逆向產(chǎn)品定位設(shè)計資源優(yōu)化綜合研究

導(dǎo)語：逆向產(chǎn)品定位設(shè)計資源優(yōu)化綜合研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：以再生資源為研究對象，以管道學(xué)和逆向物流理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了廢棄物質(zhì)資源化回收處理的逆向產(chǎn)品定位設(shè)計路徑，分析了逆向產(chǎn)品定位設(shè)計路徑的基本設(shè)計、設(shè)計方法和評價標準，并通過實證研究分析了其應(yīng)用效果。研究表明：逆向產(chǎn)品定位設(shè)計在節(jié)約金屬資源，減少廢棄產(chǎn)品的環(huán)境污染，提高我國重要金屬資源的利用率和自給能力等方面具有積極作用，同時也為建立靜脈產(chǎn)業(yè)和動脈產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的協(xié)同機制提供了參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：再生資源；逆向產(chǎn)品定位設(shè)計；回收再利用；靜脈產(chǎn)業(yè)

一、引言

新能源汽車行業(yè)是近年來國家大力支持和發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。2018年我國新能源汽車產(chǎn)量達到127萬輛，同比增長了59.9%。與此同時，2018年我國鋰離子電池產(chǎn)量持續(xù)快速增長。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，全年我國鋰離子電池累計產(chǎn)量達139.9億只，同比增長25.9%[1]。鋰離子動力電池需求增加也帶動了相關(guān)資源的需求量，比如制備鋰離子電池正極材料所需的鎳、鈷、錳等金屬資源。以鎳金屬為例，2019年中國純鎳出口3.66萬噸，進口有18.8萬噸，全年凈進口量為15.15萬噸。為提高礦產(chǎn)資源對經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的保障能力，保障資源的長期穩(wěn)定供給，2001年4月，經(jīng)國務(wù)院批準，我國實施了首部《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃》，結(jié)束了我國礦產(chǎn)資源管理無規(guī)劃可依的歷史，將礦產(chǎn)資源規(guī)劃列為國家規(guī)劃體系中的重要組成部分[2]。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，新一輪的《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃》陸續(xù)編制實施，2016年，《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020年）》出臺，首次將石油、天然氣、鎳、鈷、鋰、晶質(zhì)石墨等24種礦產(chǎn)列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄，強調(diào)要強化戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的保護與儲備[3]。本文擬探討金屬礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用對策，以廢舊鋰電池回收再制造為典型案例，分析其回收再利用過程，提出“逆向產(chǎn)品定位設(shè)計”路徑及理論框架，構(gòu)建鋰電池低碳經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈模型，幫助我國再生資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)建立高質(zhì)量、高品位、品牌化發(fā)展模式。

