基于應(yīng)用需求的退役電池梯次利用安全策略

吳小員，王俊祥，田維超，左哲倫

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基于應(yīng)用需求的退役電池梯次利用安全策略

吳小員1，王俊祥2，田維超3，左哲倫1

（1同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2華中科技大學(xué)材料學(xué)院，湖北 武漢 430074；3上海蔚來汽車有限公司，上海 201805）

本研究以退役鋰離子動(dòng)力電池梯次利用的細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景需求為導(dǎo)向，以我國(guó)新能源汽車推廣應(yīng)用歷程為基礎(chǔ)，結(jié)合政策、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)發(fā)展的實(shí)際，闡述了梯次利用關(guān)鍵環(huán)節(jié)的安全問題及其應(yīng)對(duì)策略。介紹了退役動(dòng)力電池梯次利用模式，總結(jié)了不同正極材料動(dòng)力電池報(bào)廢與梯次利用現(xiàn)狀及趨勢(shì)，指出了面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，分析了動(dòng)力鋰離子電池在生產(chǎn)和車用環(huán)節(jié)的安全隱患，以及退役后在四種不同應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行梯次利用的安全需求與風(fēng)險(xiǎn)，研究了與動(dòng)力電池類型、車載應(yīng)用安全基礎(chǔ)等優(yōu)化匹配的梯次利用安全策略框架，并提出了創(chuàng)新動(dòng)力電池開發(fā)設(shè)計(jì)模式、發(fā)展梯次利用關(guān)鍵技術(shù)、加快商業(yè)模式創(chuàng)新、加速培育梯次利用市場(chǎng)等綜合策略。

動(dòng)力電池；梯次利用；需求導(dǎo)向；安全性；綜合策略

退役車用動(dòng)力電池梯次利用是我國(guó)實(shí)施新能源汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要任務(wù)，也是實(shí)現(xiàn)電池全生命周期價(jià)值最大化的主要途徑。安全性和經(jīng)濟(jì)性是梯次利用的兩大關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，其中安全性是前提和根本。為確保續(xù)航能力與運(yùn)行安全，動(dòng)力電池當(dāng)容量衰減至額定容量80%時(shí)，通常需要從車上退役[1]。預(yù)計(jì)到2029年，全球新能源汽車每年將約有108 GW·h（3百萬個(gè)電池包）動(dòng)力電池退役[2]。按照新能源商用車（含客車和專用車）電池平均3年、乘用車電池平均5年的最佳在役時(shí)間計(jì)算[3]，2018年開始，我國(guó)動(dòng)力電池進(jìn)入規(guī)?；艘燮?。2015年末至今，我國(guó)連續(xù)位居全球新能源汽車第一產(chǎn)銷大國(guó)，當(dāng)前動(dòng)力電池退役后的安全、高效處置，將迎來空前的市場(chǎng)機(jī)遇，同時(shí)也面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。對(duì)此，我國(guó)高度重視，早在2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》就對(duì)動(dòng)力電池回收利用做出了部署，近年來又密集出臺(tái)了從指導(dǎo)意見到具體實(shí)施的多項(xiàng)政策。2018年初，我國(guó)工業(yè)與信息化部等七部委聯(lián)合發(fā)布的《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》8月1日起實(shí)施，強(qiáng)調(diào)以“推進(jìn)資源綜合利用、保護(hù)環(huán)境和人體健康，保障安全，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展”等為目標(biāo)，對(duì)退役動(dòng)力電池先進(jìn)行梯次利用，再進(jìn)行資源化回收利用。

從我國(guó)形勢(shì)和最新政策要求以及大量研究[5]結(jié)果看，梯次利用在當(dāng)前和今后一段時(shí)期，比直接拆解、回收利用材料等資源，更具市場(chǎng)和環(huán)保價(jià)值，是電池回收利用的主要方向。但從產(chǎn)業(yè)實(shí)踐看，我國(guó)動(dòng)力電池梯次利用起步較晚，推進(jìn)也較慢。2014年起，我國(guó)開始布局開展動(dòng)力電池梯次利用示范研究項(xiàng)目。2016年，我國(guó)梯次利用電池量不到0.15萬噸[6]；在2017年報(bào)廢的約8萬噸動(dòng)力電池中，只有不到5%進(jìn)入梯次利用環(huán)節(jié)[7]。從研究進(jìn)展看，目前關(guān)于廢舊電池拆解回收及其安全性問題已有較多研究[8-10]，而對(duì)于退役電池梯次利用的研究不多，且主要集中在電池單體性能研究[11]、儲(chǔ)能示范應(yīng) 用[12-14]、經(jīng)濟(jì)性研究[15]、電池健康特征參數(shù)提取[16]，或某一技術(shù)方案[17]等，對(duì)安全性問題的研究較少；基于新能源汽車應(yīng)用的復(fù)雜性，充分結(jié)合梯次利用商業(yè)化應(yīng)用需求的針對(duì)性研究更少。為此，本研究以退役動(dòng)力鋰離子電池的梯次利用的安全性為重點(diǎn)，與2017年底以來已快速呈現(xiàn)的多元化、市場(chǎng)化梯次利用場(chǎng)景需求為導(dǎo)向，結(jié)合對(duì)電池退役前和退役后兩條生命線的安全風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的梯次利用安全綜合策略，以期促進(jìn)我國(guó)梯次利用從示范應(yīng)用加快向規(guī)?；?、商業(yè)化轉(zhuǎn)型。

