退役動(dòng)力蓄電池梯次利用現(xiàn)狀、問題及對(duì)策

文/中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 數(shù)據(jù)資源中心 吳 蒙

1 引言

為促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，培育發(fā)展新動(dòng)能，我國高度重視新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2009-2012 年，我國新能源汽車共推廣1.7 萬輛，裝配動(dòng)力蓄電池約1.2GWh，2013 年以后新能源汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用。在政策和市場(chǎng)環(huán)境的雙重因素作用下，我國已成為全球新能源汽車產(chǎn)銷大國，市場(chǎng)也由“培育期”逐漸進(jìn)入“成熟期”。截至2018 年底，我國新能源汽車?yán)塾?jì)總產(chǎn)量超300 萬輛，累計(jì)總銷量超290 萬輛。2019 年1-9 月，新能源汽車產(chǎn)銷分別完成88.8 萬輛和87.2 萬輛，同比分別增長(zhǎng)20.9%和20.8%，全國新能源汽車保有量超340 萬輛。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)動(dòng)力蓄電池裝配量的快速上升。據(jù)行業(yè)專家從企業(yè)質(zhì)保期限、電池循環(huán)壽命、車輛使用工況等方面綜合測(cè)算，2019 年新能源汽車的動(dòng)力蓄電池將進(jìn)入規(guī)?；艘?，預(yù)計(jì)到2020 年累計(jì)將超過20 萬噸（24.6GWh），如果按70%可用于梯次利用，大約有累計(jì)6 萬噸電池需要報(bào)廢處理[1]。

圖1 2011-2018 年中國新能源汽車產(chǎn)量及銷量規(guī)模

新能源汽車的動(dòng)力蓄電池性能要求較高，當(dāng)電池容量衰減至初始容量的80%以下時(shí)，將難以滿足車輛的動(dòng)力需求，但仍然可以滿足其他的性能要求較低的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)退役動(dòng)力蓄電池（以下簡(jiǎn)稱“退役電池”）進(jìn)行梯次利用，一方面可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力蓄電池全生命周期的價(jià)值利用最大化利用，創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在一定程度上降低新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的總體成本，有利于更好地培育新能源汽車市場(chǎng)發(fā)展；另一方面，延長(zhǎng)了退役電池的回收及處置周期，減少了廢棄物的排放，大幅降低了退役電池回收處置的環(huán)境壓力，更加符合國家綠色環(huán)保、循環(huán)、低碳生產(chǎn)方式的總體要求。

2 梯次利用研究進(jìn)展

2.1 梯次利用技術(shù)研究進(jìn)展

近年來，退役電池梯次利用已成為業(yè)界研究焦點(diǎn)，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等在多個(gè)方面開展了相關(guān)研究，主要集中在構(gòu)建退役電池梯次利用殘值計(jì)算框架、退役電池重組成本計(jì)算、退役電池電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性及市場(chǎng)潛力評(píng)估以及退役電池梯次利用技術(shù)測(cè)試等方面。

Tong 等將退役鋰離子動(dòng)力蓄電池用在光伏離網(wǎng)電動(dòng)充電系統(tǒng)中，并通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來分析系統(tǒng)的性能。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（ANL）研究量化評(píng)估了退役鎳氫動(dòng)力蓄電池的儲(chǔ)能容量衰減規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)退役的鎳氫動(dòng)力蓄電池在公共事業(yè)公司負(fù)荷管理、工商業(yè)非道路特種車輛、不間斷電源（UPS）等三類梯次利用場(chǎng)景下較鉛酸電池有更好儲(chǔ)能效果；美國Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室（SNL）的研究分析了退役電池的再應(yīng)用成本，并構(gòu)建了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析模型，并分析梯次利用效果的關(guān)鍵要素包括電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化、重組電池模塊的人力成本、電動(dòng)汽車用戶參與電池二次利用的激勵(lì)機(jī)制、電池容量保持率預(yù)測(cè)精度因素，而電網(wǎng)運(yùn)行支撐、工商業(yè)/居民負(fù)荷跟蹤及通信基站備用是電池梯次利用在近期有望實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景。美國電力科學(xué)研究院（EPRI）的研究對(duì)比了鉛酸、鎳氫、鋰離子及鋰聚合物電池在電力系統(tǒng)、通信基站、UPS 電源等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）分析認(rèn)為退役電池的回收及運(yùn)輸環(huán)節(jié)所導(dǎo)致的成本可達(dá)100 美元/kWh，在梯次利用總成本中占比最高[3]。