二、再生資源循環(huán)利用的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）再生資源循環(huán)利用的理論研究。20世紀中后期，人們意識到資源浪費的嚴重性，循環(huán)經(jīng)濟的思想逐漸萌芽，將資源獲取渠道從自然界中的原生資源擴展至城市廢棄物中的可再生資源，再生資源循環(huán)利用的相關(guān)研究也受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其研究方向可歸納為橫向體系、縱向體系、產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境支撐體系三個方面。橫向體系研究主要反映了不同類型的物質(zhì)在回收、處理處置、再利用等方面差異。羅家強[4]以德國建筑垃圾資源化回收利用為研究對象，總結(jié)出建筑垃圾的回收步驟主要包括來料檢測、初步篩選、破碎、磁選、機械篩選和產(chǎn)品分類六個環(huán)節(jié)，并根據(jù)材料粒徑的不同選擇資源化利用途徑。Elena Mossali[5]等人分析了鋰離子電池回收利用方案，并從能源消耗、回收效率和安全問題等方面比較了火法冶金和濕法冶金的利弊。Chris Slootweg[6]從生物地球化學(xué)循環(huán)的角度分析了碳、氮、磷的循環(huán)路徑，利用廢棄物資源實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟。縱向體系主要分析了構(gòu)建再生資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)鏈的理論方法和實施路徑。孫鶴行[7]等人通過研究逆向物流的回收模式及相應(yīng)的汽車逆向物流模式，構(gòu)建了以生產(chǎn)商、分銷商和回收處理企業(yè)為主的三種不同的報廢汽車回收模式。王磊[8]等人根據(jù)再生資源產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建原則從資源消耗、產(chǎn)業(yè)規(guī)模和創(chuàng)新能力3個層面構(gòu)建評價體系并運用區(qū)位熵法確定區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵產(chǎn)業(yè),構(gòu)建了京津冀區(qū)域鋼鐵、生物醫(yī)藥、石油化工和煤炭固廢綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈，達到了縱向角度系統(tǒng)性對再生資源產(chǎn)業(yè)鏈運行分析的目的。產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境支撐體系主要包括法律法規(guī)、政策、公民教育等方面。張越[9]等人分別從政策類型視角、政策作用對象、再生資源市場等角度分析了發(fā)達國家再生資源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)政策的作用機制和特點，從而提出中國對再生資源產(chǎn)業(yè)支持政策的優(yōu)化方向。李亞春[10]從政策及市場情況兩個角度綜合分析了歐美日等發(fā)達國家儲能電池回收處理經(jīng)驗，并結(jié)合我國儲能電池回收政策、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀提出了建設(shè)性意見。（二）我國再生資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要限制因素。與歐美發(fā)達國家相比[11]，我國的再生資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)起步較遲，發(fā)展落后，尚存在諸多問題及制約因素。在我國，廢舊物資由于源頭多、數(shù)量廣、地點分散，回收主要由民間回收從業(yè)者處理。然而，由于該行業(yè)政策法規(guī)不健全、二次污染問題突出、工作環(huán)境差、行業(yè)門檻低，大部分回收從業(yè)人員多為進城務(wù)工人員，呈現(xiàn)出“三低”的特征，即文化層次低、技術(shù)水平低、組織化程度低。他們主要聚集在各個城市的城鄉(xiāng)結(jié)合部，由此在這些地區(qū)形成了各類廢品集散市場，經(jīng)營分散、無序競爭，甚至是違法銷贓和報廢電器非法拆解，使得該行業(yè)呈現(xiàn)出“散”和“亂”的特征。消費者對再制造產(chǎn)品的認識和信任問題是我國再生資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的一個大的挑戰(zhàn)。一方面是由于再制造產(chǎn)品消費觀念還沒有得到廣泛的傳播，公眾對再制造概念認識不足，容易混淆再制造品與翻新件，再加上目前回收行業(yè)沒有建立完善的質(zhì)量標準，使消費者對再制造產(chǎn)品質(zhì)量缺乏信任。另一方面，我國消費者尚未建立綠色消費觀念，對“舊”“二手”“翻新”等關(guān)鍵詞存在天然的抵觸心理，寧愿高價買全新產(chǎn)品也不希望使用再制造產(chǎn)品。 綜上所述，要扭轉(zhuǎn)目前傳統(tǒng)回收行業(yè)的被動局面，提升我國資源回收利用的整體技術(shù)水平和品味，就不能僅僅把重點放在末端“治理”上，而是要構(gòu)建“生產(chǎn)——消費——回收——再制造”的閉合循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈，通過逆向產(chǎn)品定位設(shè)計，循環(huán)和梯級利用資源，進一步實現(xiàn)我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[13][14]。 