1 我國(guó)退役動(dòng)力電池梯次利用的背景

退役動(dòng)力電池梯次利用，一般指在新能源乘用車上使用5年或在商用車上使用3年，由于電池組整體容量不足額定容量的80%，無法滿足動(dòng)力電池性能要求而從新能源汽車上退役的電池，經(jīng)過拆解和“適配再造”，繼續(xù)應(yīng)用于性能要求低于新能源汽車的其它領(lǐng)域；繼續(xù)使用到容量低于40%以后，再進(jìn)入報(bào)廢拆解和材料回收等資源化再利用環(huán)節(jié)。由于梯次利用的技術(shù)趨勢(shì)，已從初期拆解為單體，發(fā)展到對(duì)整個(gè)模組的應(yīng)用[18]，本研究以拆解到電池模組級(jí)的“再造”利用為重點(diǎn)。退役動(dòng)力電池利用的主要流程如圖1所示。

圖1 退役動(dòng)力電池利用流程示意圖

退役的動(dòng)力電池仍具有高能量密度，屬于高能量載體，安全性是梯次利用中首要考慮和解決的問題[19]。電池梯次利用的安全性問題貫穿電池退役前后的生命周期，首先要結(jié)合我國(guó)新能源汽車的發(fā)展歷程與趨勢(shì)，深刻理解我國(guó)電池梯次利用的形勢(shì)與特點(diǎn)。

1.1 退役動(dòng)力電池梯次利用的形勢(shì)

據(jù)估算，2014—2024年的10年間，我國(guó)動(dòng)力鋰電池累計(jì)報(bào)廢量約100萬噸[20]，而1個(gè)0.02 kg的鋰離子電池可使1平方公里土地污染50年左右[21]。因此，我國(guó)退役動(dòng)力鋰電池的環(huán)保處置刻不容緩，迫切需要加快發(fā)展梯次利用產(chǎn)業(yè)。從市場(chǎng)前景看，退役動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性不斷提高，我國(guó)儲(chǔ)能及低速車等領(lǐng)域有巨大需求。到2025年，我國(guó)年新增的梯次利用電池潛在規(guī)模約33.6 GW·h[22]，若安全性得到保障，市場(chǎng)巨大。我國(guó)近年來密集發(fā)布動(dòng)力電池回收利用標(biāo)準(zhǔn)，制定相關(guān)政策，2018年啟動(dòng)動(dòng)力電池溯源管理平臺(tái)，確定京津冀地區(qū)、江蘇、上海等17個(gè)試點(diǎn)地區(qū)以及中國(guó)鐵塔股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“鐵塔公司”）作為試點(diǎn)企業(yè)，在梯次利用商業(yè)模式構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究及信息化平臺(tái)建設(shè)等方面加強(qiáng)創(chuàng)新，將使梯次利用更加安全、規(guī)范，有利于產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

1.2 基于我國(guó)新能源汽車應(yīng)用背景的動(dòng)力電池退役特點(diǎn)

我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化起步于2009年，2011年保有量首次進(jìn)入萬輛級(jí)，規(guī)模化推廣應(yīng)用從2013年第二輪示范城市開始。2018年退役的動(dòng)力電池，主要來源于2015年左右開始使用的新能源客車和專用車，以及2013年左右開始使用的乘用車。表1簡(jiǎn)要回顧了我國(guó)新能源汽車推廣應(yīng)用進(jìn)程[23]，可知當(dāng)前要處置的退役動(dòng)力電池，基本來自于其中第二階段的新能源汽車。從電池集中退役、回收并處置的現(xiàn)實(shí)可行性看，在公共領(lǐng)域“集體”運(yùn)行的新能源汽車，比產(chǎn)權(quán)分散、使用差異大的私人購(gòu)買、家庭使用類新能源汽車高得多，更具備梯次利用條件。而在第二階段公共領(lǐng)域服務(wù)的新能源汽車，其動(dòng)力電池基本為鋰離子電池，正極材料以磷酸鐵鋰為主，當(dāng)前這些退役電池的梯次利用可行性和緊迫性都非常高。對(duì)這些使用車輛的運(yùn)行工況、運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，及其電池材料體系、設(shè)計(jì)與制造工藝、供應(yīng)商水平等的分析，是提高電池梯次利用安全性的基礎(chǔ)，也是梯次利用應(yīng)用需求優(yōu)化匹配的重要前提。雖然近年來我國(guó)新能源汽車補(bǔ)貼向高能量密度電池傾斜，三元材料動(dòng)力電池裝機(jī)量不斷上升，特別是在乘用車領(lǐng)域，但從分析[4]和2020年后鋰電池汽車補(bǔ)貼政策將退出看，磷酸鐵鋰電池仍將在退役電池中占重要地位，磷酸鐵鋰電池也是公認(rèn)的最適合梯次利用的電池類型。梯次利用未來仍將是主流，規(guī)模遠(yuǎn)大于報(bào)廢拆解再生利用。

