區塊鏈技術驅動的動力電池閉環供應鏈信息共享機制及契約協調

邵路路，李 鵬，張宗祥，羅 澳

（武漢工程大學管理學院，湖北武漢 430205）

0 引言

隨著全球環境不斷惡化與資源枯竭，各國政府都出臺了相應的碳減排政策以應對危機，中國政府也提出2030 年碳達峰與2060 年碳中和的“雙碳”目標。大力發展新能源汽車及其相關產業是我國政府應對環境變化、實現綠色可持續發展的一個重要舉措。截至2022 年年底，我國新能源汽車保有量達1 310 萬輛，同比增長67.13%［1］。同時，隨著新能源汽車產業的蓬勃發展，作為重要組成部件的動力電池也迎來大規模報廢階段。按照新能源動力電池4 年～6 年壽命進行估計，預計到2026 年我國動力電池退役量將超過92.6 萬噸。數量如此龐大的退役動力電池如果得不到妥善利用，不僅使社會經濟遭到極大損失，也會嚴重污染環境。面對將要到來的動力電池退役高潮，設計高效、準確的動力電池回收體系以及出臺明確的回收政策至關重要。然而，在我國動力電池回收體系建設的實踐過程中，回收主體不明確、供應鏈各參與者信息共享程度低以及退役動力電池管理落后等問題逐步暴露［2］。由此，我們需要建立一個完備的動力電池閉環供應鏈信息共享機制來解決上述問題，借鑒區塊鏈技術在數字金融、物聯網、供應鏈管理等諸多領域的應用，打造一個以區塊鏈技術的不可篡改性和可追溯性等功能為核心的供應鏈各主體共同參與的動力電池閉環供應鏈信息共享平臺。目前，動力電池龍頭企業寧德時代和比亞迪均已對動力電池回收體系與區塊鏈技術的結合進行了實踐探索。針對區塊鏈技術驅動的動力電池閉環供應鏈信息共享機制，考慮區塊鏈平臺建設成本、信息共享成本等現實因素，分析區塊鏈技術引入前后供應鏈各主體利潤變動及引入區塊鏈技術后供應鏈系統內部利潤再分配是目前動力電池閉環供應鏈研究的重要方向。

許多學者對退役動力電池回收進行了相關研究，如Hsieh 等［3］指出中國動力電池需求大幅增長加劇了鋰和鈷等資源的供應壓力，迫切需要構建合理的電池回收體系；焦建玲等［4］考慮不同回收主體模式下，再生材料收益對供應鏈收益及碳排放的影響；Tang 等［5］考慮三種單一回收渠道和三種競爭性雙重回收渠道，獎懲機制對供應鏈的影響；邱澤國等［6］以演化博弈研究方法為基礎，分析由整車廠和4S 店構成的二級閉環供應鏈對動力電池回收策略選擇；謝家平［7］分析了多級退役電池回收網絡中，不同回收模式下的最優決策，并研究契約協調對利潤的影響；Zhu 等［8］研究了兩個電動汽車制造商不同渠道結構下的均衡決策問題；Sun 等［9］研究了碳交易政策、電池續航能力和廣告效應對動力電池回收渠道選擇的影響。目前，針對動力電池回收的研究主要集中在回收體系建設方面，對動力電池閉環供應鏈內部信息共享以及退役動力電池管理等方面的研究還較少。

隨著區塊鏈技術的不斷發展，許多學者針對區塊鏈技術在供應鏈管理以及信息共享等方面的應用進行了研究。如Saberi 等［10］指出區塊鏈技術的應用可提高全球供應鏈管理效率，加強供應鏈信息共享；梁喜等［11］分析了采用區塊鏈技術時，雙渠道供應鏈定價和渠道選擇策略；孫中苗等［12］基于消費者對產品真偽的辨識需求，考慮區塊鏈技術對供應鏈最優定價策略的影響；曹陽春等［13］構建由政府驅動的區塊鏈產業協同創新博弈模型，探討區塊鏈產業的創新選擇問題；李劍等［14］設計基于區塊鏈驅動的供應鏈協同減排信息共享機制，供應鏈信息共享可以獲得額外收益；Zhang 等［15］研究了消費者隱私關注情況下，應用或不應用區塊鏈技術零售商的最優價格和利潤；劉露等［16］構建一個三級供應鏈體系，基于區塊鏈技術的信用傳遞功能，研究區塊鏈技術在供應鏈金融中的應用；Xu［17］探索了供應鏈應用區塊鏈技術的條件，且零售商和消費者總是從區塊鏈應用中獲得好處。同時，越來越多的消費者開始關注產品的溯源性信息［18］，以了解產品生態設計水平和質量，依靠區塊鏈技術驅動的產品溯源性信息共享機制，可以滿足消費者對產品溯源性信息的需求。

