扩展至城市废弃物中的可再生资源，再生资源循环利用的相关研究也受到国内外学者的广泛关注，其研究方向可归纳为横向体系、纵向体系、产业发展环境支撑体系三个方面。横向体系研究主要反映了不同类型的物质在回收、处理处置、再利用等方面差异。罗家强[4]以德国建筑垃圾资源化回收利用为研究对象，总结出建筑垃圾的回收步骤主要包括来料检测、初步筛选、破碎、磁选、机械筛选和产品分类六个环节，并根据材料粒径的不同选择资源化利用途径。Elena Mossali[5]等人分析了锂离子电池回收利用方案，并从能源消耗、回收效率和安全问题等方面比较了火法冶金和湿法冶金的利弊。Chris Slootweg[6]从生物地球化学循环的角度分析了碳、氮、磷的循环路径，利用废弃物资源实现循环经济。纵向体系主要分析了构建再生资源循环利用产业链的理论方法和实施路径。孙鹤行[7]等人通过研究逆向物流的回收模式及相应的汽车逆向物流模式，构建了以生产商、分销商和回收处理企业为主的三种不同的报废汽车回收模式。王磊[8]等人根据再生资源产业链的构建原则从资源消耗、产业规模和创新能力3个层面构建评价体系并运用区位熵法确定区域内关键产业,构建了京津冀区域钢铁、生物医药、石油化工和煤炭固废综合利用产业链，达到了纵向角度系统性对再生资源产业链运行分析的目的。产业发展环境支撑体系主要包括法律法规、政策、公民教育等方面。张越[9]等人分别从政策类型视角、政策作用对象、再生资源市场等角度分析了发达国家再生资源产业领域相关政策的作用机制和特点，从而提出中国对再生资源产业支持政策的优化方向。李亚春[10]从政策及市场情况两个角度综合分析了欧美日等发达国家储能电池回收处理经验，并结合我国储能电池回收政策、技术、产业发展现状提出了建设性意见。（二）我国再生资源循环利用产业发展的主要限制因素。与欧美发达国家相比[11]，我国的再生资源循环利用产业起步较迟，发展落后，尚存在诸多问题及制约因素。在我国，废旧物资由于源头多、数量广、地点分散，回收主要由民间回收从业者处理。然而，由于该行业政策法规不健全、二次污染问题突出、工作环境差、行业门槛低，大部分回收从业人员多为进城务工人员，呈现出“三低”的特征，即文化层次低、技术水平低、组织化程度低。他们主要聚集在各个城市的城乡结合部，由此在这些地区形成了各类废品集散市场，经营分散、无序竞争，甚至是违法销赃和报废电器非法拆解，使得该行业呈现出“散”和“乱”的特征。消费者对再制造产品的认识和信任问题是我国再生资源循环利用产业发展面临的一个大的挑战。一方面是由于再制造产品消费观念还没有得到广泛的传播，公众对再制造概念认识不足，容易混淆再制造品与翻新件，再加上目前回收行业没有建立完善的质量标准，使消费者对再制造产品质量缺乏信任。另一方面，我国消费者尚未建立绿色消费观念，对“旧”“二手”“翻新”等关键词存在天然的抵触心理，宁愿高价买全新产品也不希望使用再制造产品。 综上所述，要扭转目前传统回收行业的被动局面，提升我国资源回收利用的整体技术水平和品味，就不能仅仅把重点放在末端“治理”上，而是要构建“生产——消费——回收——再制造”的闭合循环产业链，通过逆向产品定位设计，循环和梯级利用资源，进一步实现我国经济社会的可持续发展[13][14]。 

