動力鋰電池梯次利用進展研究

郭京龍，樓 平，徐國華，章明高，程 琦，湯 舜，曹元成

（1.江漢大學 光電化學材料與器件教育部重點實驗室，化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430056；2.國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000；3.武漢瑞杰特材料有限責任公司，湖北 武漢 430200；4.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

21世紀以來，隨著人們對能源需求的不斷增長以及環(huán)保意識的不斷增強，世界各國開始優(yōu)化能源結構，傳統(tǒng)的化石能源所占比例不斷降低，清潔能源所占比例不斷增長。傳統(tǒng)汽車由于使用汽油，產生大量廢氣從而對環(huán)境造成污染［1-2］。鋰離子電池（Li-ion batteries，LIB）作為一種能量密度高、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保的儲能電源開始被世界各國用于電動汽車領域。隨著電動汽車的不斷普及，電動汽車的核心部件——動力鋰電池的生產量急劇增加。我國自2014年開始大規(guī)模推廣電動汽車，截止2019年，第一批電動汽車的動力電池開始逐漸進入了退役階段，每年都有大量的動力電池從電動汽車上“下崗”，如何綠色回收并無污染地處理好這些電池是新能源汽車產業(yè)和國家有關部門面臨的迫切難題。

目前退役的動力電池主要以動力鋰電池為主，動力鋰電池相對鉛蓄電池而言是安全和綠色環(huán)保的，但是退役的動力鋰電池如果沒有得到妥善安置，也會變成一個定時炸彈，對人類和環(huán)境形成巨大威脅。動力鋰電池主要由正極、負極、電解液和隔膜組成，另外還含有導電碳、聚合物和鋰過渡金屬氧化物［3-5］。如果在沒有適當處理的情況下直接丟棄廢動力鋰電池，電極材料中鈷、鎳和錳等重金屬會污染土壤和地下水［6］；電解液容易與水反應釋放出有害氣體，如氟化氫（HF）等；此外，在循環(huán)壽命期間，由于過度充電或其他不當使用，Li 傾向于沉積在陽極上，沉積的Li 可以與水反應釋放氫氣（H2）并產生氫氧化鋰（LiOH），剩余電量往往會引起爆炸或火災事故。

目前，電動汽車中動力鋰電池正極材料以磷酸鐵鋰和三元材料為主，三元材料中含有鎳、鈷、錳等重金屬元素，這些金屬元素在我國分布較少，進口依賴度高，其中我國96%的鈷金屬都依賴于進口。隨著我國電動車數(shù)量的增多，近兩年原材料價格持續(xù)上漲，動力鋰電池的生產成本也進一步上漲，回收退役電池中的金屬元素也是企業(yè)降低成本的一條有效途徑。國家政策方面，在2019年年初，工信部發(fā)布了《新能源汽車動力蓄電池回收利用調研報告（簡介）》，對動力鋰電池回收產業(yè)的發(fā)展進行了調研和分析，對推動我國動力鋰電池回收產業(yè)的布局以及發(fā)展具有重大意義。

退役動力鋰電池數(shù)量的與日俱增、保護生態(tài)環(huán)境的需要、退役動力鋰電池回收產業(yè)帶來的巨大商機和國家政策導向等都推動著對動力鋰電池的回收。在動力鋰電池回收產業(yè)布局方面，我國已經完成了基本布局，動力鋰電池回收體系已初具雛形［7］。目前我國產生了幾家優(yōu)秀回收企業(yè)（如格林美、賽德美、中天鴻鋰等），如何將如此大規(guī)模的退役動力鋰電池所帶來的經濟效益以及環(huán)境問題處理好，這是新能源汽車產業(yè)和電池回收企業(yè)現(xiàn)階段所要解決的問題。

本文介紹了退役動力鋰電池在梯次利用方面的發(fā)展現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展進行了展望。