區塊鏈技術在動力電池閉環供應鏈中應用前景廣泛，但由于其成本和技術壁壘，目前只能由上游供應鏈參與者引入，這種“上游投資，下游收益”的現象無疑會降低上游參與者的積極性，因此需要引入協調機制，對供應鏈內部進行協調，提高各參與者的利潤。學術界對供應鏈協調機制進行了許多研究，代建生等［19］刻畫了期權契約下，協調供應鏈的期權契約和促銷成本分擔機制；He 等［20］探討了供應鏈雙向成本分擔契約對考慮碳排放和交付時間雙重敏感性，以及對最優決策的影響；劉珊等［21］研究考慮社會責任時，“收益共享-成本共擔”契約對最優決策的影響；Hou 等［22］分析了返利政策下，批發價格合同和收益分享契約對供應鏈最優決策影響；劉叢等［23］探討成本分擔契約、收益共享契約對“雙積分”政策汽車供應鏈最優決策的影響；吳成鋒等［24］針對零售商的公平關切行為，探究雙渠道綠色供應鏈的運營決策和契約協調。結合學術界的研究成果和動力電池閉環供應鏈建設的特點，要構建適合區塊鏈參與時的動力電池閉環供應鏈系統內部協調機制。

綜上所述，國內外學者圍繞動力電池回收體系建設、區塊鏈技術在供應鏈的應用、供應鏈內部協調等方面有不少研究，但對區塊鏈技術在動力電池閉環供應鏈中的應用及其內部協調機制的研究還較少。目前，Cheng 等［25］、張梅梅等［26］學者對區塊鏈技術在動力電池回收中的應用進行了初步研究，分別研究了區塊鏈技術應用對退役動力管理、回收體系建設、消費者對電池溯源信息需求等方面的影響。但上述研究沒有對這些因素進行綜合分析，也未考慮應用區塊鏈技術后動力電池閉環供應鏈內部的協調機制。因此，本文以單個動力電池生產商和單個新能源汽車生產商組成的二級動力電池閉環供應鏈為研究對象，構建由區塊鏈技術驅動的動力電池閉環供應鏈信息共享平臺，考慮區塊鏈技術的應用對正向供應鏈中消費者的影響以及逆向供應鏈中對退役動力電池回收、管理、檢測的影響。在此情形下，對比分析區塊鏈技術應用前后，供應鏈各參與者的最優決策，并探究應用區塊鏈技術后動力電池閉環供應鏈內部的協調機制。

1 問題描述與基本假設

本文構建由動力電池生產商和新能源汽車生產商組成的二級閉環供應鏈系統，動力電池生產商是斯坦伯格博弈中的領導者，新能源汽車生產商是決策追隨者。在正向供應鏈中，動力電池生產商以生產成本e生產新動力電池，再以批發價格pm出售給新能源汽車生產商，新能源汽車生產商以零售價pr出售給消費者。在逆向供應鏈中，新能源汽車生產商以回收價格wr從消費者處回收退役動力電池，動力電池生產商再以回收價格wm從新能源汽車生產商處回收，并對退役動力電池進行拆解回收和梯次利用。動力電池生產商還可以決定是否搭建由區塊鏈技術驅動的信息共享平臺以及“區塊鏈+信息共享”投入水平s。最后，為解決區塊鏈參與下分散決策時供應鏈總利潤降低的現象，引入“成本分擔+兩部定價”契約進行協調。不同模式下的退役動力電池回收模式如圖1 所示。