三、基于逆向产品定位设计的再生资源利用模式的构建

（一）“逆向产品定位设计”的基本思想。逆向产品定位设计以逆向物流模式[15]为逻辑基础，根据管道学[16]原理，通过再设计和再制造的方法把静脉产业和动脉产业定向链接，建立可再生资源的定向回收利用路径，在工业系统中实现资源可持续的物质循环，以此构建高值化、标准化、品牌化的再生资源闭合循环利用生态产业链。逆向产品定位设计是从消费者手中回收废弃物为起点，设计再生资源再制造路径的过程。如图1所示。其中，消费者代表产品使用者，生产者代表动脉产业中的产品制造商，分解者代表静脉产业中的回收企业。在市场经济的作用下，生产者根据消费需求生产制造商品，分解者满足消费者的废弃物回收需求。根据回收物的不同，分解者以“减量化、高值化、再设计、再制造”为行为准则，设计不同的资源逆向循环路径，采用高科技含量、高附加值、低耗能、低污染的回收技术获取再生资源后，通过市场交易的方式把产品或副产品作为原材料输送回流到产业链中的上游制造企业，即动脉产业中。通过产业生态链接组成一个结构与功能互补、资源和信息共享、具有自我修复、自我适应、自我循环的可持续发展的循环生态链网络，组织成 “资源——产品——废弃物——再生资源”的反馈式循环模型，循环利用生态链的物质和能量，实现产业系统的高效运行和可持续发展[17]。（二）“逆向产品定位设计”的设计方法。“逆向产品定位设计”的关键是对废旧产品的再设计和再制造。再设计，是指回收企业根据市场需求和行业标准，设计出把废弃品制造成生产原产品所需的原材料的最优路径，从废弃产品中获得的再生资源定向流通到制造原产品的产业链中。再制造，是指生产商利用原废弃产品所提取的原始物质资源重新制造出适应市场发展和满足消费者需求的新产品或替代产品。该循环模式不仅可以缓解资源短缺的现状，减少废旧资源随意填埋或焚烧对环境造成的污染，还能降低生产成本，具有较大的经济效益和社会效益，符合循环经济的发展要求[18]。（三）“逆向产品定位设计”的评价标准。“逆向产品定位设计”经历了生产、消费、回收、再制造四个阶段，贯通产业链上下游企业，因此，要设计切实可行，兼具经济效益和社会效益的再利用路径，必须充分发挥静脉产业和动脉产业的协同效应，确保两者在回收利用水平和生产制造水平上步调一致[19]。评价一个产品是否采用了逆向产品定位设计理念，主要以“三同时”准则为依据，即回收企业在进行废料资源化处理时要与再生产品制造企业同时设计、同时制造、同时投入生产和使用。市场需求多变，技术进步日新月异，回收企业设计产出的再生资源，其质量和标准必须符合甚至领先于上游生产企业的产品需求，其产量要满足上游企业的生产需求，其投入市场的速度要与制造企业产品投放的速度持平。此外，作为生产者，制造商也有责任设计和生产出易于分解和回收利用的产品，加大绿色采购力度，提高再制造品质量，优选再生资源生产商品，做好消费者教育，引导消费者选购可再生品，养成节约资源、垃圾分类的良好消费观念和习惯。

