動力電池梯次利用研究進展

韓 路，賀狄龍，劉愛菊， 馬冬梅

（合肥國軒高科動力能源股份公司，安徽合肥230011）

電動汽車對于降低石油依賴和減少廢氣排放具有十分重要的環(huán)境和社會意義，現(xiàn)階段國家和政府對于電動汽車的研發(fā)和生產(chǎn)也出臺了一系列的政策支持。然而電動汽車行業(yè)現(xiàn)在面臨的最大問題是動力鋰離子電池成本過高，動力電池較大的體積也限制了電動汽車的發(fā)展。此外，動力鋰電池使用壽命完結(jié)后還將面臨如何回收處理的問題。電動汽車用鋰電池的發(fā)展十分迅速，預(yù)計未來幾年動力電池將進入大量回收的階段，因此需要考慮電池的回收、處理和再利用等，動力電池的梯次利用逐漸受到關(guān)注。在《節(jié)能與新能源汽車規(guī)劃》中，提出了要在運營方面制定動力電池回收利用管理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系的目標(biāo)。

為了降低電動汽車用鋰電池的成本，開發(fā)和擴展鋰電池市場，一個很重要的策略是通過論證和評估鋰電池潛在的二次利用價值，實現(xiàn)動力電池的再利用。動力電池梯次利用的一般策略基于電池在車輛上使用過程的某個階段，電池性能衰減到一定程度，但仍然可以滿足動力汽車以外的其他應(yīng)用領(lǐng)域的性能要求時，將更換下來的電池整修并重新制成產(chǎn)品，用于二次利用。電動汽車上的鋰電池壽命終結(jié)后，仍具有約70%～80%的容量，因此動力電池的梯次利用具有很大的可行性和潛在的市場空間。動力鋰電池的殘余容量可以考慮用于其他性能要求較低的應(yīng)用領(lǐng)域，如用于電動自行車、游覽車等的電源，或者用于儲能，包括風(fēng)光儲能、智能電網(wǎng)的削峰填谷與頻率平衡、偏遠(yuǎn)地區(qū)分布式供電、充換電站儲能、家庭電能調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。通過動力電池的梯次利用，可以緩解大量電池進入回收階段的壓力。更重要的是，建立動力電池的回收與二次利用體系，充分發(fā)揮鋰電池的容量價值，在一定程度上能夠有效地分?jǐn)傠妱悠囅M者的使用成本，有利于更好地培育和推廣電動汽車市場。因此對于電動汽車用鋰電池梯次利用的研究非常必要，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 梯次利用研究現(xiàn)狀

相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)對動力電池梯次利用的重要性和預(yù)期的經(jīng)濟效益已有明確的認(rèn)識，然而動力電池的梯次利用還停留在概念上，現(xiàn)階段的研究仍處于初步階段，未有成熟的技術(shù)或產(chǎn)品出現(xiàn)，對動力電池梯次利用的研究具有十分巨大的空間。另外，文獻(xiàn)中動力電池二次利用的研究大多與智能電網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)，利用電動汽車使用后回收的電池重新成組用于電網(wǎng)系統(tǒng)，例如用于風(fēng)能/太陽能等清潔能源的間歇式發(fā)電、電網(wǎng)平衡和峰谷調(diào)節(jié)等。

在具體的商業(yè)運作方面，日產(chǎn)汽車和住友集團合資成立了4R Energy公司，從事電動汽車廢棄電池的再利用，在日本和美國銷售或租賃的日產(chǎn)Leaf汽車的二手電池用于住宅和商用的儲能設(shè)備。夏普公司也在開發(fā)智能功率調(diào)節(jié)器，以使車載動力電池可以用于家庭電源管理。此外，美國EnerDel公司和日本伊藤忠商社也有合作，在部分新建公寓中推廣二次利用的動力電池。美國杜克能源和日本伊藤忠商事也在合作進行二手電池再利用的研究，對容量不足80%的電動汽車舊電池進行再利用測試，收集這些鋰電池在二次利用（輔助家庭供電、儲蓄可再生電源并為電動車提供快速充電）中的使用壽命數(shù)據(jù)。美國通用公司與瑞典ABB集團聯(lián)合開展了車載鋰電池（針對2010年底量產(chǎn)的插電式混合動力車Volt）再利用的調(diào)查與研究，包括智能電網(wǎng)方面，例如用來存儲太陽電池系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等所產(chǎn)生的電力。

除了相關(guān)企業(yè)之外，一些研究機構(gòu)也開始了對動力電池二次利用的研究。2010年，美國國家可再生能源實驗室開展了電動汽車用鋰電池二次利用的調(diào)研項目[1]。動力電池梯次利用的調(diào)研內(nèi)容包括對回收電動汽車用鋰電池在其他領(lǐng)域（并網(wǎng)/離網(wǎng)電力系統(tǒng)、移動能量存儲等方面）的價值評估。而電池的價值評估，需要選擇經(jīng)濟價值較高的應(yīng)用領(lǐng)域，需要了解詳細(xì)的電池使用條件以及經(jīng)濟數(shù)值，并在進行詳細(xì)的研究之前評估對比動力電池二次利用的成本和收益，另外也包含電池在二次應(yīng)用領(lǐng)域中的使用性能測試。美國國家可再生能源實驗室的Neubauer等[2]闡述了動力電池二次利用對降低電池成本的影響以及廢舊電池用于儲能方面的應(yīng)用價值。

