關(guān)于動(dòng)力電池梯次利用的一些思考

來(lái)小康

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

近年來(lái)，在國(guó)家政策持續(xù)支持和動(dòng)力電池技術(shù)不斷進(jìn)步下，我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2013年電動(dòng)汽車銷量?jī)H為1.76萬(wàn)輛，到2018年，電動(dòng)汽車銷售達(dá)125.6萬(wàn)輛，5年內(nèi)銷量增長(zhǎng)了70多倍。與之匹配的動(dòng)力電池裝機(jī)量也快速增加，2013年動(dòng)力電池裝機(jī)量為0.73 GW·h，2018年裝機(jī)量達(dá)56.89GW·h，5年時(shí)間也增長(zhǎng)了70多倍。隨著電動(dòng)汽車的使用時(shí)間延長(zhǎng)，動(dòng)力電池性能逐漸下降，當(dāng)其不能滿足電動(dòng)汽車使用要求時(shí)，就要從電動(dòng)汽車上退役下來(lái)；隨著電動(dòng)汽車銷量的快速增長(zhǎng)，未來(lái)幾年動(dòng)力電池的退役量也將快速增加，2020年動(dòng)力電池退役量將達(dá)20 GW·h，2025年預(yù)計(jì)將超過(guò)90 GW·h。

在退役動(dòng)力電池中，很多還具有較高的剩余容量（額定容量的70%～80%），這些電池經(jīng)過(guò)重新的診斷、分選和重組后，有可能應(yīng)用于使用工況更加溫和的場(chǎng)景（低速電動(dòng)車、電網(wǎng)儲(chǔ)能、基站備用等），實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的梯次利用。動(dòng)力電池的梯次利用，可以讓其性能得到充分的發(fā)揮，提升動(dòng)力電池的全壽命周期價(jià)值。退役動(dòng)力電池梯次利用符合環(huán)境保護(hù)的4R原則，即Recycle（循環(huán)使用）、Reuse（重復(fù)使用）、Reduce（減少使用）、Recover(回收資源或改變環(huán)境)，具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及良好的社會(huì)價(jià)值[1-2]。

盡管梯次利用看上去有很好的商業(yè)模式，但業(yè)內(nèi)對(duì)此有著較為對(duì)立的看法，一種觀點(diǎn)認(rèn)為退役動(dòng)力電池一致性差、剩余壽命短、安全風(fēng)險(xiǎn)高，不具備梯次利用的價(jià)值，應(yīng)直接進(jìn)行回收處理；另一種相對(duì)立的觀點(diǎn)則認(rèn)為對(duì)于退役動(dòng)力電池，大多數(shù)可進(jìn)行梯次利用，甚至認(rèn)為將是電力儲(chǔ)能的主力。中國(guó)電力科學(xué)院自2010年開(kāi)始動(dòng)力電池梯次利用的研究，對(duì)退役的錳酸鋰電池和多種型號(hào)的磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)和安全性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)，并進(jìn)行了不同場(chǎng)景下的梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)小規(guī)模工程應(yīng)用。通過(guò)技術(shù)研究和工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在退役電池中，有的電池存在微/內(nèi)短路，具有較高的安全隱患；有的電池只有幾百次的剩余壽命，沒(méi)有梯次利用的價(jià)值；因此，不是所有的退役電池都可以梯次利用，但也有部分退役磷酸鐵鋰電池具有較好的一致性（容量極差小于額定容量的10%），且在室溫較低倍率下有較好的循環(huán)特性（0.5 C、80%DOD下壽命大于3000次），這部分退役電池具有潛在的梯次利用價(jià)值[3-6]。而對(duì)于近兩年裝機(jī)量快速增加、乘用車主要采用的三元體系電池，業(yè)內(nèi)針對(duì)其梯次利用的研究還不夠深入，尤其是其在梯次利用過(guò)程中的性能衰減和安全狀態(tài)變化規(guī)律還不是很明晰，但從已經(jīng)取得的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，退役三元電池在壽命和安全性上均比磷酸鐵鋰電池差，其梯次利用的前景不容樂(lè)觀。本文試圖從能否梯次利用的判斷準(zhǔn)則、梯次利用時(shí)要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題及當(dāng)下應(yīng)該做的工作3方面闡述一下筆者的看法，供討論。