1 動力鋰電池的梯次利用

一般而言，新能源汽車電池容量衰減到60% ～80%便達到了退役的標準，需要更換電池。然而這些退役的動力鋰電池并非完全失去了價值，可以在其他領域進行梯次利用，發(fā)揮其剩余價值。比如共享電動車、路燈、偏遠地區(qū)的充電基站以及家庭儲能等。退役動力鋰電池的梯次利用不僅能夠提高資源使用效率，也可以有效緩解大批量電池進入回收階段帶來的巨大壓力。目前，我國動力鋰電池的梯次利用還處在試點階段，通過借鑒國外對退役電池的回收處理經驗，梯次利用是退役動力鋰電池的主要落腳點。

我國對回收后的退役動力鋰電池的處理是鼓勵企業(yè)先進行梯次利用，直到不能滿足梯次利用的需求再進行材料回收，其流程如圖1所示。退役動力鋰電池的梯次利用不僅可以減少環(huán)境污染和資源浪費，也可以更充分利用退役動力鋰電池的剩余價值為企業(yè)創(chuàng)造利潤，降低新能源汽車的成本。

1.1 梯次利用現(xiàn)狀

目前，全球范圍內都在積極開展有關動力鋰電池梯次利用的研究，如德國、美國、日本等國家由于起步較早，如今已經有了很多成功的示范工程和商業(yè)項目。例如日本4R Energy 公司將退役的二手電池用于個人和商業(yè)儲能，夏普公司則將退役的動力鋰電池通過智能功率調節(jié)器用于家庭儲能；美國杜克能源將退役的動力鋰電池應用在家庭能源上。表1總結了目前國內外梯次利用的成功案例。

從表1可以看出，我國在退役動力鋰電池梯次利用方面與歐美等發(fā)達國家有一定的差距，主要停留在示范項目階段，商業(yè)化的應用還很少。應加快商業(yè)化應用的進程，比如在出行領域的共享電動車、電動三輪車盡快打開市場，為其他企業(yè)的商業(yè)化應用做出示范［5-7］。

圖1 退役動力鋰電池回收體系流程Fig.1 Process of decommissioned power lithium battery recycling system

表1 國內外梯次利用成功案例總結Tab.1 Summary of successful cases of domestic and foreign echelon utilization

儲能領域是目前動力鋰電池梯次利用的最佳領域［8］。我國可再生能源應用途徑主要以風力發(fā)電、光伏發(fā)電為主，并且屬于間歇式能源。隨著我國向低碳經濟的轉型，傳統(tǒng)的煤炭發(fā)電逐漸會被取代，可再生能源發(fā)電將會成為以后的主流［9-11］。隨著可再生能源在電網(wǎng)領域的發(fā)展，未來也會面臨兩個問題:傳統(tǒng)電網(wǎng)必將被智能微電網(wǎng)所取代，同時也要求可再生能源發(fā)電廠具有相應的電力儲存能力，因此儲能設施的參與勢在必行［12］。利用退役動力鋰電池組建成儲能系統(tǒng)，不僅可以減少我國因棄風、棄光現(xiàn)象而造成的電資源浪費，同時也有助于解決部分地區(qū)電力短缺、間歇性供電、夏季用電緊張等問題。

退役動力鋰電池能否用于梯次利用以及應用領域，主要依據(jù)電池的剩余容量，根據(jù)所剩余能量從大到小應用的領域依次為低功率電動車和電動自行車、電網(wǎng)儲能、低端儲能需求如家庭儲能等。圖2是動力鋰電池梯次利用的標準，當電池剩余容量在20% ～80%時，則可以進行梯次利用；如若電池容量低于20%時，則已不滿足梯次利用的標準，應送到電池拆解廠進行材料的回收。

我國已經針對動力鋰電池的回收與利用出臺多部政策（見表2），尤其是《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》《車用動力電池回收利用拆解規(guī)范》《車用動力電池回收利用——余能檢測》3 項政策及法規(guī)的頒布和實施，進一步完善了動力鋰電池回收利用企業(yè)相關管理規(guī)范及標準體系［12-13］。