加州大學(xué)戴維斯分校的混合電動汽車研究中心在2010年也開展了動力鋰電池的二次利用和價值分析等方面的研究[3]，研究內(nèi)容包括4～5個電池二次利用領(lǐng)域?qū)﹄姵匦阅艿木唧w要求、用于家庭儲能系統(tǒng)(HESA)的產(chǎn)品研發(fā)，以及評價電池整體價值（電動汽車和二次利用領(lǐng)域的價值之和）的方法體系。關(guān)于二次利用領(lǐng)域?qū)﹄姵匦阅艿木唧w要求需要調(diào)研電池二次利用時的性能（電壓、功率、能量、日歷/循環(huán)壽命、溫度、運行條件、熱量管理等）、實際使用環(huán)境、二次利用領(lǐng)域的價值和市場規(guī)模、競爭技術(shù)/產(chǎn)品等信息。這些具體的性能要求部分來自于商業(yè)客戶，更多的信息需要進行探索性研究。關(guān)于家庭儲能系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)，使用過的電動汽車用鋰電池主要用于對家庭智能電網(wǎng)的峰谷調(diào)節(jié)。研究所用電池包括磷酸鐵鋰、鈦酸鋰和三元體系三種回收動力電池模塊，并用新電池作為對比。電池的二次利用開發(fā)需要研究回收電動汽車用鋰電池的重新設(shè)計、模型和配組更新等，以提高回收電池在一次/二次利用中的整體壽命，并有效地降低電池成本。另外二次利用中要保證電池組的可靠性，HESA電池組在實驗室中運行足夠長時間以檢測其可靠性以及運行服務(wù)過程中的充放電自動控制，檢測實際電網(wǎng)運行狀況下和實際家庭環(huán)境中的運行性能。關(guān)于評價電池整體價值的方法體系要從經(jīng)濟和技術(shù)兩個方面估算鋰電池在電動汽車應(yīng)用和延伸的二次利用領(lǐng)域中的總價值。通過對電池整體價值的評估，可以提出最優(yōu)化的設(shè)計和應(yīng)用方案，以及動力鋰電池最優(yōu)壽命價值的評價方法，包括電池的分選、測試、評估和證實等過程。

美國西北太平洋國家實驗室的Viswanathan和Kintner-Meyer研究了動力電池在電網(wǎng)系統(tǒng)中二次利用的經(jīng)濟效益問題[4]。通過對電池健康狀態(tài)(SOH)的計算，電池在電網(wǎng)系統(tǒng)中工作運行狀態(tài)的模擬，電動汽車一次利用和電網(wǎng)系統(tǒng)二次利用的經(jīng)濟收益的模擬計算，評估了動力電池二次利用的經(jīng)濟效益。作者提供了一種估算動力電池一次和二次利用總體收益的方法，并發(fā)現(xiàn)動力電池所處的SOH狀態(tài)、二次利用的收益率、一次/二次利用的電池使用時間分配等因素都會影響電池的整體收益，因此為了得到最大化的電池整體價值，需要綜合考慮電池的狀態(tài)以及二次利用領(lǐng)域的要求和經(jīng)濟價值。

2 梯次利用的過程和技術(shù)問題

動力電池的梯次利用過程一般可以分為三個階段。第一階段包括回收電池的性能評估以及二次利用領(lǐng)域的調(diào)研。電池的性能評估要全面，包括電性能和安全性測試等信息，也要有針對性，包括針對二次利用領(lǐng)域的使用環(huán)境和電池要求的特定性能分析。二次利用領(lǐng)域的調(diào)研要有詳細(xì)的電池使用狀態(tài)、環(huán)境和要求，與現(xiàn)有電池產(chǎn)品（鉛酸電池等）的性價對比，預(yù)期的市場規(guī)模等信息，另外要初步確定動力電池的梯次利用策略，比如在某個特定的二次利用領(lǐng)域，電池的再利用需要考慮各種因素對電池壽命和經(jīng)濟收益的影響。其中在用于電動汽車的一次利用階段需要考慮在何種電池狀態(tài)或者何時從電動汽車取下電池最佳，在電池的重新整修階段要考慮電池如何收集、分類、篩選、整修以及配組等；在二次利用時需要考慮如何管配附件、電池配組的使用以及如何維修處理等，在電池的回收和再利用中還需要考慮電池的所有權(quán)問題。