三、基于逆向產(chǎn)品定位設(shè)計的再生資源利用模式的構(gòu)建

（一）“逆向產(chǎn)品定位設(shè)計”的基本思想。逆向產(chǎn)品定位設(shè)計以逆向物流模式[15]為邏輯基礎(chǔ)，根據(jù)管道學(xué)[16]原理，通過再設(shè)計和再制造的方法把靜脈產(chǎn)業(yè)和動脈產(chǎn)業(yè)定向鏈接，建立可再生資源的定向回收利用路徑，在工業(yè)系統(tǒng)中實現(xiàn)資源可持續(xù)的物質(zhì)循環(huán)，以此構(gòu)建高值化、標準化、品牌化的再生資源閉合循環(huán)利用生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。逆向產(chǎn)品定位設(shè)計是從消費者手中回收廢棄物為起點，設(shè)計再生資源再制造路徑的過程。如圖1所示。其中，消費者代表產(chǎn)品使用者，生產(chǎn)者代表動脈產(chǎn)業(yè)中的產(chǎn)品制造商，分解者代表靜脈產(chǎn)業(yè)中的回收企業(yè)。在市場經(jīng)濟的作用下，生產(chǎn)者根據(jù)消費需求生產(chǎn)制造商品，分解者滿足消費者的廢棄物回收需求。根據(jù)回收物的不同，分解者以“減量化、高值化、再設(shè)計、再制造”為行為準則，設(shè)計不同的資源逆向循環(huán)路徑，采用高科技含量、高附加值、低耗能、低污染的回收技術(shù)獲取再生資源后，通過市場交易的方式把產(chǎn)品或副產(chǎn)品作為原材料輸送回流到產(chǎn)業(yè)鏈中的上游制造企業(yè)，即動脈產(chǎn)業(yè)中。通過產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈接組成一個結(jié)構(gòu)與功能互補、資源和信息共享、具有自我修復(fù)、自我適應(yīng)、自我循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)生態(tài)鏈網(wǎng)絡(luò)，組織成 “資源——產(chǎn)品——廢棄物——再生資源”的反饋式循環(huán)模型，循環(huán)利用生態(tài)鏈的物質(zhì)和能量，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的高效運行和可持續(xù)發(fā)展[17]。（二）“逆向產(chǎn)品定位設(shè)計”的設(shè)計方法。“逆向產(chǎn)品定位設(shè)計”的關(guān)鍵是對廢舊產(chǎn)品的再設(shè)計和再制造。再設(shè)計，是指回收企業(yè)根據(jù)市場需求和行業(yè)標準，設(shè)計出把廢棄品制造成生產(chǎn)原產(chǎn)品所需的原材料的最優(yōu)路徑，從廢棄產(chǎn)品中獲得的再生資源定向流通到制造原產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈中。再制造，是指生產(chǎn)商利用原廢棄產(chǎn)品所提取的原始物質(zhì)資源重新制造出適應(yīng)市場發(fā)展和滿足消費者需求的新產(chǎn)品或替代產(chǎn)品。該循環(huán)模式不僅可以緩解資源短缺的現(xiàn)狀，減少廢舊資源隨意填埋或焚燒對環(huán)境造成的污染，還能降低生產(chǎn)成本，具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益，符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展要求[18]。（三）“逆向產(chǎn)品定位設(shè)計”的評價標準。“逆向產(chǎn)品定位設(shè)計”經(jīng)歷了生產(chǎn)、消費、回收、再制造四個階段，貫通產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)，因此，要設(shè)計切實可行，兼具經(jīng)濟效益和社會效益的再利用路徑，必須充分發(fā)揮靜脈產(chǎn)業(yè)和動脈產(chǎn)業(yè)的協(xié)同效應(yīng)，確保兩者在回收利用水平和生產(chǎn)制造水平上步調(diào)一致[19]。評價一個產(chǎn)品是否采用了逆向產(chǎn)品定位設(shè)計理念，主要以“三同時”準則為依據(jù)，即回收企業(yè)在進行廢料資源化處理時要與再生產(chǎn)品制造企業(yè)同時設(shè)計、同時制造、同時投入生產(chǎn)和使用。市場需求多變，技術(shù)進步日新月異，回收企業(yè)設(shè)計產(chǎn)出的再生資源，其質(zhì)量和標準必須符合甚至領(lǐng)先于上游生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品需求，其產(chǎn)量要滿足上游企業(yè)的生產(chǎn)需求，其投入市場的速度要與制造企業(yè)產(chǎn)品投放的速度持平。此外，作為生產(chǎn)者，制造商也有責(zé)任設(shè)計和生產(chǎn)出易于分解和回收利用的產(chǎn)品，加大綠色采購力度，提高再制造品質(zhì)量，優(yōu)選再生資源生產(chǎn)商品，做好消費者教育，引導(dǎo)消費者選購可再生品，養(yǎng)成節(jié)約資源、垃圾分類的良好消費觀念和習(xí)慣。