2.2 退役電池梯次利用流程

退役電池一般存在一致性較差、性能衰減等問題，需要對(duì)退役電池進(jìn)行篩選，通過容量、內(nèi)阻、自放電率、荷電狀態(tài)等調(diào)整，確保參數(shù)一致再進(jìn)行重組，將有助于保證梯次利用電池的性能。

2.2.1 單體電池篩選

目前，梯次利用行業(yè)對(duì)于退役電池的篩選主要測(cè)試篩選和大數(shù)據(jù)篩選兩種方式。

測(cè)試篩選：主要包括外觀篩選、靜態(tài)開路電壓測(cè)試、內(nèi)阻篩選以及自放電率篩選，包括使用納米CT 技術(shù)對(duì)電池單體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析，并通過電池的外部化學(xué)參數(shù)來分析電池內(nèi)部性能狀態(tài)。近年來，也有發(fā)展出一些新技術(shù)，如接觸式的超聲無損檢測(cè)技術(shù)，可通過超聲信號(hào)與化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)或者直接掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池單體荷電（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）的快速高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)。

大數(shù)據(jù)篩選：新能源汽車生產(chǎn)或電池生產(chǎn)企業(yè)一般都會(huì)對(duì)運(yùn)行的新能源汽車進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，對(duì)單體電池電壓、SOC 等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控和分析。根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析即可發(fā)現(xiàn)問題單體電池或問題單體電池所在的模組，將其篩除后，可不需要再根據(jù)電壓、內(nèi)阻、自放電率重新分選，能夠大幅降低退役電池的處理時(shí)間和處理成本[2]。從國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和評(píng)估是較為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的方式，也是行業(yè)努力的方向。

2.2.2 電池重組

電池重組包括單體、模組及整包重組。單體電池重組方式是根據(jù)分選后的單體電池容量、荷電狀態(tài)、內(nèi)阻、自放電率進(jìn)行重新配組，保證整組電池的一致性。模組重組方式是將退役電池拆解至模組狀態(tài)，通過大數(shù)據(jù)篩選方式篩除包中一致性差或含有故障單體的模組，剩余的一致性較好模組可直接組合為模組。由于退役電池包、模組無損拆解難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，目前行業(yè)也在重點(diǎn)研究整包級(jí)別的重組梯次利用。

2.2.3 梯次利用電池安全保障

不同類型的退役電池的單體、模組、系統(tǒng)等在不同工況下運(yùn)行，性能劣化程度不相同，對(duì)梯次利用電池要在產(chǎn)品篩選、設(shè)計(jì)及控制策略策略等方面均做好安全保障。

在檢測(cè)分選方面。通過檢測(cè)或大數(shù)據(jù)分析等方式對(duì)退役電池的外觀、電壓、內(nèi)阻、容量、自放電率等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行篩選，并對(duì)同一批次、同一狀態(tài)退役電池或電池模塊進(jìn)行安全性抽檢，保障梯次利用電池的安全性。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面。要充分考慮退役電池管理系統(tǒng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此在梯次利用電池成組設(shè)計(jì)方面，要充分考慮模組整體的安全性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮模組的絕緣強(qiáng)度、防護(hù)等級(jí)、元器件選型、阻燃性設(shè)計(jì)、BMS 帶載能力等關(guān)鍵技術(shù)因素，搭載溫度預(yù)警系統(tǒng)，以及增加熱量管理和高壓監(jiān)控等安全性組件。

在控制策略方面。如在通信基站應(yīng)用時(shí)，電池組長(zhǎng)期處于無人值守的浮充狀態(tài)，并且BMS 和開關(guān)電源等直流電源之間沒有通信，一旦BMS 保護(hù)失效，梯次利用電池將面臨充放電保護(hù)失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)根據(jù)梯次利用電池組運(yùn)行的實(shí)際工況，制定合理有效的充放電控制及故障保護(hù)策略。

3 梯次利用現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)梯次利用進(jìn)展

目前，包括中國鐵塔公司、國家電網(wǎng)、汽車及電池生產(chǎn)企業(yè)等在梯次利用研究與應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展，但仍然屬于探索階段，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

通信基站備電：通信基站備電是目前梯次利用主要領(lǐng)域之一，已經(jīng)初具規(guī)模。中國鐵塔公司已在全國31 個(gè)省市約12 萬個(gè)基站使用梯次電池約1.5GWh，替代鉛酸電池約4.5 萬噸[7]。中國鐵塔公司目前有約200 萬個(gè)基站，按單站電池容量需求約30kWh 測(cè)算（1 輛新能源汽車退役電池約62kWh 可梯次利用容量），該公司未來可能消納約200 萬輛新能源汽車的退役電池。