四、从邦普废旧动力电池回收切入锂离子电池再制造产业路径

（一）产业背景。据统计，2018 年我国电池总产量为 572 亿只，其中锂离子电池 139.88 亿只，一次电池总量约 424.54 亿只，太阳能电池 9605.34 万 kW。随着新能源汽车产量逐年增多，废动力锂离子电池产生量将大幅增加，预计到 2020 年中国新能源汽车产量将超过200万辆，至 2025 年累计退役量约为 78 万吨[11]。目前新能源汽车所使用的动力电池主要为磷酸铁锂电池及三元聚合物锂电池。这些锂电池中含有大量高经济价值的稀土金属和有色金属，如钴、锂、镍、铜、铝等。以常见的三元电池NCM111为例，镍钴锰含量分别占12%、3%和5%，而磷酸铁锂电池即使不含钴、镍等稀有金属，其1.1%的锂含量也显著高于我国开发利用的品位仅为0.4-0.7%的原矿。通过拆解回收，镍、钴、锰等金属元素可实现95%以上的回收率，经进一步的资源化，可以生产出镍、钴、锰及锂盐，以及三元正极材料及其前驱体，将产品直接用于锂电池电芯制造，构建闭环循环产业链[20]。我国资源总量大，人均少，资源禀赋不佳，以镍为例， 2018年我国镍产量为18.00万吨，进口数量为21.34万吨，出口数量为1.32万吨。2019年中国纯镍出口3.66万吨，进口有18.8万吨，全年净进口量为15.15万吨。相比国内精炼镍产量15万吨，也就是说去年国内的纯镍消费一半靠自产、另一半依赖进口[21][22]。贵金属价格的上涨及矿产资源的稀缺使原料回收成为电池市场中重要的部分。回收废旧电池材料不仅回收效率高，还能降低电池生产成本，较直接开采矿石的生产方式更具有低价优势。据权威机构测算，回收钴、镍、锰、锂、铁和铝等金属所创造的市场规模在2020年将达到136亿元，2023年将超过300亿元[20]。（二）研究应用。广东邦普循环科技有限公司主要从事废旧电池及报废汽车资源化回收处理和高端电池材料生产。目前业内对预处理后的废弃锂电池的资源化处理方法包括火法、湿法和生物法三种[23]。邦普在湿法冶炼的基础上，设计出以废旧锂电池资源化处理为起点，到制造新锂电池为终点的电池逆向循环产品路径，如图2所示。废旧锂离子电池循环再造三元锂电池正极材料的核心技术，是承接循环再造镍钴锰氢氧化物技术，创新开发的镍钴锰酸锂合成技术。首先以废旧锂离子电池为原料，经过预处理、浸出、提纯、合成步骤，得到镍钴锰氢氧化物三元材料前驱体；然后将三元前驱体洗涤烘干，与碳酸锂按一定比例配比均匀混合，在氧气氛围下，进行分段程序升温热处理，控制烧结温度和时间，再经过破碎、分级、除铁、水洗等步骤，得到镍钴锰酸锂三元正极材料，最终由电池制造企业制备成新的三元锂电池，实现从废品到高价值产品的逆向转化。（三）效果评估。1、经再设计再利用后，废旧电池中的镍钴锰金属回收率可达99.3%以上，此外，废旧电池及废水中的铁、铜、铝等有价资源回收率达95%以上，可以粗制副产品直接对外销售制造再生金属。此举不仅实现了废旧锂电池资源化处理，减少电池环境污染，还实现了新能源汽车动力电池产业链从“生产—使用—报废——回收——生产”的终端到始端的闭合接轨，缓解了我国产业发展对镍、钴、锰等重要金属资源的对外依存度。2、采用该技术制成的镍钴锰酸锂产品比容量达200mAh/g以上，首次充放电效率大于90%，在提高镍钴锰酸锂中的镍含量，提升电池容量及增加电池循环寿命上有显著的效果，提高了行业标准，进一步推动新能源汽车技术的发展。3、逆向产品定位设计有着节能、环保、低碳、高效的特点，在实现废旧资源减量化、无害化、资源化、高值化上有着显著的经济效益和社会效益，符合绿色生产和绿色制造的要求，成为企业树立绿色发展的行业形象，打造高端品牌，赢得市场声誉的重要抓手。（四）应用价值。1、有利于解决经济发展和环境保护、资源短缺间的矛盾尽管锂离子电池不含汞、铬、铅等重金属物质，被视为环保电源，但其化学物质在填埋、焚烧以及小型和土法冶炼厂回收处理进入环境后仍会对环境产生污染，电池中的电解液也会成为污染土壤和地下水的隐患，长此以往会对环境和人类健康造成严重威胁。因此，对废旧锂离子电池逆向再设计、再利用技术路径的开发，不仅有利于环境保护，还可以缓解我国资源紧张的问题，提高金属资源的利用率[24]。2、有利于提高新能源汽车产业关键配套材料的自给能力在新能源汽车产业，生产动力电池所需的镍、钴、锰等金属材料的对外依存度较高。尤其是2020年初突如其来的病毒疫情爆发，重创全球供应链、产业链、价值链，全球进出口贸易受到严重冲击，几乎所有生产电池制造所需的锂和其他金属方面至关重要的国家都推出了居家隔离或交通物流限制措施，以控制病毒的传播。疫情在全球的大流行使经济全球化面临诸多挑战，很多国家的政策会转向内向发展、自主发展和有保障的发展等。通过逆向产品定位设计可以实现本地废旧锂离子电池的资源化、高值化利用，有利于缓解产业发展对镍、钴、锰等重要金属资源的对外依存度，提升我国新能源汽车产业关键配套材料的自给能力，稳定市场供应，进一步完善绿色产品生态体系。3、有利于企业挖潜增效，提高经济效益在生产经营中，生产商如果使用可再循环的原材料，可以节约生产成本，从而提高企业在成本方面的竞争优势[25]。对于回收商而言，废弃产品的规模化、资源化、无害化处理能提高产品的附加值，给企业带来客观的利润，还能为企业创造巨大的效益。实施逆向产品定位设计有利于促进下游回收企业与上游生产企业实现技术接轨、信息共享、市场互通，形成规模效应，推动企业针对产品的包装、设计、结构、用料等进行改良，使其易于回收和再利用，推动技术进步和产业发展。

五、未来展望

研究表明，逆向产品设计不仅能节约金属资源，减少废弃产品对环境污染的隐患，还能帮助上游生产企业大大降低原材料的成本，推动下游回收企业建立再生资源高值化、无害化的处理方式，建立可持续发展的闭合循环产业链。然而由于现实生活中回收企业要处理的产品数量众多，导致了回收处理方和各个生产制造方的信息不完全一致，缺乏完善的信息沟通系统，上游企业和下游企业间很难实现信息流通、集成与共享，严重制约了物质资源的循环利用率，因此在今后的研究中还需要考虑逆向物流中信息传递的畅通性。此外，本次研究应用是针对锂离子电池这一特定产品提出的个案研究，对其他产品或行业的适应性缺乏论证，未来还需要构建一种具有普适性的逆向产品定位设计模型和路径。

作者:刘颖珊 余海军 谢英豪 吴奔奔 单位:1.广东邦普循环科技有限公司 2.湖南大学机械与运载工程学院