1 退役動(dòng)力電池能否梯次利用的判斷準(zhǔn)則

動(dòng)力電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期車載使用后，退役時(shí)電池性能明顯衰退，存在較高安全風(fēng)險(xiǎn)且剩余價(jià)值不明確，因此，在梯次利用前首先要判斷哪些退役動(dòng)力電池可以梯次利用。筆者認(rèn)為針對(duì)退役動(dòng)力電池能否梯次利用應(yīng)該主要從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行判斷，一是退役動(dòng)力電池是否能安全的梯次利用，二是該電池的梯次利用是否具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.1 退役動(dòng)力電池梯次利用的安全性

電池安全性是其工程應(yīng)用中最重要的關(guān)注點(diǎn)，目前電化學(xué)儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車采用的基本都是鋰離子電池，這種電池以有機(jī)物為溶劑，即使是新電池，也可能由于制造過(guò)程的缺陷或使用不當(dāng)而發(fā)生安全事故。對(duì)于退役動(dòng)力電池，由于其內(nèi)部枝晶生長(zhǎng)、電解液消耗、晶體結(jié)構(gòu)變化、界面阻抗增加等原因，其發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)變大；同時(shí)電池在電動(dòng)汽車階段的使用環(huán)境、工況不同，電池的容量保持率也不一致，這就造成退役動(dòng)力電池安全事故的誘發(fā)因素和薄弱環(huán)節(jié)與新電池存在差異，使退役動(dòng)力電池的安全性評(píng)估變得更加復(fù)雜。

目前針對(duì)退役動(dòng)力電池安全性評(píng)估尚無(wú)成熟標(biāo)準(zhǔn)化的方法，通常按照以下步驟來(lái)進(jìn)行：首先對(duì)電池的外觀進(jìn)行檢測(cè)，觀察是否存在極耳斷裂、鼓脹等物理缺陷；然后針對(duì)無(wú)明顯物理缺陷的電池，依據(jù)動(dòng)力或儲(chǔ)能電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，抽樣分析電池在極限條件下的狀態(tài)；最后對(duì)不同狀態(tài)的退役電池，抽樣分析其自產(chǎn)熱起始溫度、熱失控引發(fā)溫度等特性?，F(xiàn)有方法雖然可以剔除一些具有明顯安全問(wèn)題的電池（如鼓脹電池），但不能有效識(shí)別電池內(nèi)部的安全隱患，同時(shí)抽樣檢測(cè)的比例也不好確定，比例過(guò)小不能準(zhǔn)確反映整批次電池的安全狀態(tài)，而比例過(guò)大使退役動(dòng)力電池安全性評(píng)估的成本大幅度增加。

退役電池在梯次利用過(guò)程中因其內(nèi)部狀態(tài)繼續(xù)劣化，其安全隱患也在持續(xù)增加，因此，對(duì)于退役動(dòng)力電池的安全性評(píng)估，不能只關(guān)注電池當(dāng)前的安全狀態(tài)，還應(yīng)兼顧在梯次利用過(guò)程中電池安全狀態(tài)的變化。

1.2 退役動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性分析

動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性分析應(yīng)采用替代法，即采用退役動(dòng)力電池替代鉛酸電池或新的鋰離子電池后，其凈收益是否有所增加，其中凈收益指梯次利用過(guò)程中的收益減去整個(gè)梯次利用過(guò)程中的成本。

1.2.1 梯次利用成本分析

梯次利用的成本主要包括電池采購(gòu)成本、運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本、拆解成本、狀態(tài)診斷成本、重組成本、運(yùn)行維護(hù)成本、電池再回收成本等[7-8]。

（1）電池采購(gòu)成本：受多種因素的影響，如電池退役的剩余殘值、退役動(dòng)力電池的市場(chǎng)供應(yīng)量、國(guó)家的相關(guān)政策等，目前沒(méi)有統(tǒng)一的定價(jià)機(jī)制。

（2）運(yùn)輸和貯存成本：退役動(dòng)力電池回收、運(yùn)送至電池梯次利用檢測(cè)、重組中心的運(yùn)輸和貯存費(fèi)用。

（3）電池拆解成本：不同應(yīng)用場(chǎng)景下的電池容量和電壓等級(jí)不同，同時(shí)部分退役動(dòng)力電池一致性較差，因此需要對(duì)電池進(jìn)行拆解所產(chǎn)生的費(fèi)用。