圖2 動力電池應用區(qū)段Fig.2 Power lithium battery application section

表2 動力鋰電池回收相關政策Tab.2 Power lithium battery recycling policy

1.2 梯次利用存在的主要問題

動力鋰電池的梯次利用一般分為拆解、余能檢測、篩選和重組4 個環(huán)節(jié)。由于我國動力鋰電池梯次利用起步較晚，目前存在以下幾個問題:退役電池的安全問題、相關設備和技術上投入不足、退役動力鋰電池溯源性較差、上下游企業(yè)信息交流較少、評價標準和評估體系不健全［13-15］。

1.2.1 退役動力鋰電池的安全性和塑源性難以保證 當前我國在動力鋰電池回收方面處于起步階段，現(xiàn)有的電池回收體系存在一定的不足。市面上動力鋰電池種類多樣，型號尺寸都存在差異，沒有統(tǒng)一標準，同時回收的電池也存在來源不明的情況，追溯性較差，這給企業(yè)對動力鋰電池的梯次利用增加了安全隱患以及其他不可控因素。

退役動力鋰電池的安全問題是其梯次利用的首要條件［16-19］。一方面，鋰電池本身存在安全隱患，由于來源不知，回收的電池可能本身就存在問題，在運輸過程中可能就會引發(fā)安全事故；由于我國拆解機械自動化水平較低，退役動力鋰電池在拆解階段，極易發(fā)生違規(guī)操作引發(fā)起火爆炸。此外，在電池篩選環(huán)節(jié)，由于技術門檻較高，對電池的余能檢測和其他方面的評估準確度會有一定的偏差，一致性不足，再梯次利用到實際生活中可能會存在安全隱患［20-22］。

1.2.2 梯次利用相關設備研發(fā)投入不足 要想加快動力鋰電池梯次利用的發(fā)展，不僅要在應用方面下功夫，設備上的研發(fā)也要齊頭并進。我國近些年鼓勵企業(yè)掌握核心技術，提高競爭力，設備的研制則是核心中的核心。但是在電池拆解設備的研發(fā)方面投入還是較少，自動化水平較低，自主研發(fā)能力不足，大多數(shù)企業(yè)還是以人工為主，機器為輔的回收模式。只有邦普等少數(shù)企業(yè)在拆解設備方面擁有自主研發(fā)能力，但不足以扛起梯次利用這個大市場。

在電池檢測和篩選方面，技術上也存在一定的瓶頸。由于回收的電池來源、類型、尺寸不同，導致一致性不足，同時電池一次使用階段的BMS 數(shù)據(jù)不知，因此在檢測和篩選階段對技術上要求比較高，涉及到物理、化學、材料等領域，這種復合型人才相對稀缺。在電池重組方面，各類電池的電芯標稱容量開路電壓以及電阻不同，綜合利用難度較大。

1.2.3 梯次利用產業(yè)鏈及商業(yè)模式有待完善 動力鋰電池梯次利用產業(yè)鏈涉及多方利益，如何協(xié)調好個人、車企、電池生產商和梯次利用企業(yè)的利益，這是該產業(yè)能夠健康有序發(fā)展的重要保證。這既需要國家出臺相關政策，也需要各方進行合作，在探索中走出一條可持續(xù)發(fā)展的道路。此外，動力鋰電池梯次利用制造的產品在推廣上也有一定的困難。如何克服消費者對其安全性、使用壽命的疑慮，都需要去解決。