四、從邦普廢舊動力電池回收切入鋰離子電池再制造產(chǎn)業(yè)路徑

（一）產(chǎn)業(yè)背景。據(jù)統(tǒng)計，2018 年我國電池總產(chǎn)量為 572 億只，其中鋰離子電池 139.88 億只，一次電池總量約 424.54 億只，太陽能電池 9605.34 萬 kW。隨著新能源汽車產(chǎn)量逐年增多，廢動力鋰離子電池產(chǎn)生量將大幅增加，預(yù)計到 2020 年中國新能源汽車產(chǎn)量將超過200萬輛，至 2025 年累計退役量約為 78 萬噸[11]。目前新能源汽車所使用的動力電池主要為磷酸鐵鋰電池及三元聚合物鋰電池。這些鋰電池中含有大量高經(jīng)濟價值的稀土金屬和有色金屬，如鈷、鋰、鎳、銅、鋁等。以常見的三元電池NCM111為例，鎳鈷錳含量分別占12%、3%和5%，而磷酸鐵鋰電池即使不含鈷、鎳等稀有金屬，其1.1%的鋰含量也顯著高于我國開發(fā)利用的品位僅為0.4-0.7%的原礦。通過拆解回收，鎳、鈷、錳等金屬元素可實現(xiàn)95%以上的回收率，經(jīng)進一步的資源化，可以生產(chǎn)出鎳、鈷、錳及鋰鹽，以及三元正極材料及其前驅(qū)體，將產(chǎn)品直接用于鋰電池電芯制造，構(gòu)建閉環(huán)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈[20]。我國資源總量大，人均少，資源稟賦不佳，以鎳為例， 2018年我國鎳產(chǎn)量為18.00萬噸，進口數(shù)量為21.34萬噸，出口數(shù)量為1.32萬噸。2019年中國純鎳出口3.66萬噸，進口有18.8萬噸，全年凈進口量為15.15萬噸。相比國內(nèi)精煉鎳產(chǎn)量15萬噸，也就是說去年國內(nèi)的純鎳消費一半靠自產(chǎn)、另一半依賴進口[21][22]。貴金屬價格的上漲及礦產(chǎn)資源的稀缺使原料回收成為電池市場中重要的部分。回收廢舊電池材料不僅回收效率高，還能降低電池生產(chǎn)成本，較直接開采礦石的生產(chǎn)方式更具有低價優(yōu)勢。據(jù)權(quán)威機構(gòu)測算，回收鈷、鎳、錳、鋰、鐵和鋁等金屬所創(chuàng)造的市場規(guī)模在2020年將達到136億元，2023年將超過300億元[20]。（二）研究應(yīng)用。廣東邦普循環(huán)科技有限公司主要從事廢舊電池及報廢汽車資源化回收處理和高端電池材料生產(chǎn)。目前業(yè)內(nèi)對預(yù)處理后的廢棄鋰電池的資源化處理方法包括火法、濕法和生物法三種[23]。邦普在濕法冶煉的基礎(chǔ)上，設(shè)計出以廢舊鋰電池資源化處理為起點，到制造新鋰電池為終點的電池逆向循環(huán)產(chǎn)品路徑，如圖2所示。廢舊鋰離子電池循環(huán)再造三元鋰電池正極材料的核心技術(shù)，是承接循環(huán)再造鎳鈷錳氫氧化物技術(shù)，創(chuàng)新開發(fā)的鎳鈷錳酸鋰合成技術(shù)。首先以廢舊鋰離子電池為原料，經(jīng)過預(yù)處理、浸出、提純、合成步驟，得到鎳鈷錳氫氧化物三元材料前驅(qū)體；然后將三元前驅(qū)體洗滌烘干，與碳酸鋰按一定比例配比均勻混合，在氧氣氛圍下，進行分段程序升溫?zé)崽幚恚刂茻Y(jié)溫度和時間，再經(jīng)過破碎、分級、除鐵、水洗等步驟，得到鎳鈷錳酸鋰三元正極材料，最終由電池制造企業(yè)制備成新的三元鋰電池，實現(xiàn)從廢品到高價值產(chǎn)品的逆向轉(zhuǎn)化。（三）效果評估。1、經(jīng)再設(shè)計再利用后，廢舊電池中的鎳鈷錳金屬回收率可達99.3%以上，此外，廢舊電池及廢水中的鐵、銅、鋁等有價資源回收率達95%以上，可以粗制副產(chǎn)品直接對外銷售制造再生金屬。此舉不僅實現(xiàn)了廢舊鋰電池資源化處理，減少電池環(huán)境污染，還實現(xiàn)了新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)鏈從“生產(chǎn)—使用—報廢——回收——生產(chǎn)”的終端到始端的閉合接軌，緩解了我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展對鎳、鈷、錳等重要金屬資源的對外依存度。2、采用該技術(shù)制成的鎳鈷錳酸鋰產(chǎn)品比容量達200mAh/g以上，首次充放電效率大于90%，在提高鎳鈷錳酸鋰中的鎳含量，提升電池容量及增加電池循環(huán)壽命上有顯著的效果，提高了行業(yè)標準，進一步推動新能源汽車技術(shù)的發(fā)展。3、逆向產(chǎn)品定位設(shè)計有著節(jié)能、環(huán)保、低碳、高效的特點，在實現(xiàn)廢舊資源減量化、無害化、資源化、高值化上有著顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，符合綠色生產(chǎn)和綠色制造的要求，成為企業(yè)樹立綠色發(fā)展的行業(yè)形象，打造高端品牌，贏得市場聲譽的重要抓手。（四）應(yīng)用價值。1、有利于解決經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護、資源短缺間的矛盾盡管鋰離子電池不含汞、鉻、鉛等重金屬物質(zhì)，被視為環(huán)保電源，但其化學(xué)物質(zhì)在填埋、焚燒以及小型和土法冶煉廠回收處理進入環(huán)境后仍會對環(huán)境產(chǎn)生污染，電池中的電解液也會成為污染土壤和地下水的隱患，長此以往會對環(huán)境和人類健康造成嚴重威脅。因此，對廢舊鋰離子電池逆向再設(shè)計、再利用技術(shù)路徑的開發(fā)，不僅有利于環(huán)境保護，還可以緩解我國資源緊張的問題，提高金屬資源的利用率[24]。2、有利于提高新能源汽車產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵配套材料的自給能力在新能源汽車產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)動力電池所需的鎳、鈷、錳等金屬材料的對外依存度較高。尤其是2020年初突如其來的病毒疫情爆發(fā)，重創(chuàng)全球供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈，全球進出口貿(mào)易受到嚴重沖擊，幾乎所有生產(chǎn)電池制造所需的鋰和其他金屬方面至關(guān)重要的國家都推出了居家隔離或交通物流限制措施，以控制病毒的傳播。疫情在全球的大流行使經(jīng)濟全球化面臨諸多挑戰(zhàn)，很多國家的政策會轉(zhuǎn)向內(nèi)向發(fā)展、自主發(fā)展和有保障的發(fā)展等。通過逆向產(chǎn)品定位設(shè)計可以實現(xiàn)本地廢舊鋰離子電池的資源化、高值化利用，有利于緩解產(chǎn)業(yè)發(fā)展對鎳、鈷、錳等重要金屬資源的對外依存度，提升我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵配套材料的自給能力，穩(wěn)定市場供應(yīng)，進一步完善綠色產(chǎn)品生態(tài)體系。3、有利于企業(yè)挖潛增效，提高經(jīng)濟效益在生產(chǎn)經(jīng)營中，生產(chǎn)商如果使用可再循環(huán)的原材料，可以節(jié)約生產(chǎn)成本，從而提高企業(yè)在成本方面的競爭優(yōu)勢[25]。對于回收商而言，廢棄產(chǎn)品的規(guī)模化、資源化、無害化處理能提高產(chǎn)品的附加值，給企業(yè)帶來客觀的利潤，還能為企業(yè)創(chuàng)造巨大的效益。實施逆向產(chǎn)品定位設(shè)計有利于促進下游回收企業(yè)與上游生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)接軌、信息共享、市場互通，形成規(guī)模效應(yīng)，推動企業(yè)針對產(chǎn)品的包裝、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、用料等進行改良，使其易于回收和再利用，推動技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