（4）狀態(tài)診斷成本：電池容量、內(nèi)阻、壽命等參數(shù)測(cè)試費(fèi)用，設(shè)備折舊費(fèi)用，場(chǎng)地費(fèi)用等。

（5）重組成本：電池箱體、電池管理系統(tǒng)、連接線、變流器、電池防護(hù)、消防器材等成本。

（6）運(yùn)行維護(hù)成本：包括梯次利用電池系統(tǒng)運(yùn)行期間的維護(hù)、檢修、更換故障部件等。

（7）電池再回收成本：梯次利用后需要將廢舊動(dòng)力電池交由專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行回收處理，目前磷酸鐵鋰電池回收價(jià)值較低，可能還需要支出一定的回收處理費(fèi)用；三元電池由于含有貴金屬，具有較高的回收價(jià)值，可以從回收環(huán)節(jié)中獲利。

目前梯次利用過(guò)程的成本存在較大的不確定性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：電池采購(gòu)成本受市場(chǎng)、政策、剩余容量和壽命等多種因素影響，價(jià)格相差較大；退役電池的成組方式不同、性能差異程度不一樣造成在拆解環(huán)節(jié)的成本各不相同；受歷史數(shù)據(jù)的完整程度、性能診斷方式等因素影響，在電池狀態(tài)診斷環(huán)節(jié)的成本也會(huì)有所差異；由于電池之間的差異度不同、應(yīng)用場(chǎng)景不同、管理策略不同等原因，造成退役電池的重組成本也不相同；最后，針對(duì)梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效運(yùn)維技術(shù)缺失，系統(tǒng)的運(yùn)維成本不確定。因此，要明確梯次利用過(guò)程的成本，需健全電池梯次利用和回收的相關(guān)政策法規(guī)，構(gòu)建完善的電池歷史數(shù)據(jù)體系，突破電池狀態(tài)診斷和壽命預(yù)測(cè)、高效重組和運(yùn)維等關(guān)鍵技術(shù)，建立退役電池采購(gòu)以及梯次利用后再回收市場(chǎng)機(jī)制。

1.2.2 梯次利用收益分析

對(duì)電池梯次利用階段收益影響最大的是其剩余壽命，電池的剩余壽命可以分為日歷壽命和循環(huán)壽命，在不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)電池壽命的關(guān)注點(diǎn)不一樣。目前在電網(wǎng)儲(chǔ)能中退役電池較適合的應(yīng)用場(chǎng)景是備用電源和調(diào)峰，備用電源主要關(guān)注電池的日歷壽命，而調(diào)峰場(chǎng)景下更關(guān)注電池的循環(huán)壽命。中國(guó)電力科學(xué)院在研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于生產(chǎn)年份較早（2012年以前）的動(dòng)力電池，由于當(dāng)時(shí)電池制造水平不高，退役后電池的剩余壽命不高，且一致性較差。2012年國(guó)內(nèi)一線電池廠家制造的磷酸鐵鋰電池退役后，在電網(wǎng)調(diào)峰、容量備用等模擬工況下具有較好的壽命特性，在電網(wǎng)調(diào)峰模擬工況（室溫0.5 C、80%DOD）下電池壽命超過(guò)3000次；在容量備用模擬工況下依據(jù)衰退趨勢(shì)推測(cè)，電池的使用壽命超過(guò)6年。

1.2.3 梯次利用經(jīng)濟(jì)性分析

動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性分析是在采用退役電池替代鉛酸電池或新的鋰離子電池后，分析替代前后的系統(tǒng)成本以及使用壽命，在此基礎(chǔ)上評(píng)估梯次利用的經(jīng)濟(jì)性。在備用電源場(chǎng)景下，目前梯次利用電池系統(tǒng)成本[0.5～0.7元/（W·h）]略高于鉛酸電池[0.4～0.5元/（W·h）]，但在該場(chǎng)景下梯次利用電池的日歷壽命更長(zhǎng)，目前采用退役電池的經(jīng)濟(jì)性和鉛酸電池相差不大；未來(lái)隨著退役電池的成本下降和梯次利用階段的壽命提升，在備用電源場(chǎng)景下采用退役電池的經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。在調(diào)峰場(chǎng)景下，由于近幾年鋰離子電池價(jià)格的快速下降，目前新電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本已降至1.8～2.0元/W·h，且在未來(lái)幾年還會(huì)持續(xù)下降，因此，對(duì)于梯次利用電池，必須不斷降低其狀態(tài)評(píng)估、分選重組、系統(tǒng)集成等再制造過(guò)程的成本，同時(shí)在梯次利用階段有良好的壽命特性，這樣才能與新電池在經(jīng)濟(jì)性上具有競(jìng)爭(zhēng)力。