表1 我國(guó)新能源汽車推廣應(yīng)用進(jìn)程（2009—2020年）

2 梯次利用應(yīng)用場(chǎng)景分析

我國(guó)報(bào)廢動(dòng)力電池在開展梯次利用時(shí)，考慮電池包、模組、電芯等動(dòng)力電池系統(tǒng)多級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電池容量以及安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，可分別采用電池包級(jí)應(yīng)用、模組級(jí)應(yīng)用和電芯級(jí)應(yīng)用等模式。這些模式在國(guó)內(nèi)外的典型實(shí)踐案例中已有體現(xiàn)。例如，德國(guó)使用寶馬i3純電動(dòng)汽車退役電池包設(shè)計(jì)家庭儲(chǔ)能應(yīng)用；日本利用12個(gè)尼桑Leaf電動(dòng)汽車退役電池模組梯次利用于家庭儲(chǔ)能，美國(guó)通用汽車公司利用其5個(gè)雪佛蘭Volt增程式電動(dòng)汽車退役電池模組，重組后構(gòu)建成小區(qū)備用電源裝備；我國(guó)相關(guān)環(huán)保企業(yè)把電池包拆解后，得到18650單體電池，經(jīng)測(cè)試后售出，作為五金工具電源[1]。當(dāng)電池性能進(jìn)一步降低到不適合梯次利用后，再進(jìn)入回收拆解的材料級(jí)資源化回收再利用階段。不同梯次利用場(chǎng)景的安全問題不同，對(duì)電池性能要求不同[24]。研究表明，退役動(dòng)力電池可梯次利用于固定場(chǎng)站儲(chǔ)能和移動(dòng)電源等多個(gè)領(lǐng)域[12, 14, 25]。國(guó)外梯次利用實(shí)踐以家庭和商業(yè)儲(chǔ)能為主，我國(guó)早期和近年來均以電網(wǎng)公司的儲(chǔ)能示范項(xiàng)目為主（一般電池容量較大、對(duì)安全性要求較高），實(shí)質(zhì)性的市場(chǎng)化推廣應(yīng)用較少[1]。本文重點(diǎn)研究以下4種使用電池容量相對(duì)較小、使用環(huán)境對(duì)安全與可靠性等要求相對(duì)易于滿足、經(jīng)濟(jì)性較好、市場(chǎng)總體規(guī)模較大、商業(yè)化前景好且市場(chǎng)成長(zhǎng)較快的應(yīng)用場(chǎng)景，包括固定場(chǎng)站儲(chǔ)能領(lǐng)域的電動(dòng)汽車充（換）電站和通信基站，以及移動(dòng)電源應(yīng)用領(lǐng)域的純電動(dòng)電源車和快遞電動(dòng)三輪車。

2.1 充（換）電站

充（換）電站既是新能源汽車能量補(bǔ)充的重要基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是不斷成長(zhǎng)的退役動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能的大市場(chǎng)。研究[26]指出，在相同配置情況下，在快速充電站采用退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能，比常規(guī)使用同類新電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性好。此外，采用退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能，還具有在充電站不增容擴(kuò)容的條件下，改變充電設(shè)備的接入方案，即可滿足直流快充負(fù)荷控制需求的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)2017年已成為全球投運(yùn)公共充電樁數(shù)量最多的國(guó)家，并制定了到2020 年滿足500萬輛新能源汽車充電需求基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo)，其中集中式充電站將建成1.2萬個(gè)。這些充電站主要提供快速充電服務(wù)，單站儲(chǔ)能系統(tǒng)需要的電池在百千瓦時(shí)以上。

我國(guó)很早就開展了充電站使用梯次利用電池儲(chǔ)能的示范，近年來城市公共充電站商業(yè)化梯次利用在加快實(shí)踐。2014年，國(guó)家電網(wǎng)公司等在北京大興出租車快速充電站梯次利用示范[18]，采用了2012年退運(yùn)電動(dòng)汽車上的錳酸鋰電池，為功率為175 kW的直流智能化充電機(jī)配置梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)。示范發(fā)現(xiàn)，測(cè)算的使用壽命在削峰填谷情況下約為1500次，但實(shí)際運(yùn)行后，循環(huán)不到100次，即電池出現(xiàn)性能急劇降低、一致性分散過大過快等問題。這反映我國(guó)早期（2012年以前生產(chǎn)）的動(dòng)力電池，尤其是錳酸鋰動(dòng)力電池，退役后難以滿足大功率儲(chǔ)能梯次利用需求。近兩年來，國(guó)家電網(wǎng)公司在城際快充站，加快建設(shè)退役動(dòng)力電池梯次利用于“光儲(chǔ)充”一體化示范站，如2018年4月在南京六合服務(wù)區(qū)投運(yùn)江蘇省首個(gè)基于退役動(dòng)力電池的100 kW·h光儲(chǔ)充示范站[27]。

除電網(wǎng)公司外，如云杉智慧公司等有“車樁網(wǎng)”一體化運(yùn)營(yíng)條件的新能源汽車運(yùn)營(yíng)商，在利用其運(yùn)營(yíng)車隊(duì)規(guī)?；艘鄣膭?dòng)力電池，重構(gòu)基于舊電池的使用控制策略，探索基于退役電池利用的新型商業(yè)模式，結(jié)合自有的城市快充場(chǎng)站，打造新的充儲(chǔ)一體綜合利用充電站。云杉智慧不僅將利用自有分時(shí)租賃運(yùn)營(yíng)車隊(duì)2000多輛電動(dòng)汽車的退役電池，還將發(fā)揮其“駕唄”共享汽車車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，基于這些電池的車載使用數(shù)據(jù)，對(duì)其性能與健康狀態(tài)等做出評(píng)估，更安全地選擇參數(shù)差異較小的電池模組，適配“再造”成梯次電池，用于充電站儲(chǔ)能。

相比在道路上運(yùn)行的新能源汽車動(dòng)力電池，充電站梯次利用電池的使用環(huán)境更為寬松，一般為陸上靜止環(huán)境，場(chǎng)地一般足夠大，因而對(duì)電池的重量、大小和能量密度要求相對(duì)要低，但由于電池容量略高于車用，使用的電池模塊數(shù)量多，因而對(duì)一致性要求較高。另外需要大電流高電壓快速充電，對(duì)充放電安全性要求較高。