圖1 不同模式下的退役動力電池回收模式

假設1：參考謝家平等［6］、孫中苗等［12］、譚春橋［17］的研究，假設需求函數為。是新動力電池市場最大需求量，是消費者對新動力電池零售價格的敏感系數?！皡^塊鏈+信息共享”可以滿足消費者對產品溯源性信息的需求，本文將動力電池全生命周期信息視為動力電池的溯源性信息，需求函數中的γ代表消費者對動力電池全生命周期信息敏感度的均值。動力電池全生命周期信息可以在沒有區塊鏈技術的情況下被篡改，消費者無法相信供應鏈中傳播的信息，λ=0。區塊鏈參與時，由于區塊鏈技術的不可篡改性，消費者完全相信供應鏈中傳播的共享信息，此時λ=1。

假設2：動力電池生產商可以選擇搭建由區塊鏈技術驅動的動力電池全生命周期信息共享平臺將動力電池的全生命周期信息進行共享，并決定“區塊鏈+信息共享”的投入水平，投入水平越高，動力電池的全生命周期信息共享程度就越高。此時，動力電池生產商額外投資成本為“區塊鏈+信息共享”投入成本和區塊鏈信息共享平臺一次性建設成本，φ為“區塊鏈+信息共享”投入成本系數。

假設3：參考謝家平等［6］的研究，將退役動力電池回收函數設為，m是消費者自愿返還數量，n是消費者對退役動力電池回收價格敏感系數，且。

假設4：動力電池生產商負責對退役動力電池再利用，拆解回收收益為H，梯次利用收益為T，H＜T。由于管理混亂、檢測率低等原因，無區塊鏈參與的傳統模式下退役動力電池梯次利用率較低，為θ。區塊鏈參與下，“區塊鏈技術+信息共享”可以提高退役電池的管理效率并提高檢測率，此時退役動力電池梯次利用率為，k為“區塊鏈+信息共享”提升退役動力電池梯次利用率系數。同時，退役動力電池梯次利用率存在最大值

2 模型構建與求解

2.1 傳統模式與區塊鏈技術參與下的集中決策

集中決策時動力電池生產商和新能源汽車生產商以供應鏈總利潤最大化為目標，決策零售價格、回收價格、是否引入區塊鏈技術以及“區塊鏈+信息共享”投入水平。

2.1.1 無區塊鏈的傳統模式下集中決策（TC）

動力電池生產商和新能源汽車生產商作為一個整體進行決策，以實現供應鏈利潤最大化。正向供應鏈中決策零售價格，逆向供應鏈中決策回收價格。傳統模式下集中決策供應鏈利潤函數如式（1）所示：

2.1.2 區塊鏈參與下的集中決策（TD）

動力電池生產商和新能源汽車生產商作為整體，以供應鏈總利潤最大化為目標，對零售價格、回收價格以及“區塊鏈+信息共享”投入水平進行決策。區塊鏈技術參與下集中決策供應鏈利潤函數如式（2）所示：

2.2 傳統模式與區塊鏈技術參與下的分散決策

分散決策是動力電池生產商和新能源汽車生產商追求各自利益最大化的決策方式。兩階段斯坦伯格博弈模型中，動力電池生產商首先進行決策，決策批發價格、回收價格、是否引入區塊鏈以及“區塊鏈+信息共享”投入水平，新能源汽車生產商跟隨決策，決策零售價格和新能源汽車生產商回收價格。

2.2.1 無區塊鏈參與的傳統模式下分散決策（TD）無區塊鏈參與的傳統模式下分散決策，動力電池生產商和新能源汽車生產商獨立決策，博弈順序為：動力電池生產商首先決策批發價格和回收價格，新能源汽車生產商跟隨決策零售價格和新能源汽車生產商回收價格。動力電池生產商和新能源汽車生產商的利潤函數如式（3）-（4）所示：