電網(wǎng)儲(chǔ)能：國家電網(wǎng)在北京大興建設(shè)了100kWh 梯次利用錳酸鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程，在張北建設(shè)了1MWh 梯次利用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程，組建了退役電池分選評(píng)估技術(shù)平臺(tái)，制定電池配組技術(shù)規(guī)范，研制了高效可靠的電池管理系統(tǒng)[7]。國網(wǎng)河南公司聯(lián)合南瑞集團(tuán)、電池生產(chǎn)企業(yè)等單位，建成梯次利用儲(chǔ)能示范工程，在全國率先打造了一套退役動(dòng)力鋰電池從分選、重組到儲(chǔ)能利用的規(guī)范化流程。

低速車等：國網(wǎng)浙江公司等企業(yè)探索將梯次利用電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車或低速車領(lǐng)域，并于2013 年編制完成了《動(dòng)力鋰電池電動(dòng)自行車梯次利用技術(shù)方案》，對(duì)新能源汽車退役電池進(jìn)行重組，用于48V 電動(dòng)自行車的動(dòng)力電源。無錫格林美與順豐公司探索將梯次利用電池用于城市物流車輛，中天鴻鋰等通過“以租代售”模式推動(dòng)梯次利用電池在環(huán)衛(wèi)、觀光等車輛應(yīng)用[7]。

3.2 國外應(yīng)用情況

歐美日等國家和地區(qū)的退役電池梯次利用探索起步較早，但是由于退役電池?cái)?shù)量較少等瓶頸性問題，大多數(shù)處于小規(guī)模試驗(yàn)應(yīng)用階段，少部分實(shí)現(xiàn)商品化。當(dāng)前，這些地區(qū)梯次利用的特點(diǎn)是以汽車生產(chǎn)企業(yè)牽頭為主，應(yīng)用領(lǐng)域側(cè)重于儲(chǔ)能領(lǐng)域。

日產(chǎn)汽車與住友集團(tuán)合資成立了4R Energy 能源公司，開發(fā)了家用和商用儲(chǔ)能梯次利用產(chǎn)品；豐田公司將凱美瑞的退役電池用于黃石國家公園設(shè)施儲(chǔ)能供電，重新設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)，將電池使用壽命延長(zhǎng)2 倍。通用汽車與ABB 開始合作試驗(yàn)如何利用雪佛蘭Volt 沃藍(lán)達(dá)的電池組采集電能，回饋電網(wǎng)并最終實(shí)現(xiàn)家用和商用供電。2015 年，博世集團(tuán)、寶馬和瓦滕福公司就動(dòng)力鋰電池再利用展開合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用寶馬ActiveE 和i3 純電動(dòng)汽車退役的電池建造2MW/2MWh 的大型光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)[2]。韓國政府、汽車生產(chǎn)企業(yè)近年也在積極介入梯次利用領(lǐng)域，韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部支持在濟(jì)州島新建動(dòng)力蓄電池回收中心，并計(jì)劃于2020 年啟動(dòng)回收利用研究及測(cè)試等工作。現(xiàn)代汽車集團(tuán)與芬蘭能源企業(yè)瓦錫蘭集團(tuán)合作共同開發(fā)梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS），并正在現(xiàn)代制鐵唐津工廠利用現(xiàn)代汽車和起亞汽車的退役電池試點(diǎn)建設(shè)1MWh 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備[4-6]。

4 當(dāng)前存在的主要問題

4.1 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)不明顯

當(dāng)前，梯次利用的一個(gè)主要問題是退役電池?cái)?shù)量少。市場(chǎng)上的退役電池大多來源于2012 年“十城千輛工程”期間推廣的新能源汽車，由于當(dāng)時(shí)回收體系還不完善，企業(yè)也沒有規(guī)范的處理方案，存在電池退役后企業(yè)庫房擱置待處理或者不規(guī)范處理等情況。此外，由于前期的部分動(dòng)力蓄電池質(zhì)量不穩(wěn)定，也使其退役后缺乏梯次利用價(jià)值。可梯次利用電池?cái)?shù)量較少，導(dǎo)致梯次利用難以形成規(guī)模效益。由于新能源汽車以及動(dòng)力蓄電池設(shè)計(jì)中并未考慮梯次利用，如動(dòng)力蓄電池之間多為鎳條激光焊接連接，增加了退役電池的拆解、分選和成組的難度，這些都推高了梯次利用成本。

4.2 技術(shù)問題有待解決

梯次利用當(dāng)前在電池拆解、剩余壽命預(yù)測(cè)、系統(tǒng)集成及安全可靠性保障等方面均有存在問題需要解決，這些瓶頸問題如果不能有效解決，梯次利用產(chǎn)業(yè)化將難以實(shí)現(xiàn)。