2.2 通信基站

實(shí)踐和研究結(jié)果顯示，通信基站是最適合退役動(dòng)力鋰電池梯次應(yīng)用的場(chǎng)景，且市場(chǎng)需求巨大。鐵塔公司現(xiàn)有近200萬座基站，對(duì)退役動(dòng)力電池有長(zhǎng)期穩(wěn)定的需求，按單站電池容量需求約30 kW·h（相當(dāng)于1輛新能源汽車約62 kW·h動(dòng)力電池退役后可梯次利用容量）計(jì)算，僅該公司未來即可消納近200萬輛新能源汽車退役的動(dòng)力電池[28-29]。作為我國(guó)目前選列的唯一一家動(dòng)力蓄電池回收利用試點(diǎn)企業(yè)，鐵塔公司已提出將逐漸使用梯次“再造”電池，并加快探索提高安全及經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)用方案。

近3年來，鐵塔公司在全國(guó)12個(gè)?。ㄊ校┑?000多個(gè)基站，開展退役動(dòng)力電池替代現(xiàn)有鉛酸電池試驗(yàn)，涵蓋備電、削峰填谷、微電網(wǎng)等不同工況，初步得出了梯次利用動(dòng)力鋰電池在循環(huán)壽命、能量密度、高溫性能、放電特性等方面的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于鉛酸電池，技術(shù)上完全能滿足運(yùn)行要求，未出現(xiàn)安全問題的結(jié)論。云南某基站的試點(diǎn)結(jié)果顯示，該站梯次電池的年使用成本只有鉛酸電池的31.4%[29]，反映了梯次利用退役動(dòng)力電池的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，通信基站儲(chǔ)能電池的需求特點(diǎn)為，梯次利用退役動(dòng)力電池安全性風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，在一致性、充放電安全和能量密度等方面的要求相對(duì)寬松。單座基站需要的備用電池一般是30 kW·h，接近一輛新能源汽車動(dòng)力電池退役后的可用容量，只需同一輛車退役下來的動(dòng)力電池“再造”即可，降低了用不同車源導(dǎo)致電池一致性差的風(fēng)險(xiǎn)?；疽话悴徊捎酶唠妷捍箅娏鞯姆绞綄?duì)電池充電，降低了電池在充電過程中發(fā)生爆炸燃燒的幾率。此外，通信基站與充電站環(huán)境類似，相對(duì)空曠，對(duì)電池的能量密度的要求不高。

鐵塔公司通過已有的試點(diǎn)實(shí)踐，提出了通信基站梯次利用電池應(yīng)遵循小模塊低電壓、小電流、高冗余、非移動(dòng)等原則，以及電池選型要適當(dāng)，應(yīng)盡量采取在同一站點(diǎn)內(nèi)優(yōu)先選用同初始標(biāo)稱容量、同標(biāo)稱容量、同廠家、同規(guī)格的梯次電池；對(duì)確有不同容量、不同廠家梯次電池混用需求的，采用電池共用管理器等措施，最大程度消減安全性風(fēng)險(xiǎn)。鐵塔公司已達(dá)成合作意向的車企選擇顯示，將選用磷酸鐵鋰退役動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用。

2.3 純電動(dòng)電源車

移動(dòng)補(bǔ)電車因具有高度靈活性，可以彌補(bǔ)固定充電樁的應(yīng)用短板，同時(shí)可利用峰谷電價(jià)差獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益，近年來逐漸成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。我國(guó)從2015年開始，即出現(xiàn)了專門提供移動(dòng)充電的運(yùn)營(yíng)服務(wù)商。2018年，英國(guó)石油公司（BP）向美國(guó)電動(dòng)汽車車用移動(dòng)式快速充電系統(tǒng)制造商FreeWire投資500萬美元[30]；我國(guó)則在2018年第310批新車型公告中，出現(xiàn)了根據(jù)移動(dòng)充電要求，正向開發(fā)的純電動(dòng)電源車，如東風(fēng)牌EQ5046XDYTBEV。

這種新型純電動(dòng)電源車，相比此前常用的兩種移動(dòng)充電設(shè)施（一種是手推、牽引或車載式的充電寶，另一種是配備儲(chǔ)能電池或柴油發(fā)電機(jī)的違規(guī)改裝型移動(dòng)補(bǔ)電車），更為高效、安全，但目前全部容量采用新電池，成本高、售價(jià)高，市場(chǎng)需求激增但接受度不高。如采用退役動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能備用電源，則可大幅降低成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)調(diào)研分析，以前述車型為例，現(xiàn)搭載218 kW·h磷酸鐵鋰新電池，其中一半容量（109 kW·h）為儲(chǔ)能電池，如使用同類梯次電池，整車成本可下降25%以上。

移動(dòng)充電車一般只提供快充服務(wù)，其本身的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，包括在給其它電動(dòng)汽車充電時(shí)、從電網(wǎng)充電的過程以及行駛中的安全問題都非常突出，尤其是后兩種情況。移動(dòng)充電車攜帶的鋰離子電池容量高，在接受充電過程中的安全要求較高，充電時(shí)需要高功率充電樁，若電壓沒有嚴(yán)格把控，易因過充、過熱而使產(chǎn)品安全性受到嚴(yán)重影響。此外，對(duì)大容量電池包的管理和新舊電池間一致性的保持也是難點(diǎn)，在行駛中要避免易引發(fā)安全事故的濫用。