2.2.2 區塊鏈參與下分散決策（BD）

區塊鏈技術參與下分散決策，博弈過程為：動力電池生產商先決策批發價格、回收價格和“區塊鏈+信息共享”投入水平，新能源汽車生產商跟隨決策，零售價格和新能源汽車生產商回收價格。此時，動力電池生產商和新能源汽車生產商的利潤函數如式（5）-（6）所示：

3 均衡結果分析

由于集中決策和分散決策有一定相似性，以下將重點分析分散決策區塊鏈參與對供應鏈的影響。同時對比分析集中決策和分散決策供應鏈的變化。

3.1 集中決策均衡結果分析

由推論1 可知，集中決策時，區塊鏈技術參與使零售價格、新能源汽車生產商回收價格、新電池需求量和退役動力電池回收量上升。一定條件下，與傳統模式相比，區塊鏈參與會使供應鏈總體利潤增加。這是由于在正向供應鏈中，基于區塊鏈技術進行的“區塊鏈+信息共享”可以滿足消費者對產品溯源性信息的需求，因而消費者愿意為動力電池支付更高的價格，雖然零售價格上漲，但消費者對溯源性信息的需要被滿足，對新動力電池的需求量反而會增加。逆向供應鏈中，單位退役動力電池再利用帶來的收益會增加，因而對退役動力電池的需求量也會增加，新能源汽車生產商愿意支付更高的回收價格以提高回收量。同時，只有投資區塊鏈技術帶來的收益超過成本時，整個供應鏈系統的利潤才會增加。

3.2 分散決策均衡結果分析

根據推論2 可知，分散決策與集中決策相似，始終存在區塊鏈技術參與下的批發價格和回收價格要高于傳統模式，新能源汽車生產商的零售價格和回收價格要高于傳統模式，消費者對新電池的需求量以及退役動力電池的回收量也會增加。正向供應鏈中，區塊鏈技術參與滿足消費者對產品溯源性信息的需求，消費者愿意支付更高的零售價格，需求量也會增加，新能源汽車生產商為獲得更多利潤也會增加新動力電池的批發量，也愿意支付更高的批發價格。逆向供應鏈中，區塊鏈技術參與提高退役動力電池梯次利用率，單位退役動力電池中動力電池生產商可以獲得更多利潤，因此提高回收價格獲得更多退役動力電池。新能源汽車生產商為獲得更多利潤，也會提高回收價格，退役動力電池回收量因此增加。由于僅由動力電池生產商負責“區塊鏈+信息共享”投入成本和區塊鏈信息共享平臺建設成本，新能源汽車生產商獲得更多收益且未額外付出。由于這種“上游投資，下游收益”的現象，區塊鏈技術參與后新能源汽車生產商利潤總會提升，對動力電池生產商而言，只有投資區塊鏈技術的收益大于成本時，其利潤才會增加。

由推論3 可知，消費者對電池全生命周期信息的敏感度和“區塊鏈+信息共享”提升梯次利用率系數的增加，會增加區塊鏈技術參與下批發價格、零售價格、回收價格、電池需求量和回收量、動力電池生產商利潤、新能源汽車生產商利潤和“區塊鏈+信息共享”投入水平。這是由于消費者對電池全生命周期信息的敏感度會體現到需求函數上，需求量的增加會導致動力電池生產商和新能源汽車生產商提高批發價格和零售價格，供大于求，這種現象也符合現實經濟規律?！皡^塊鏈+信息共享”參與提升梯次利用率系數的增加，會提高動力電池生產商單位退役動力電池的收益，動力電池生產商會提高回收價格以獲得更多退役動力電池，新能源汽車生產商也會跟隨決策提高回收價格，回收更多退役電池。最后，動力電池生產商和新能源汽車生產商的利潤也會提升。消費者對電池全生命周期信息的敏感度以及“區塊鏈+信息共享”提升梯次利用率系數的增加，也提高了“區塊鏈技術+信息共享”的投入水平。