動力電池梯次利用的第二階段包括電池在二次利用領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計、性能評估以及市場開發(fā)和推廣等。產(chǎn)品設(shè)計要考慮二次利用電池的物理和化學(xué)性能，電池本身的成本估算以及重新處理加工成本的控制，針對二次利用鋰電池價格較低的特點，體現(xiàn)出再利用電池產(chǎn)品與現(xiàn)有電池相比的優(yōu)勢，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮電池的價值。對回收電池的重組產(chǎn)品在二次利用領(lǐng)域中的性能評估，參照該領(lǐng)域現(xiàn)有電池的使用條件和運行環(huán)境等參數(shù)，進行性能研究、壽命分析、安全性測試等，這包括在實驗室中精確地控制運行條件下的電池性能測試，以及實際工況測試評估等。這個階段的測試分析要可靠和全面，其中二次利用電池的一致性和安全性特別需要注意，在產(chǎn)品設(shè)計和性能評估中要重點考慮。動力電池的二次利用中，市場開發(fā)和推廣也是非常重要的，現(xiàn)階段鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域也處在不斷開發(fā)和推廣中，因此對于回收鋰電池的二次利用，除了現(xiàn)有電池應(yīng)用市場之外，可能更需要開發(fā)和拓展一些新的市場領(lǐng)域，以相對較低的價格彌補鋰電池成本昂貴的缺點，不斷推動鋰電池行業(yè)的發(fā)展。

梯次利用的第三階段，在前兩個階段對動力鋰電池二次利用的評估調(diào)研、產(chǎn)品開發(fā)推廣的基礎(chǔ)上，逐步形成鋰電池回收和梯次利用的標(biāo)準(zhǔn)流程和方法體系。電動汽車的市場推廣已經(jīng)起步，建立動力電池的回收和處理的標(biāo)準(zhǔn)體系已成為一個需要迫切解決的問題。動力電池梯次利用的方法體系包括回收電池的分選和配組體系的建立、電池回收處理標(biāo)準(zhǔn)流程的形成等。此外，對動力電池梯次利用的研究也會促進動力電池的生產(chǎn)和設(shè)計的完善發(fā)展。電池梯次利用研究涉及到為方便二次利用而對電動汽車電池的設(shè)計和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的改進，以及對鋰電池的其他應(yīng)用領(lǐng)域的調(diào)整改進等。對動力電池梯次利用的研究和開發(fā)，將在一定程度上反饋到電動汽車和電池模組的設(shè)計中，并可能提供一套完整的方法體系或者標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)其他類型鋰電池的梯次利用。

現(xiàn)今對于電動汽車用鋰電池梯次利用的研究，都還處于第一階段的初始階段，其中還有很多技術(shù)問題需要解決，比如回收的電動汽車用鋰電池的分檔和篩選問題。與新電池不同，回收動力電池的一致性較差，電芯的性能參數(shù)差異較大，如何確定簡單、合適、可靠并具備一定普適性的分選條件是電池二次利用首先面臨的問題之一，而電池的分選需要建立在對回收動力電池性能全面了解的基礎(chǔ)上。另外一個技術(shù)問題則是如何對回收電芯進行整修，如何重新配組。除了電性能與新電池有差異外，回收的動力電池的物理外觀也有可能不同，比如電芯脹氣。這些電芯如何整修，如何設(shè)計配組成包技術(shù)，如何控制電池整修重配，如何確定簡單普適的技術(shù)以方便大規(guī)模利用回收電池，也是非常關(guān)鍵的問題。此外，回收電池二次利用重新配組后，電池組的容量衰減、一致性和安全性能，動力電池二次利用市場的開發(fā)，競爭力、性價比和收益分析等方面的問題也是需要考慮的。雖然之前已有少量文獻(xiàn)報道，但針對動力電池的梯次利用，仍需開展大量的研究工作。

3 結(jié)論和展望

隨著鋰電池的性能和壽命的改善，高油價和節(jié)能減排政策帶來的對電動汽車的需求猛增，風(fēng)能/太陽能等清潔能源發(fā)電和智能電網(wǎng)系統(tǒng)導(dǎo)向的電池儲能市場的擴大，鋰電池的發(fā)展越來越受到人們的關(guān)注，鋰電池的高昂成本成為限制其發(fā)展的重要因素，而通過電池的二次利用可以降低電池成本。電動汽車用鋰電池的梯次利用，則是動力電池研究的一個重要方向。國內(nèi)外對于電動汽車用鋰電池的梯次利用仍處于初級階段，成熟的產(chǎn)品技術(shù)還未出現(xiàn)，因此開展動力電池梯次利用的研究，不僅可以促進我國電動汽車行業(yè)的發(fā)展，并且可以擴展鋰電池的市場，推動鋰電池的應(yīng)用。

[1]NEUBAUER J,PESARAN A.PHEV/EV Li-ion battery second-use project[EB/OL].[2013-01-13].http：//www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/pdfs/48018.pdf.

[2]NEUBAUER J,PESARAN A.The ability of battery second use strategies to impact plug-in electric vehicle prices and serve utility energy storage applications[J].Journal of Power Sources,2011,196：10351-10358.

[3]UC Davis Plug-In Hybrid Electric Vehicle Research Center.Second life applications and value of"traction"lithium batteries[EB/OL].[2013-01-13].http：//phev.ucdavis.edu/request-for-proposals/RFP--bid-workshop.pdf.

[4]VISWANATHAN V V,KINTNER-MEYERM.Second use of transportation batteries：maximizing the value of batteries for transportation and grid services[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60：2963-2970.