2.4 快遞電動(dòng)三輪車

規(guī)模巨大的新增鉛酸電動(dòng)三輪車和存量燃油三輪車市場(chǎng)，是退役動(dòng)力鋰電池梯次利用可對(duì)標(biāo)替代的重要目標(biāo)。近五年來，我國(guó)快遞業(yè)務(wù)量年增速連續(xù)每年保持高速增長(zhǎng)，城內(nèi)末端運(yùn)力需求持續(xù)大增[31]，三輪車以其機(jī)動(dòng)靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣為快遞企業(yè)采用。到2018年初，我國(guó)三輪車保有量達(dá)7000多萬輛，其中2000多萬輛為電動(dòng)三輪車（其中2017年新增近900萬輛），但大多使用鉛酸電池。國(guó)家郵政局在2016年的《快遞專用電動(dòng)三輪車技術(shù)要求》中，規(guī)定整車重量＜200 kg，最高車速＜ 15 km/h，建議采用更為環(huán)保的鋰電池或光伏電池，一般容量為2～3 kW·h[32]。電商物流發(fā)達(dá)的杭州等城市，多家快遞企業(yè)已投用數(shù)千輛采用梯次利用鋰電池的三輪車。實(shí)踐顯示，梯次利用的鋰電池體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，性能可比鉛酸電池，從全生命周期計(jì)算，使用成本低于鉛酸電池，且車輛載重能力和使用年限都有提高[6]。

快遞電動(dòng)三輪車所需電池容量不大，在對(duì)退役動(dòng)力鋰電池的重新設(shè)計(jì)制造中，不需要太多模組進(jìn)行重組；車輛一般低速行駛在較平整的簡(jiǎn)單路況，同時(shí)電池便于拆卸，加之第三方共享與換電運(yùn)營(yíng)商的興起，可提供專業(yè)維保、租賃以及物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)定位、監(jiān)測(cè)等服務(wù)，車輛不需要頻繁、快速充電，因此對(duì)電池一致性、重組的復(fù)雜性以及充放電循環(huán)倍率性等方面的要求不需過高，安全風(fēng)險(xiǎn)較易控制。但在雨水較多的南方地區(qū)，淋雨浸水造成電池內(nèi)部短路的安全風(fēng)險(xiǎn)較大，在梯次利用動(dòng)力鋰電池時(shí)，要注意提高防水能力。

3 退役動(dòng)力電池梯次利用安全性分析

梯次利用電池的安全性問題貫穿從動(dòng)力電池生產(chǎn)、車載使用到退役后“再造”以及重新利用的全過程，需要考慮各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的影響因素。如圖2所示，本研究按退役前動(dòng)力電池生命線和退役后的梯次電池生命線兩條主線，進(jìn)行分析和闡述。

圖2 退役動(dòng)力電池梯次利用生命周期示意圖

3.1 動(dòng)力電池生命線的安全性及對(duì)策

3.1.1 材料選擇

選擇電芯材料是電池制造的第一步。鋰離子動(dòng)力電池的材料，包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜和包裝材料五大類，其中正極材料是決定電芯安全性和電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素[33]。根據(jù)正極材料選擇的不同，鋰離子動(dòng)力電池可分為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池、三元?jiǎng)恿﹄姵?、錳酸鋰動(dòng)力電池[34-36]。我國(guó)近幾年裝機(jī)的動(dòng)力電池從使用的正極材料類型看，三元電池和磷酸鐵鋰電池占據(jù)絕對(duì)主體地位，如表2所示。近兩年來因補(bǔ)貼政策向高能量密度、長(zhǎng)續(xù)航里程車型傾斜，三元電池裝機(jī)量呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。2018年以來，受電池安全事故頻發(fā)以及補(bǔ)貼退坡提速等因素影響，磷酸鐵鋰電池有重歸高占比趨勢(shì)。在我國(guó)2016年不到0.15萬噸、2017年不到0.4萬噸的梯次利用電池中，以磷酸鐵鋰電池為主[6-7]。

表2 我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)總量及按正極材料分類數(shù)量（2015—2018年上半年）

相對(duì)而言，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)[37]，最符合梯次利用的安全等性能要求。三元?jiǎng)恿﹄姵仉m然能量密度高、倍率性能好，但循環(huán)壽命和穩(wěn)定性略遜[38]，安全性也有待提升，可基本符合梯次利用要求。錳酸鋰動(dòng)力電池由于循環(huán)壽命短[39]，梯次利用價(jià)值不是很大。為降低梯次利用電池的安全性風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求，建議優(yōu)先選用磷酸鐵鋰電池。

3.1.2 電芯制造

電芯制造包括混料、涂布、裁片等十多個(gè)步驟，工序繁多，工藝復(fù)雜，電阻升高或短路等造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，在每一道工序中都可能存在，涉及生產(chǎn)工藝、設(shè)備質(zhì)量、過程控制以及生產(chǎn)管理、環(huán)境控制等多方面。例如在混料過程中，正負(fù)極的容量配比錯(cuò)誤，易導(dǎo)致大量金屬鋰在負(fù)極表面沉積而造成內(nèi)短路；漿料混合不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致充放電負(fù)極體積變化大析鋰造成內(nèi)短路；涂布需要保證極片厚度和重量一致，否則會(huì)影響電池的一致性，同時(shí)還須防止灰塵混入極片導(dǎo)致電池放電過快而產(chǎn)生安全隱患。涂布質(zhì)量控制不好可能會(huì)造成活性物質(zhì)剝落或內(nèi)短路[40]。焊接過程中的虛焊、料塵、隔膜紙?zhí)』蛭磯|好、隔膜有洞、毛刺未清理干凈等，也會(huì)形成安全隱患。不同電池供應(yīng)商的制造水平有較大差異，為確保梯次利用電池的安全性，宜盡量選用優(yōu)質(zhì)電池供應(yīng)商的產(chǎn)品。