3.3 集中決策和分散決策對比分析

由推論5 可知，傳統模式下，與分散決策相比，集中決策供應鏈的總利潤、新動力電池市場需求量、退役動力電池回收數量、退役動力電池回收價格會更高，集中決策的零售價格要低于分散決策下。區塊鏈參與時，與分散決策相比，集中決策的供應鏈總利潤、新動力電池市場需求量、退役動力電池回收量、“區塊鏈+信息共享”投入水平以及退役動力電池回收價格會更高，一定條件下，集中決策的零售價格要低于分散決策。集中決策時，供應鏈追求整體利潤最優，避免了分散決策時產生的雙重邊際效應導致的供應鏈整體利潤降低。與集中決策相比，分散決策時參與者追求自身利益最大化進行決策，其決策水平要低于集中決策時，為解決供應鏈系統內部的自我損耗，要采取機制對供應鏈系統進行協調以實現供應鏈各參與者以及供應鏈總體的利潤最大化。

4 區塊鏈參與下的契約協調機制研究

分散決策會使閉環供應鏈產生雙重邊際效應，導致供應鏈的總利潤降低，推論5 也表明分散決策下供應鏈的總利潤要低于集中決策時供應鏈的總利潤。為了使供應鏈發展形成共贏，本節進一步討論在區塊鏈技術參與時分散決策，供應鏈內部的契約協調，使供應鏈各參與者利潤增加并達到集中決策時的水平。首先引入成本分擔契約，由于在區塊鏈技術投資過程中存在“上游投資、下游收益”的情況，新能源汽車生產商理應承擔一定比例的區塊鏈技術引入成本。因此，在成本分擔契約協調下，動力電池生產商和新能源汽車生產商的利潤函數如式（7）-（8）所示：

推論6 表明相對于分散化決策情形，通過成本分擔契約可以顯著降低動力電池生產商的成本壓力，提高“區塊鏈+信息共享”投入水平。一定條件下，當分擔比例較小，新能源汽車生產商利潤會隨著分擔比例的提升而增加，當分擔比例較大，新能源汽車生產商的利潤會隨著分擔比例的提升而下降。

只有實施契約協調后的最優決策與集中決策相同時，供應鏈才能實現真正協調，既，可得成本分擔契約下的該契約協調下的。此時，雖然供應鏈總體達到最優，但，動力電池生產商不僅不能獲利反而還要虧損，目前的成本分擔契約對動力電池生產商并不適合。在此基礎上要對新能源汽車生產商的收益進行進一步分割，以實現雙方收益的帕累托改進。動力電池生產商從新能源汽車生產商處獲得一筆額外一次性費用l，此時，動力電池生產商的收益來自于新能源汽車生產商進貨、退役電池再利用以及交易結束后獲得的一次性額外費用，這種方式被稱為兩部定價契約。因此，在“成本分擔+兩部定價”契約協調下，動力電池生產商和新能源汽車生產商的利潤函數如式（9）（10）所示：

5 數值分析

5.1 市場因素變動對供應鏈最優決策的影響

5.1.1k變動對利潤的影響

圖2 k 變動對動力電池生產商和新能源汽車生產商利潤的影響

圖3 k 變動對供應鏈總利潤的影響

5.1.2γ變動對利潤的影響

圖4 γ 變動對動力電池生產商和新能源汽車生產商利潤的影響

圖5 γ 變動對供應鏈總利潤的影響

5.1.3θ變動對利潤的影響

圖6 θ 變動對電池生產商和新能源汽車生產商利潤的影響

圖7 θ 變動對供應鏈的總利潤的影響

5.2 “成本分擔+兩部定價”協調契約有效性分析

本小節對第五節提出的“成本分擔+兩部定價”契約協調的有效性進行分析和驗證，各變量與前文假設一致，添加參數，協調后供應鏈的各參與者及供應鏈的總收益與集中決策進行對比，結果如表1 所示。由表1 可知，經過“成本分擔+兩部定價”契約協調，供應鏈各參與者的收益要高于分散決策時，協調后的供應鏈實現了帕累托最優，且協調后供應鏈總體利潤與集中決策時相同。所以，“成本分擔+兩部定價”契約可以成功協調區塊鏈參與下分散決策時的動力電池閉環供應鏈。