五、未來展望

研究表明，逆向產(chǎn)品設(shè)計不僅能節(jié)約金屬資源，減少廢棄產(chǎn)品對環(huán)境污染的隱患，還能幫助上游生產(chǎn)企業(yè)大大降低原材料的成本，推動下游回收企業(yè)建立再生資源高值化、無害化的處理方式，建立可持續(xù)發(fā)展的閉合循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。然而由于現(xiàn)實生活中回收企業(yè)要處理的產(chǎn)品數(shù)量眾多，導(dǎo)致了回收處理方和各個生產(chǎn)制造方的信息不完全一致，缺乏完善的信息溝通系統(tǒng)，上游企業(yè)和下游企業(yè)間很難實現(xiàn)信息流通、集成與共享，嚴重制約了物質(zhì)資源的循環(huán)利用率，因此在今后的研究中還需要考慮逆向物流中信息傳遞的暢通性。此外，本次研究應(yīng)用是針對鋰離子電池這一特定產(chǎn)品提出的個案研究，對其他產(chǎn)品或行業(yè)的適應(yīng)性缺乏論證，未來還需要構(gòu)建一種具有普適性的逆向產(chǎn)品定位設(shè)計模型和路徑。

作者:劉穎珊 余海軍 謝英豪 吳奔奔 單位:1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司 2.湖南大學(xué)機械與運載工程學(xué)院