2 梯次利用時(shí)要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題

退役動(dòng)力電池在梯次利用前，首先要對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行診斷，評(píng)估電池是否存在安全隱患，評(píng)測(cè)當(dāng)前的容量（SOH）、內(nèi)阻等參量，同時(shí)還要對(duì)電池在梯次利用階段的衰退趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷電池的剩余壽命；在此基礎(chǔ)上依據(jù)電池的狀態(tài)進(jìn)行分選重組，同時(shí)為其選取合適的應(yīng)用場(chǎng)景，最大化電池在梯次利用階段的價(jià)值。

2.1 退役動(dòng)力電池狀態(tài)的診斷

退役動(dòng)力電池的狀態(tài)診斷包含3部分內(nèi)容：一是評(píng)估電池當(dāng)前的容量、內(nèi)阻等參量；二是判斷電池有無(wú)安全隱患；三是預(yù)測(cè)電池在梯次利用過(guò)程中的衰減趨勢(shì)；其核心是以一種經(jīng)濟(jì)性的方式實(shí)現(xiàn)上述診斷。

目前退役的動(dòng)力電池依據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的完整程度可分為兩大類：一類是具有完善的電池在車載使用階段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，稱之為“白箱”。針對(duì)這類電池，首次可通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析來(lái)評(píng)估電池的剩余容量、內(nèi)阻等當(dāng)前狀態(tài)，其次根據(jù)電池在車載使用過(guò)程中有無(wú)過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)熱等濫用情況的發(fā)生以及退役時(shí)是否有鼓脹等問(wèn)題來(lái)判斷電池的安全狀態(tài)，最后依據(jù)電池車載階段充放電過(guò)程中的參數(shù)變化規(guī)律，來(lái)預(yù)測(cè)電池的衰減趨勢(shì)。這種診斷方法速度快、成本低，對(duì)動(dòng)力電池容量的評(píng)估比較準(zhǔn)確，同時(shí)對(duì)電池的剩余壽命預(yù)測(cè)也很有幫助；但該方法目前在電池內(nèi)部安全隱患的識(shí)別上還不是很有效。

另一類是退役動(dòng)力電池的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)不完整或完全缺失，稱之為“黑箱”。針對(duì)這類電池的狀態(tài)，目前有兩種診斷方法：一是對(duì)電池模塊或電池包進(jìn)行幾次完整的充放電，記錄電池的電壓、溫度等參量的變化情況，分析單體之間的一致性；然后對(duì)退役動(dòng)力電池進(jìn)行抽樣，分析電池在濫用條件下的安全性能和儲(chǔ)能工況下的衰退特性；這種方法雖然能準(zhǔn)確掌握退役動(dòng)力電池的容量、內(nèi)阻等狀態(tài)以及單體之間的狀態(tài)差異，但這種方法周期長(zhǎng)、占用設(shè)備多，同時(shí)安全試驗(yàn)還破壞了電池，因此診斷成本較高。另一種方法是選取幾個(gè)可快速測(cè)量的電池特征參量（開(kāi)路電壓、交流內(nèi)阻等），通過(guò)對(duì)這些參量的快速評(píng)測(cè)來(lái)診斷電池的狀態(tài)；這種診斷方法速度快、設(shè)備成本較低，但由于選取的特征參量與電池狀態(tài)之間的關(guān)系尚不完全明確，通常診斷結(jié)果誤差較大。

退役動(dòng)力電池的內(nèi)部安全隱患隱蔽性強(qiáng)，無(wú)論是針對(duì)“白箱”的歷史數(shù)據(jù)分析法，還是針對(duì)“黑箱”的充放電法或特征參量法，對(duì)電池內(nèi)部安全隱患的判斷都不夠準(zhǔn)確；同時(shí)由于退役動(dòng)力電池與新電池的狀態(tài)有較大差異，還需要分析充放電倍率、充放電深度、充放電溫度、環(huán)境溫度等使用條件對(duì)電池性能的影響，明確電池在梯次利用階段的使用邊界條件。未來(lái)隨著歷史數(shù)據(jù)的日趨完善以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于“白箱”的數(shù)據(jù)分析法加上電池安全、壽命等關(guān)鍵性能的抽樣分析，有望以較低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)退役動(dòng)力電池狀態(tài)的準(zhǔn)確診斷。