表1 l 變動時供應鏈的各參與者利潤情況

6 結論

區塊鏈技術在動力電池閉環供應鏈中的應用是未來動力電池回收研究的一個重要方向，本文在總結過去研究的基礎上，基于區塊鏈技術在信息共享方面的可追溯性和不可篡改等功能，以區塊鏈技術在動力電池閉環供應鏈中的應用為研究對象，構建無區塊鏈參與的傳統模式和區塊鏈參與時的分散決策與集中決策模型，分析消費者對動力電池全生命周期信息敏感度、區塊鏈技術提升梯次利用率系數和傳統模式廢舊電池梯次利用率對供應鏈最優決策的影響，并設計了協調區塊鏈參與下分散決策時閉環供應鏈系統的“成本分擔+兩部定價”契約。

本文得到的主要結論：（1）分散決策時，與傳統模式相比，區塊鏈參與會提高批發價格、零售價格、動力電池生產商回收價格、新能源汽車生產商回收價格、新動力電池需求量和退役電池回收量，同時區塊鏈參與總會提高新能源汽車生產商的利潤。對動力電池生產商而言，只有區塊鏈參與帶來的收益大于成本時，利潤才會提升。與分散決策相比，集中決策時，供應鏈的總利潤、需求量、回收量更高，“區塊鏈+信息共享”投入水平和回收價格也更高，一定條件下，零售價格會下降。

（2）消費者對電池全生命周期信息敏感度和“區塊鏈+信息共享”提升梯次利用率系數的增加會提高供應鏈參與者的利潤，同時也會提升正向和逆向供應鏈中的價格、需求量和回收量。一定條件下，當傳統模式退役動力電池梯次利用率較小時，隨著梯次利用率的增加，分散決策下區塊鏈參與為動力電池生產商帶來的利潤和“區塊鏈+信息共享”投入水平經歷了短暫上升，但整體呈下降趨勢。隨著梯次利用率的增加，區塊鏈參與帶來的效果會逐漸減弱。

（3）“成本分擔+兩部定價”契約可以實現閉環供應鏈系統完美協調，使供應鏈的總利潤和“區塊鏈+信息共享”投入水平達到集中決策時的水平，動力電池生產商和新能源汽車生產商的利潤也會增加。

本文的研究結論有以下管理啟示：（1）基于區塊鏈技術進行的信息共享可以有效提高供應鏈內部的信息共享程度以及管理效率，阻礙區塊鏈技術應用的一個重要原因是其過高的成本。對政府而言，整合相關高校、研究所以及區塊鏈技術服務商為一體，提供模塊化、定制化的“區塊鏈技術+信息共享”服務，降低供應鏈系統引入區塊鏈技術的門檻，最終提升整個社會的信息化水平。（2）對于動力電池閉環供應鏈而言，通過引入區塊鏈技術可以有效提高退役動力電池的回收量以及再利用率，最大程度的減輕環境污染，提高經濟效益。同時，“區塊鏈技術+信息共享”可以滿足消費者對產品溯源性信息的需求，新動力電池的銷售量也會增加。為提高區塊鏈技術的引入效果，供應鏈內部要加強對管理人員以及一線操作人員的相關培訓，形成相關管理理念和規范化操作流程。政府要加強宣傳產品溯源性信息的作用，以提升消費者對產品溯源性信息的需求。（3）當供應鏈引入新技術時，難免會出現“上游投資，下游收益”的現象，作為投資新技術的一方，其積極性難免會降低。為解決此現象，在供應鏈投資新技術時，供應鏈成員需要進行合作以分擔成本。政府作為權威第三方，可以發揮其監管作用，以監督供應鏈成員履行契約。

需要說明的是，本文的研究僅考慮了引入區塊鏈技術對供應鏈系統內部的影響，未來的研究可以考慮政府參與或政府主導時引入區塊鏈技術對動力電池閉環供應鏈的影響。另外，本文僅考慮了新能源汽車生產商回收，動力電池生產商回收與第三方回收在動力電池回收體系建設中也普遍存，考慮這些情況也具有十分重要的研究意義。這些都是未來進一步研究的重點。