動力電池梯次利用國家標(biāo)準(zhǔn)體系分析

譚 震，范茂松，趙光金，楊 凱*

(1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052)

預(yù)計到2025年，中國動力電池的累計退役量將會超過90 GW·h[1]。在退役下來的動力電池中，很大一部分又可以應(yīng)用于對性能要求較低的場合，實現(xiàn)動力電池的梯次利用。這樣既可以使退役動力電池的效益最大化，又減少了環(huán)境污染，對新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用[2]。

目前，梯次利用產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展還存在不少限制，如盈利模式不成熟、關(guān)鍵技術(shù)亟待突破、安全問題嚴(yán)峻、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范發(fā)展滯后等問題。標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的制定和推廣，是梯次利用規(guī)?；瘧?yīng)用的前提[3]，需要加快梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系框架的研究制定進程。本文作者通過分析已有的車用動力電池標(biāo)準(zhǔn)體系框架，考慮梯次利用場景獨特的應(yīng)用條件及特性，對梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系的完善提出建議。

1 國內(nèi)現(xiàn)有的動力電池標(biāo)準(zhǔn)體系

1.1 動力電池梯次利用國家標(biāo)準(zhǔn)

動力電池的梯次利用過程包含拆解、性能檢測、安全檢測、分選重組、消防和再退役等步驟，只有對每一個步驟都進行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)建完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，梯次利用才能規(guī)?；l(fā)展。目前很多梯次利用電池的檢測還在沿用動力電池的標(biāo)準(zhǔn)，原因是針對梯次利用動力電池的標(biāo)準(zhǔn)還很少?，F(xiàn)行動力電池梯次利用的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)僅有GB/T 33598-2017《車用動力電池回收利用 拆解規(guī)范》[4-5]、GB/T 34015-2017《車用動力電池回收利用 余能檢測》[6-7]、GB/T 34015.2-2020《車用動力電池回收利用 梯次利用 第2部分：拆卸要求》[8]和GB/T 8698.1-2020《車用動力電池回收利用 管理規(guī)范 第1部分：包裝運輸》[9]等4項，分別對應(yīng)梯次利用過程中的拆解、性能檢測、拆卸和包裝運輸?shù)炔糠帧?/p>

GB/T 33598-2017規(guī)范了從廢舊車用動力電池包組拆解成動力電池單體過程中的總體要求、安全要求、作業(yè)程序及存儲和管理要求。保證動力電池拆解環(huán)節(jié)安全、環(huán)保、高效，是后續(xù)開展梯次利用電池測試評估、分選重組工作的前提。GB/T 33598-2017規(guī)定的拆解流程如圖1所示。

圖1 車用動力電池回收利用拆解流程Fig.1 Dismantling flow of vehicle power battery recycling

GB/T 34015-2017規(guī)范了動力電池外觀檢查、極性檢測、電壓判別和充放電電流判別等初篩過程，規(guī)定以不高于0.2C小電流(I5)對單體或模塊進行充放電測試，為車用動力電池的余能檢測提供了評價依據(jù)。此標(biāo)準(zhǔn)只有測試方法而無要求，未規(guī)定產(chǎn)品可用性或安全性的標(biāo)準(zhǔn)閾值，且依據(jù)該測試方法確定電池余能耗時較長，約10 h，不利于大規(guī)模工程應(yīng)用。GB/T 34015-2017規(guī)定的檢測流程如圖2所示。

圖2 車用動力電池回收利用余能檢測流程Fig.2 Residual capacity test flow of vehicle power battery recycling

GB/T 34015.2-2020規(guī)范了將動力電池包從電動汽車上分離移出的操作環(huán)節(jié)。與GB/T 33598-2017類似，均為電池樣品拆解規(guī)范，規(guī)定了電池包或模塊的拆卸過程中的場地、設(shè)施、人員及作業(yè)等要求。