2.2 退役動(dòng)力電池重組和應(yīng)用場(chǎng)景界定

退役動(dòng)力電池之間的差異明顯大于新電池，在重組時(shí)要根據(jù)電池之間的差異采取有效的均衡策略；相比新電池，退役動(dòng)力電池的內(nèi)阻顯著增大，同樣使用條件下的產(chǎn)熱量也更大，低溫下的充放電性能變差，在重組時(shí)要根據(jù)環(huán)境溫度采用有效的溫度控制策略，避免電池長(zhǎng)期在高溫（40℃以上）或低溫環(huán)境下（0℃以下）運(yùn)行；退役動(dòng)力電池安全失效風(fēng)險(xiǎn)增大，在重組時(shí)要結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景采取必要的安全防護(hù)和消防措施。

電池梯次利用存在多種潛在應(yīng)用場(chǎng)景，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電池的狀態(tài)以及一致性要求也不相同，電池在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的衰退規(guī)律也有明顯的差異，因此，在進(jìn)行退役動(dòng)力電池重組時(shí)，要根據(jù)電池的狀態(tài)、電池之間一致性以及不同場(chǎng)景的衰退趨勢(shì)，為其選取合適的應(yīng)用場(chǎng)景[9]。

3 應(yīng)該做的工作

雖然未來(lái)幾年動(dòng)力電池退役量將快速增加，且梯次利用時(shí)具有多種潛在應(yīng)用場(chǎng)景，但目前尚不能對(duì)大規(guī)模開(kāi)展動(dòng)力電池梯次利用給予明確的定論，這是因?yàn)椋阂皇峭艘蹌?dòng)力電池的狀態(tài)評(píng)估、分選、管理等關(guān)鍵技術(shù)研究還不夠深入，造成梯次利用過(guò)程中的再制造成本較高；二是新電池成本的持續(xù)下降使采用梯次利用電池的低成本優(yōu)勢(shì)變小。因此，對(duì)于動(dòng)力電池的梯次利用，未來(lái)應(yīng)在以下幾個(gè)方面重點(diǎn)開(kāi)展工作。

一是突破退役動(dòng)力狀態(tài)評(píng)估、安全隱患識(shí)別、剩余壽命預(yù)測(cè)、電池重組和管理、系統(tǒng)集成和運(yùn)維等關(guān)鍵技術(shù)，其中重點(diǎn)是電池安全隱患識(shí)別；分析梯次利用過(guò)程中狀態(tài)評(píng)估、分選重組、系統(tǒng)集成和運(yùn)維等環(huán)節(jié)的投入，利用上述關(guān)鍵技術(shù)降低梯次利用全過(guò)程的費(fèi)用，其中重點(diǎn)是明確各環(huán)節(jié)的成本；掌握電池在梯次利用階段的性能衰退趨勢(shì)和安全狀態(tài)演變規(guī)律，明確不同狀態(tài)電池適用的應(yīng)用場(chǎng)景以及邊界使用條件，其中重點(diǎn)是根據(jù)電池狀態(tài)為其選取合適的場(chǎng)景。

二是完善動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)體系，使其在退役時(shí)是一個(gè)歷史數(shù)據(jù)完整的“白箱”，同時(shí)優(yōu)化基于歷史數(shù)據(jù)的電池狀態(tài)診斷方法，提升電池狀態(tài)、安全隱患以及剩余壽命評(píng)估的準(zhǔn)確度。

三是在不同應(yīng)用場(chǎng)景下開(kāi)展梯次利用電池的小規(guī)模工程應(yīng)用，分析在實(shí)際工程應(yīng)用中電池的狀態(tài)以及性能變化規(guī)律，完善和優(yōu)化動(dòng)力電池梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)。

四是開(kāi)展退役三元電池的壽命、安全等性能的評(píng)價(jià)，掌握三元電池在梯次利用過(guò)程中的性能演變規(guī)律，研判退役三元電池的梯次利用的可行性，避免在三元電池梯次利用的決策上產(chǎn)生失誤。

待上述幾項(xiàng)重點(diǎn)工作基本完成后，才宜開(kāi)展梯次利用動(dòng)力電池的大規(guī)模工程應(yīng)用。