1.3 梯次利用技術進展

針對目前退役動力鋰電池在余量檢測、內阻、荷電狀態(tài)等方面遇到的問題，一些學者對其進行了探索。陳偉華等［23］以充電站的退役電池為研究對象，將電池模組和4 個單體串聯(lián)進行了一系列充放電循環(huán)試驗，通過分析兩者在電池容量、極化內阻和荷電狀態(tài)的差異，發(fā)現(xiàn)退役電池在連接方式上，串聯(lián)比并聯(lián)更好，串聯(lián)的電池容量衰減更慢，極化內阻一致性更好。該研究對于實現(xiàn)磷酸鐵鋰動力電池的梯次利用具有指導意義。

李香龍等［24］針對退役電池衰退不一致性的問題，以退役的錳酸鋰電池為試驗對象，對其進行了各種類型的電化學測試，對實驗結果分析后發(fā)現(xiàn):退役電池容量和內阻參數(shù)符合正態(tài)分布；退役電池不同荷電狀態(tài)下開路電壓離散程度不同；退役電池在小倍率放電的場景更有前景。

LIAO 等［25］通過觀察檢查、電池容量測量、脈沖特性曲線和電化學阻抗譜評估電動車輛退役鋰離子電池的外部和內部特性。通過分析發(fā)現(xiàn):1）觀測檢查和容量測量只是從電動車輛中篩選和分類退役電池的初步方法；2）脈沖放電電壓是評估退役電池一致性的重要指標；3）從阻抗的角度來看，影響電池容量的所有因素中，Warburg 阻抗是主要的，電荷轉移電阻是第二，容量和歐姆電阻之間沒有相關性；4）退役電池的性能評估和一致性分區(qū)需要通過不同的性能參數(shù)進行綜合判斷。

1.4 動力鋰電池回收體系有待完善

我國新能源汽車發(fā)展迅速，僅2017年就銷售100 萬臺電動車，電動汽車數(shù)量的增加會給相關電池回收企業(yè)帶來壓力。相比電池制造技術上的飛速發(fā)展，我國在電池回收方面的發(fā)展可謂是舉步維艱，動力鋰電池回收體系的完善遇到以下幾個問題:技術上，電池拆解自動化普及率低，現(xiàn)有儀器檢測設備對退役電池性能檢測數(shù)據(jù)不夠精準。行業(yè)標準上，電池上下游企業(yè)溝通不到位，對同一問題具有不同的標準。政策宣傳上，回收退役電池的宣傳存在缺位問題，大眾對退役電池的危害認識不足，很多人并不知道怎么處理退役的動力電池以及電池回收站在何處。市面上的退役動力電池很多都流通到一些小作坊和資質不達標的企業(yè)，只有少量電池被回收到正規(guī)電池回收企業(yè)。制度政策上，我國已出臺一系列回收政策，但是大多數(shù)都屬于指導性的文件，沒有具體的實施方式。

2 展望

動力鋰電池梯次利用與回收對于社會經濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關重要，特別是對于擁有全球最大的鋰離子電池制造商和消費者的中國來說尤其如此。因此，對于未來動力鋰電池回收產業(yè)的發(fā)展，有以下幾點建議:1）加強產學研相結合。積極引導企業(yè)與高校之間的合作，對于一些在實驗室能夠取得良好回收的技術，在條件滿足的情況下，應積極推進其產業(yè)化。2）建立人才儲備庫。退役動力電池的梯次利用涉及多個專業(yè)，對于交叉型人才需求比較大。高校應根據(jù)社會需求開設相應的專業(yè)，為我國電池回收產業(yè)提供人才儲備軍。3）政策上扶持。政府應積極鼓勵企業(yè)對退役電池的再利用，在稅收或者建設用地方面給予一定的政策優(yōu)惠。4）加強對電池回收政策的宣傳。新能源車企應起帶頭作用，在消費者購買汽車的時候，就簽署動力電池回收的相關協(xié)議，從源頭上保證電池能有效回收。5）政府部門應積極督促相關車企按時上傳售賣的新能源汽車信息，不少報、不瞞報、不錯報，健康有效地建立好電池溯源管理平臺。