3.1.3 電池封裝集成

鋰離子電池按電芯封裝形式主要有方形、軟包和圓柱三種。2015年以來，方形電池在我國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)裝機(jī)量中一直占比最高，且總量遙遙領(lǐng)先，并因國(guó)家政策和市場(chǎng)對(duì)于動(dòng)力電池能量密度、輕量化有更高要求，而有繼續(xù)上升之勢(shì)，在2018年上半年動(dòng)力電池總裝機(jī)容量中占比高達(dá)76%[41]。三種封裝形式的電池近幾年的市場(chǎng)份額，如圖3所示。這幾種電池各有優(yōu)勢(shì)和不足，有各自的主導(dǎo)市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域。相比而言，方形電池結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、能量密度較高、抗沖擊能力強(qiáng)，但型號(hào)多、工藝難統(tǒng)一，主要用于客車和乘用車；軟包電池重量輕、能量密度高、內(nèi)阻小、循環(huán)性能好，但一致性較差、易發(fā)生漏液，三種車型都有使用；圓柱形電池工藝成熟、良品率高、一致性好，但較重且比能量低，主要在乘用車和低速電動(dòng)車上應(yīng)用。方形電池中磷酸鐵鋰的較多，軟包和圓柱形電池中三元材料的更多。在需要快充的應(yīng)用場(chǎng)景，由于方形電池溫升較易控制，比軟包電池更有優(yōu)勢(shì)。再合理的電芯設(shè)計(jì)與制造都無法避免使用中的意外，還需要合理的電池集成設(shè)計(jì)和先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)，減少因電芯出問題時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)和損失[39]。

圖3 2013—2018年上半年我國(guó)三種封裝形式動(dòng)力電池裝機(jī)量占比

3.1.4 車載使用

我國(guó)動(dòng)力電池主要搭載使用的車型有商用車（客車、專用車）和乘用車，其中專用車主要為城市電動(dòng)物流車。車型不同、使用工況和環(huán)境不同，退役時(shí)動(dòng)力電池的安全性和性能有所不同。過充過放、環(huán)境溫度、機(jī)械濫用（針刺、擠壓、內(nèi)短路）以及海水浸泡等濫用，都對(duì)退役后的電池安全性有影響[42]。此外，還需考慮我國(guó)各類新能源汽車的應(yīng)用領(lǐng)域、運(yùn)營(yíng)模式等，對(duì)電池退役后再利用的影響。

3.2 退役電池生命線的安全性及對(duì)策

3.2.1 拆卸儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)

從整車上收集退役下來的動(dòng)力電池，首先要把電池包從車上整體拆卸下來，再拆開獲得電池模組或電芯。由于電芯之間一般以焊接方式相連，如要拆解到電芯，極易造成安全問題或電芯損傷甚至報(bào)廢，難以確保無損拆解，而電池模組之間是軟性連接設(shè)計(jì)，因此對(duì)電池包拆解一般建議只拆到模組。

電池包一般有幾百伏的高壓，拆解前須做好放電處理。針對(duì)不同車型的PACK在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模組連接方式以及工藝技術(shù)等方面的差異，要注意在拆解中進(jìn)行柔性化配置，安全操作；在拆解后，要做好分類、標(biāo)識(shí)、存放、信息錄入和追溯管理等。

在儲(chǔ)存運(yùn)輸環(huán)節(jié)，注意環(huán)境安全，如遠(yuǎn)離火源，使外端處于絕緣防護(hù)狀態(tài)，避免儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)（儲(chǔ)存超過三個(gè)月要及時(shí)進(jìn)行充電）和長(zhǎng)距離運(yùn)輸，避免暴曬、雨淋及強(qiáng)外力碰撞等，也是減少安全隱患的重要舉措。

3.2.2 篩選分組環(huán)節(jié)

退役電池模組的安全缺陷和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，如漏液、脹氣、內(nèi)短路、外殼破損、絕緣失效、極柱腐蝕等。篩選出健康狀態(tài)好、剩余壽命長(zhǎng)、一致性好的電芯或模組，是提高梯次利用產(chǎn)品安全性的最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。篩選需要對(duì)每個(gè)電芯或電池模組的壽命、安全性和可靠性等進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估，對(duì)內(nèi)阻的變化、電壓差的變化等指標(biāo)，進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)判。包括經(jīng)過環(huán)境沖擊、車載振動(dòng)等的正負(fù)極保護(hù)蓋、線束隔離板等零部件狀態(tài)以及電池模組外觀，也應(yīng)檢測(cè)、評(píng)估。

梯次利用前，對(duì)退役電池的診斷和篩選是重要環(huán)節(jié)也是難點(diǎn)。不同類型的電芯、模組、系統(tǒng)在不同工況下服役之后，性能劣變的程度各不相同，一致性的差異較原裝電池更為明顯，因此必須進(jìn)行診斷，以便篩選出有再利用價(jià)值的電池?，F(xiàn)有的診斷檢測(cè)方法，主要針對(duì)單體電池，模組和系統(tǒng)直接診斷的難度較大。常規(guī)方法主要是首先直接對(duì)其外觀和電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估[11]，使用納米CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）技術(shù)可對(duì)電芯內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性及定量分析[43]，建立電池的電化學(xué)模型，并通過電池的外部電化學(xué)參數(shù)來分析電池內(nèi)部性能狀態(tài)[44]，近期還發(fā)展了一些更直觀的新技術(shù)，如一種接觸式的超聲無損檢測(cè)技術(shù)[45]，可通過超聲信號(hào)與電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)或者直接掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）的快速高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)；另一種無損非接觸式的篩選方法也能提高篩選效率[46]。對(duì)電池模組的檢測(cè)技術(shù)要求較高，如在不打開電池模組的情況下，檢測(cè)是否有鋰枝晶生長(zhǎng)，減少可能導(dǎo)致“死鋰”和電池短路等風(fēng)險(xiǎn)，目前尚缺乏能檢測(cè)篩選電池模組的成熟技術(shù)和裝備。