GB/T 8698.1-2020規(guī)范了車用動力電池回收利用包裝運輸環(huán)節(jié)。退役車用電池首先依據(jù)絕緣、外觀等外在指標(biāo)進行初步安全判定和預(yù)處理，分為3個等級，再依據(jù)HJ 2025-2012《危險廢物收集 貯存 運輸技術(shù)規(guī)范》[10]和JT/T 617-2018《危險貨物道路運輸規(guī)則》[11]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按不同危險等級來包裝，并規(guī)定按不同等級要求運輸，以保證安全性。

從以上標(biāo)準(zhǔn)的操作流程可知，對廢舊電池的預(yù)處理和信息采集是開展工作的前提，歸根結(jié)底是電池的溯源問題。GB/T 34014-2017《汽車動力蓄電池編碼規(guī)則》[12]規(guī)定了動力電池編碼的基本原則、編碼對象、代碼結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)載體。該規(guī)則可用于動力電池生產(chǎn)管理、維護和溯源及電動汽車關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控，特別是在回收利用環(huán)節(jié)，憑借可追溯性和唯一性，能更加準(zhǔn)確地確定動力電池回收責(zé)任主體。此外，產(chǎn)品規(guī)格尺寸不統(tǒng)一也是影響廢舊電池回收利用效率和門檻的主要難題，基于此制定的GB/T 34013-2017《電動車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》[13]明確規(guī)定了電動汽車用動力電池的單體、模塊和標(biāo)準(zhǔn)箱尺寸規(guī)格要求。該標(biāo)準(zhǔn)可較好地解決動力電池因尺寸不一，難以匹配儲能電站或家用儲能設(shè)備結(jié)構(gòu)的難題，也降低了動力電池梯次利用的門檻。無論是規(guī)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化還是編碼的統(tǒng)一化，都極大地完善了動力電池梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系框架，推進了電池梯次利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

梯次利用電池現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)只涵蓋了退役電池前期處理階段，還未涉及對電池電性能、安全性能判別、分選重組和再退役等后期階段。雖然中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會等機構(gòu)相繼發(fā)布了多項電池回收利用團體標(biāo)準(zhǔn)，但約束力度不及國家標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，針對梯次利用電池實際應(yīng)用場景，目前還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，梯次利用電池有獨特的性能特點及應(yīng)用場景，直接使用動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)，存在局限性。

1.2 動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于梯次利用的局限性

國內(nèi)早期與動力電池相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)僅有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》[14]，缺乏權(quán)威性及廣泛性，行業(yè)監(jiān)管的門檻不清晰。為了滿足電動汽車生產(chǎn)企業(yè)、零部件企業(yè)、檢測及認(rèn)證機構(gòu)等各方面的需求，建立體系完整、水平適中、利于產(chǎn)業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。圍繞電動汽車產(chǎn)業(yè)，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2015年5月15日聯(lián)合發(fā)布了6項國家標(biāo)準(zhǔn)[15-18]，在2016年全面實施，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 2015年發(fā)布的電動汽車動力電池國家標(biāo)準(zhǔn) Table 1 National standards for electric vehicle power batteries issued in 2015

2020年5月12日發(fā)布的GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》[19]于2021年1月1日實施，替代GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》和GB/T 31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第3部分：安全性要求與測試方法》，成為我國電動汽車領(lǐng)域首批強制性國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了從單體到系統(tǒng)的熱安全、機械安全、電氣安全和功能安全等要求。

目前制定的一系列電動汽車動力電池標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋了電性能測試、安全測試和壽命測試(退役標(biāo)準(zhǔn))等步驟的規(guī)范，內(nèi)容涵蓋較為全面，已基本形成較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。相較于新電池，梯次利用電池具有以下特點：長期使用后，電芯內(nèi)部正負(fù)極材料、電解液和隔膜等出現(xiàn)不同程度的分解損耗，導(dǎo)致電池性能降低，可能會產(chǎn)生鋰枝晶等危險因素，造成安全性降低[20]；電池衰減情況不同，一致性變差；應(yīng)用環(huán)境更為溫和、穩(wěn)定，使用強度更低；對梯次利用前期測試方法的快速性、經(jīng)濟性和便捷性等有一定要求。有鑒于此，動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用于梯次利用時，還存在一定的局限性。