4.3 產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)模式還未形成

梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)切履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)的延伸，涉及到的產(chǎn)業(yè)鏈各方面主體非常多，包括新能源汽車用戶(個(gè)人或商業(yè)運(yùn)營單位)、汽車生產(chǎn)企業(yè)、動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)、報(bào)廢機(jī)動(dòng)車回收拆解企業(yè)、梯次利用企業(yè)、再生利用企業(yè)以及梯次利用電池的用戶，其中的價(jià)值分配是十分復(fù)雜的問題。如果梯次利用僅有梯次利用企業(yè)獲利，則新能源汽車用戶、汽車生產(chǎn)企業(yè)、動(dòng)力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)及報(bào)廢機(jī)動(dòng)車回收拆解等企業(yè)均缺乏動(dòng)力去參與和推動(dòng)梯次利用，將導(dǎo)致在退役電池的回收階段就無法形成商業(yè)渠道。對(duì)于梯次利用電池，由于其是退役電池“再造”形成的產(chǎn)品，其性能、壽命、可靠性、安全性等尚未經(jīng)過市場(chǎng)考驗(yàn)，銷售和使用方面需要有更多商業(yè)模式上的探索，如分期付款、分時(shí)租賃等。梯次利用企業(yè)作為梯次利用電池生產(chǎn)企業(yè)，也需要承擔(dān)生產(chǎn)者責(zé)任，對(duì)報(bào)廢梯次利用電池進(jìn)行回收，保障其安全、環(huán)保處置。從目前探索的方向看，梯次利用場(chǎng)景有通信基站、電網(wǎng)儲(chǔ)能、電動(dòng)三輪車、電動(dòng)摩托車等，也有移動(dòng)電源、車載冰箱等較為零散的消費(fèi)領(lǐng)域，這就導(dǎo)致梯次利用電池的回收勢(shì)必會(huì)存在更加復(fù)雜的情況，回收體系和模式需要多樣性，對(duì)梯次利用企業(yè)的能力提出更高的要求。

表1 梯次利用關(guān)鍵技術(shù)問題

4.4 政策標(biāo)準(zhǔn)保障尚有不足

對(duì)于退役電池梯次利用，國家有關(guān)主管部門已陸續(xù)發(fā)布的《電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池回收利用技術(shù)政策（2015 年版）》、《廢電池污染防治技術(shù)政策》、《新能源汽車廢舊動(dòng)力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》及公告管理暫行辦法、《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》等政策，不同程度對(duì)于梯次利用提出了原則性要求，但是尚未有針對(duì)性的管理措施。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，目前已發(fā)布的涉及梯次利用的國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)有三項(xiàng)，涉及拆解、梯次利用電池編碼以及余能檢測(cè)，梯次利用要求等相關(guān)國家、行業(yè)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的研制、發(fā)布工作也在加快推進(jìn)中，但是梯次利用不同領(lǐng)域的產(chǎn)品性能、檢測(cè)等其他類型標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)未對(duì)規(guī)范梯次利用構(gòu)成完善的體系化支撐。

5 對(duì)策思考

退役電池梯次利用發(fā)展?jié)摿^大，市場(chǎng)前景廣闊，受到行業(yè)的關(guān)注。但是，從行業(yè)發(fā)展環(huán)境、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)模式及政策保障等現(xiàn)狀來看，梯次利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展還存在一些問題亟待解決。要實(shí)現(xiàn)梯次利用產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要在管理制度、政策引導(dǎo)和發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用方面采取相應(yīng)舉措：一是需要政府層面加強(qiáng)制度設(shè)計(jì)，推動(dòng)完善相關(guān)管理制度和標(biāo)準(zhǔn)體系，培育公平、健康的市場(chǎng)環(huán)境；二是需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)相關(guān)企業(yè)能夠加強(qiáng)合作，通過成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等方式探索、打通行業(yè)數(shù)據(jù)信息壁壘，形成新型商業(yè)模式；三是通過試點(diǎn)等充分發(fā)揮中國鐵塔公司、國家電網(wǎng)等企業(yè)在通信基站、電網(wǎng)儲(chǔ)能等規(guī)?；荽卫妙I(lǐng)域的帶頭作用，引導(dǎo)梯次利用企業(yè)開發(fā)面向以上領(lǐng)域的梯次利用電池產(chǎn)品，培育規(guī)范化、規(guī)?；?、高值化發(fā)展的梯次利用產(chǎn)業(yè)；四是通過專項(xiàng)資金渠道等多種方式支持行業(yè)技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)等第三方發(fā)揮平臺(tái)作用，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用合作，加強(qiáng)關(guān)鍵共性技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用。