電池篩選后需要合理分組進(jìn)行再造，分組需根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)以及梯次利用的需求數(shù)據(jù)等，建立以材料體系、容量、內(nèi)阻、剩余循環(huán)壽命等參數(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，把健康狀態(tài)、剩余壽命等指標(biāo)在同一級(jí)的模組，進(jìn)行合理分組，梯次再利用。

3.2.3 定容重組環(huán)節(jié)

梯次利用電池產(chǎn)品“再造”的最后一環(huán)，是把篩選分組后一定數(shù)量、同一級(jí)別的電池模組，進(jìn)行定容重組。對(duì)退役動(dòng)力電池中的“舊”電池模組進(jìn)行管理，比對(duì)新電池面臨的問題更復(fù)雜，梯次利用電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)安全性問題考慮要更為全面。優(yōu)化設(shè)計(jì)模組連接方案，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性化；克服傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移式電池均衡器的缺陷，采用智能分時(shí)混合均衡技術(shù)[47]，搭載合適的電流均衡器，搭配高效溫度預(yù)警系統(tǒng)，以及增加熱量管理和高壓監(jiān)控等安全性模塊，都是削減梯次利用電池離散整合安全風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。此外，可采用云存儲(chǔ)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，提高BMS數(shù)據(jù)的安全性，消減為不當(dāng)謀利而非法篡改偽造數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.4 電池再利用環(huán)節(jié)

電池?zé)崾Э厥请姵匕踩鹿拾l(fā)生的主要原因[40]，在重組電池梯次利用環(huán)節(jié)要特別加以防患。雖然前述對(duì)梯次利用“再造”各環(huán)節(jié)的一致性保障措施，可以有效降低電池?zé)崾Э氐膸茁?，但仍無法避免再利用過程中一致性的再次離散[22]。雖然重組過程中通過溫度預(yù)警系統(tǒng)能比較有效地阻止電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，但在外力干擾、電池內(nèi)短路[48]等發(fā)生時(shí)，電池會(huì)瞬間大量放熱，使預(yù)警系統(tǒng)失效，引起著火爆炸等。配備充足的消防設(shè)施，并做好消防預(yù)案，以及在較高電池容量的梯次利用場(chǎng)景中，將電池分區(qū)域隔離放置，避免電池連鎖失控等，也是提高梯次利用中防護(hù)安全的重要措施。

3.3 基于應(yīng)用場(chǎng)景的電池梯次利用安全保障綜合策略

當(dāng)前我國(guó)動(dòng)力電池回收利用新政策剛開始施行，電池溯源管理平臺(tái)也剛開始啟動(dòng)，退役電池歷史數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失，模組檢測(cè)評(píng)估與篩選重組等關(guān)鍵技術(shù)尚存瓶頸，應(yīng)用市場(chǎng)剛開始起步，針對(duì)某種退役電池適合用場(chǎng)景選擇尚無具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)①，電池梯次利用面臨巨大挑戰(zhàn)。梯次利用必須依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，采取以需求為導(dǎo)向的優(yōu)化匹配策略，最大程度地消減安全風(fēng)險(xiǎn)。

首先全面分析梯次利用應(yīng)用場(chǎng)景需求，把涉及電池安全的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，根據(jù)所需容量、性能、使用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等約束條件，逐一細(xì)化，并進(jìn)行量化標(biāo)定，形成應(yīng)用需求安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫。其次，對(duì)難于追溯原始身份數(shù)據(jù)和車載使用數(shù)據(jù)的動(dòng)力電池，強(qiáng)化對(duì)電池供應(yīng)用商、車企和車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)狀況的整體分析，分別對(duì)整批電池的材料體系、封裝形式、生產(chǎn)工藝、制造水平和BMS等，以及整批車型的應(yīng)用領(lǐng)域、整個(gè)車隊(duì)的運(yùn)行方式等進(jìn)行分析，對(duì)照應(yīng)用需求的安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立退役電池安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及數(shù)據(jù)庫。在建立上述兩大數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，形成如圖4所示的安全綜合匹配策略框架，開展建模分析，進(jìn)行以需求為導(dǎo)向的安全優(yōu)化匹配決策。