在電性能方面，現(xiàn)有動力電池標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋了容量、內(nèi)阻、功率、能量效率、高低溫充放電和自放電率等測試項目，且具備科學(xué)合理的測試方法及要求。梯次利用動力電池也可使用此標(biāo)準(zhǔn)，但如果完全采用這些標(biāo)準(zhǔn)，會導(dǎo)致測試成本高、周期長，增加梯次利用的成本，影響經(jīng)濟效益。

在安全性能方面，GB 38031-2020等規(guī)定了電動汽車和電力儲能等應(yīng)用場景下對新電池安全性能的檢測方法及要求，內(nèi)容包括過充電、過放電、短路、跌落、振動、加熱、擠壓、針刺、海水浸泡、溫度循環(huán)和低氣壓等測試項目，測試方法幾乎模擬了各種可能導(dǎo)致新電池安全風(fēng)險的因素。車用動力電池安全性測試，針對突發(fā)事件或濫用情況下電池存在的安全問題，以及鋰離子電池自身特點決定的安全性問題，給出了合理統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。梯次利用電池應(yīng)用工況場景不同，應(yīng)用環(huán)境和使用強度更溫和，使用條件更單一，造成很多測試項目失去測試的必要性，或者可以降低要求；此外，退役電池本身經(jīng)過長期使用，內(nèi)部熱失控溫度降低，溫升加快，且一致性變差，對測試樣品的選擇和測試標(biāo)準(zhǔn)的制定都提出了要求。綜上所述，需要從實際應(yīng)用需求、退役電池特性、經(jīng)濟效益和安全性等多方面考慮，結(jié)合現(xiàn)有動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)，制定適用于梯次利用電池的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2 動力電池梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系完善建議

退役電池在梯次利用前，需進行狀態(tài)評估、安全隱患識別及分選重組，在此基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的電熱安全管理策略，進行系統(tǒng)集成，在運行、維護過程中需滿足梯次利用電池再退役標(biāo)準(zhǔn)和消防標(biāo)準(zhǔn)等。要滿足梯次利用動力電池的規(guī)?；こ虘?yīng)用，需對各個應(yīng)用技術(shù)節(jié)點進行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定。梯次利用標(biāo)準(zhǔn)目前存在幾個亟需完善的方向。

2.1 安全性能要求及測試方法

電池的安全性一直都是工程應(yīng)用中的首要關(guān)注點，但梯次利用電池安全標(biāo)準(zhǔn)在國際上還處于空白階段。需要基于梯次利用動力電池的特點，結(jié)合鋰離子電池本身電化學(xué)性能及大批量電池實際投運情況，設(shè)計安全性評價方法標(biāo)準(zhǔn)。

參考車用電池標(biāo)準(zhǔn)體系，通過電、熱等外特性測試反映電池內(nèi)部安全性的方法，可實現(xiàn)無損、可靠和科學(xué)的安全性能測試。應(yīng)排除高風(fēng)險電池，以降低測試成本，如增加外觀檢查、容量及容量保持率、內(nèi)阻及內(nèi)阻增長率、充放電產(chǎn)熱等外特性測試，并根據(jù)鋰離子電池的特性設(shè)置閾值；通過部分符合應(yīng)用場景的破壞性濫用試驗，驗證同批次電池的安全性，提高測試的可靠性。如針對儲能應(yīng)用場景，排除部分模擬突發(fā)外部事件的安全測試項目(針刺、擠壓和高溫等)，保留過充過放等。以上二者結(jié)合，可構(gòu)成安全標(biāo)準(zhǔn)體系。