圖4 基于應(yīng)用需求的退役動(dòng)動(dòng)力電池梯次利用安全優(yōu)化匹配策略框架

對(duì)于充（換）電站和移動(dòng)充電車的梯次電池安全選擇，考慮其使用電池容量相對(duì)較大，對(duì)快速充電安全性要求高等特點(diǎn)，建議優(yōu)先選用從城市公交客車應(yīng)用領(lǐng)域退役的磷酸鐵鋰方形電池。因?yàn)榇祟悜?yīng)用領(lǐng)域的新能源客車，大多使用磷酸鐵鋰方形電池，主要在城市固定線路、以相對(duì)穩(wěn)定的速度運(yùn)行，充電方式以夜間利用谷電慢充為主，大多有公交公司或城市交通管理平臺(tái)等的數(shù)據(jù)可參考，相對(duì)其他應(yīng)用領(lǐng)域的退役電池，安全性風(fēng)險(xiǎn)更低。對(duì)于新能源專用車退役電池的梯次利用，要充分考慮我國(guó)以純電動(dòng)物流車、在城市配送應(yīng)用為主的特點(diǎn)。電動(dòng)物流車產(chǎn)業(yè)化相對(duì)其他兩種車型起步較晚，從2015年底首次進(jìn)入年產(chǎn)銷量萬輛級(jí)，到2017年底累計(jì)應(yīng)用約20萬輛。這類車輛因生產(chǎn)工具屬性高，應(yīng)用環(huán)節(jié)對(duì)整車價(jià)格高度敏感，近幾年來正向開發(fā)的車型很少，電池品質(zhì)和使用友好程度相對(duì)較低，潛在的安全性風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，充電站、移動(dòng)充電車等場(chǎng)景不建議選用，其它應(yīng)用場(chǎng)景盡量選用正向開發(fā)車型搭載的磷酸鐵鋰電池。乘用車的動(dòng)力電池相對(duì)其它車型要求較高，一致性較好，循環(huán)性能較好，大多為三元材料電池。出租車領(lǐng)域運(yùn)營(yíng)的新能源汽車，日平均使用里程高，常需快速補(bǔ)電，電池衰減快，剩余價(jià)值不高，除快遞電動(dòng)三輪車適當(dāng)選用外，其它場(chǎng)景慎用。相比出租車而言，近幾年興起的分時(shí)租賃（汽車共享）用純電動(dòng)乘用車，日平均使用里程較短，以慢充為主，此工況退役的電池能量密度總體相對(duì)較高，安全性風(fēng)險(xiǎn)較低，梯次利用價(jià)值較高，除快遞純電動(dòng)三輪車外，規(guī)模不大的充電站儲(chǔ)能也可選用。

4 結(jié) 語

退役動(dòng)力電池梯次利用的安全性決定了梯次利用市場(chǎng)的發(fā)展與未來，也是促進(jìn)我國(guó)新能源汽車以及動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)本身健康快速發(fā)展，打好生態(tài)環(huán)保攻堅(jiān)戰(zhàn)的關(guān)鍵。電池梯次利用是復(fù)雜的系統(tǒng)性社會(huì)化工程，消減安全風(fēng)險(xiǎn)，需要綜合施策，基于應(yīng)用需求，分步驟、有重點(diǎn)地建立確實(shí)有效的安全保障體系。在當(dāng)前條件下，應(yīng)在繼續(xù)開展大容量電網(wǎng)儲(chǔ)能梯次利用示范工程的同時(shí)，加快發(fā)展民用梯次利用產(chǎn)業(yè)。在當(dāng)前民用市場(chǎng)主要應(yīng)用場(chǎng)景下，應(yīng)建立并采取基于應(yīng)用場(chǎng)景需求的梯次利用電池安全優(yōu)化匹配策略。同時(shí)，還要強(qiáng)化全生命周期安全風(fēng)險(xiǎn)消減與控制的理念，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，前置融入梯次應(yīng)用不同場(chǎng)景的需求，創(chuàng)新動(dòng)力電池傳統(tǒng)開發(fā)模式，定制化設(shè)計(jì)既滿足車用要求，又便于退役后拆卸拆解、檢測(cè)重組的電芯連接、模組連接和PACK模式；要強(qiáng)化民用市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景產(chǎn)學(xué)研用各方合作，加快發(fā)展模組級(jí)和系統(tǒng)重組的快速無損檢測(cè)等技術(shù)與裝備。此外，還要大力扶持專業(yè)提供梯次利用電池“再造”、共享及維保服務(wù)的獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商，以專業(yè)運(yùn)營(yíng)商為龍頭，構(gòu)建能真正落實(shí)車企和電池廠等生產(chǎn)者主體延伸責(zé)任的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用體系，促進(jìn)梯次利用民用市場(chǎng)快速成長(zhǎng)。

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① 到2018年9月初，我國(guó)目前尚無針對(duì)某種退役電池適合用場(chǎng)景的具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但中國(guó)汽車技術(shù)研究中心（CATARC）已在開展梯次利用場(chǎng)景匹配的評(píng)價(jià)體系研究。

Application-derived safety strategy for secondary utilization of retired power battery

WU Xiaoyuan1,WANG Junxiang2,TIAN Weichao3,ZUO Zhelun1

(1School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China;2College of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China;3Shanghai Wei Lai Automobile Co., Ltd., Shanghai 201805, China)

Based on the application of new energy vehicles in China and the actual development of policy, technology, industry and market, this study focuses on safety issues and countermeasures of key links in the secondary utilization of retired lithium-ion batteries (LIBs). It introduces secondary utilization modes of retired power battery, summarizes status and trend of scrapping and secondary utilization of power batteries in different cathode materials, points out the challenges and opportunities, analyzes the hidden dangers of power lithium ion batteries in production and vehicle-usage as well as the safety requirements and risks of the secondary utilization of the retired-power batteries in four different application scenarios. A safety strategy to optimize secondary utilization matching with different safety foundation of different type of power battery and vehicle application is proposed. Meanwhile, it is suggested to innovate power battery development and design mode, to develop key technologies for secondary utilization, to accelerate business model innovation and to foster a bigger and more successful industry as a comprehensive strategy to improve the safety of battery secondary utilization.

demand oriented; power battery; secondary utilization; safety; comprehensive strategy

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0187

TM 912.9

A

2095-4239（2018）06-1094-11

2018-09-10；

2018-09-24。

吳小員（1968—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚕ê姵氐龋┊a(chǎn)業(yè)與應(yīng)用，E-mail：xywu@#edu.cn。