外觀、容量、內(nèi)阻和溫升等可較直接地反映鋰離子電池當(dāng)前的狀態(tài)，可通過這些快速、經(jīng)濟、方便的測試方法，剔除高風(fēng)險電池。梯次利用電池內(nèi)部條件很復(fù)雜，基于外特性的安全測試，即便通過，也不能斷定一定安全可靠。此時，可輔以適當(dāng)?shù)钠茐男园踩囼灒才藕侠淼某闃颖壤?，進一步測試安全性能。建立兩種測試相結(jié)合的安全測試標(biāo)準(zhǔn)體系，可降低測試成本、提升測試效率。

2.2 電性能要求及測試方法

電性能是決定電池是否有應(yīng)用價值的根本指標(biāo)，制定適用于梯次利用電池電性能的標(biāo)準(zhǔn)很有必要。標(biāo)準(zhǔn)制定需根據(jù)梯次利用的應(yīng)用場景，如儲能或小型代步車，規(guī)定不同的測試項目及要求，開發(fā)對應(yīng)的低成本快速測試方法及要求。在滿足使用需求的前提下，盡量降低成本、提升經(jīng)濟效益。

2.3 狀態(tài)評估和分選重組的要求及測試方法

狀態(tài)評估、分選重組是梯次利用前的最后準(zhǔn)備步驟，此部分內(nèi)容也是亟待突破的技術(shù)難點，對測試的快速性、經(jīng)濟性和準(zhǔn)確性有較高要求。建議打通數(shù)據(jù)鏈條，以便根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對電池性能進行評估。目前的評估技術(shù)還不成熟，技術(shù)路線眾多，暫時較難形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 電池的可梯次利用設(shè)計指南

要求從電池的設(shè)計開發(fā)之初，即考慮到退役后的梯次利用場景，規(guī)劃好電池從出廠應(yīng)用到退役后梯次利用，再到回收的整個過程，實現(xiàn)資源有效利用的最大化，減少中間過程產(chǎn)生的成本。這一設(shè)想，需要國家推動，打通上下游產(chǎn)業(yè)資源交換、需求交流的渠道。

2.5 梯次利用電池再退役標(biāo)準(zhǔn)

梯次利用電池本身屬于退役電池，在梯次利用過程中，性能不斷衰減，到一定程度后，不能滿足梯次利用場景的需求，且伴隨著熱失控溫度降低、溫升加快等因素導(dǎo)致的安全風(fēng)險。需要綜合考慮，制定再退役標(biāo)準(zhǔn)，及時將不能滿足要求的電池進行二次退役。

2.6 梯次利用電池消防安全標(biāo)準(zhǔn)

退役電池經(jīng)過長期使用，安全隱患比新電池大，內(nèi)部可能存在鋰枝晶、材料結(jié)晶化等現(xiàn)象，熱失控溫度比新電池低，更易起火，并且反應(yīng)的劇烈程度、燃燒產(chǎn)物等與新電池存在差別，需改進滅火劑、復(fù)燃抑制劑的用量，以及噴滅時間等指標(biāo)，制定更合理的消防標(biāo)準(zhǔn)，減少產(chǎn)生安全問題時的損失。

以上均是梯次利用標(biāo)準(zhǔn)目前的完善方向，其中安全性標(biāo)準(zhǔn)的制定是重中之重，也是梯次利用電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提。

3 結(jié)論

對現(xiàn)行的動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)體系及梯次利用動力電池國家標(biāo)準(zhǔn)體系進行了歸納和對比分析。現(xiàn)有動力電池國標(biāo)體系相對完善，而針對梯次利用電池國標(biāo)的制定還處于起步階段。梯次利用電池有獨特的應(yīng)用場景和性能特點，不能直接套用動力電池的國標(biāo)體系。分析動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題，提出了完善梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系的幾點建議，其中安全性標(biāo)準(zhǔn)的制定尤為迫切。探討新電池安全標(biāo)準(zhǔn)和梯次利用電池安全標(biāo)準(zhǔn)的差異和關(guān)系，提出無損的外特性測試與破壞性的濫用安全測試相結(jié)合的測試標(biāo)準(zhǔn)體系，以期為動力電池梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系的完善提供參考。