新能源汽車磷酸鐵鋰電池電極回收與梯次利用改進(jìn)

張?zhí)煲?/p>

摘要：隨著科技的發(fā)展，越來越多新能源汽車投入使用，但是汽車動(dòng)力電池電池容量低于80%就會(huì)報(bào)廢，隨之而來報(bào)廢或者退役問題逐漸凸顯出來。為了減少電池資源浪費(fèi)等問題，不少學(xué)者提出梯次利用的方式，但是現(xiàn)在中國磷酸鐵鋰電池的回收方式并不完善，梯次利用上還處于起步階段。本文主要在當(dāng)下動(dòng)力電池梯次利用的大背景下，以全生命周期優(yōu)化管理為突破口，討論當(dāng)今磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的回收以及梯次利用，并在梯次利用中收集、篩選和分類上進(jìn)行深入探討，進(jìn)一步優(yōu)化梯次利用體系。

Abstract： With the development of science and technology， more and more new energy vehicles are put into use， but the battery capacity of automotive power batteries will be scrapped below 80%， and the problems of scrapping or decommissioning will gradually become apparent. In order to reduce the waste of battery resources and other issues， many scholars have proposed a method of step utilization， but the recycling method of lithium iron phosphate batteries in China is not perfect， and the step utilization is still in its infancy. This article mainly discusses the recycling of lithium iron phosphate current batteries and the use of the ladder in the current background of the power battery's ladder utilization， and takes the full life cycle optimization management as the breakthrough， and conducts an in-depth discussion on the collection， screening and classification of the ladder utilization， and further optimizes the step utilization system.

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池;動(dòng)力電池;梯次利用;全生命周期優(yōu)化管理

Key words： lithium iron phosphate battery;power battery;step utilization;optimal management of the entire life cycle

中圖分類號(hào)：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）04-0202-03

1? 研究背景

在整個(gè)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈條中，動(dòng)力鋰電池已經(jīng)成為電動(dòng)汽車發(fā)展的核心，它也成為了電池行業(yè)與汽車行業(yè)的關(guān)鍵結(jié)合點(diǎn)，例如鋰電池與梯次成組技術(shù)的應(yīng)用就成為了新能源汽車發(fā)展規(guī)劃的關(guān)鍵。就目前來看，國內(nèi)磷酸鐵鋰電池已經(jīng)成為電動(dòng)汽車所采用的首選動(dòng)力電池。這種電池相比于傳統(tǒng)鉛酸電池以及鎳氫電池在儲(chǔ)能效果上表現(xiàn)更好，電池能量密度更大，循環(huán)壽命更長且充電無記憶效應(yīng)表現(xiàn)更佳。如果就電池單體看，它基本能夠滿足對(duì)電池體積、功率與壽命等等方面的高要求，能夠有效滿足當(dāng)前的電動(dòng)汽車發(fā)展應(yīng)用需求。

就傳統(tǒng)車用電池組而言，其滿充容量如果達(dá)到不到額定容量的80%就要被淘汰，整體壽命大約為3～5年。磷酸鐵鋰電池組則不然，它的整體使用壽命大約在8～10年左右，不過它的整體生產(chǎn)制造成本、運(yùn)維成本都相對(duì)較高，這在一定程度上嚴(yán)重阻礙了當(dāng)前電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而且伴隨著當(dāng)前我國大量電動(dòng)汽車的生產(chǎn)與普及，鋰離子電池淘汰后所造成的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染都為城市生態(tài)化發(fā)展帶來巨大壓力[1]。

為了解決這一問題，磷酸鐵鋰電池梯次利用發(fā)展技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它所規(guī)劃的發(fā)展路線明確、產(chǎn)業(yè)鏈條建設(shè)布局清晰，但它也存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，可以說是優(yōu)劣勢并存。簡單來說，磷酸鐵鋰電池梯次利用技術(shù)的核心本質(zhì)就是對(duì)電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池?zé)o法滿足功率與能量需求的電池進(jìn)行更換，并將這些淘汰電池再利用到其它領(lǐng)域中，例如儲(chǔ)能領(lǐng)域，如此可充分發(fā)揮鋰離子電池中剩余80%的電能容量，不至于造成電池資源的巨大浪費(fèi)，同時(shí)它也在一定程度上降低了傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用維護(hù)成本。

2? 研究目的

了解現(xiàn)在新能源汽車中磷酸鐵鋰電池的回收與利用情況，調(diào)查磷酸鐵鋰電池梯次利用的現(xiàn)狀，在現(xiàn)行磷酸鐵鋰動(dòng)力電池梯次利用的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)并提出建議，主要從電池退役后的收集、篩選、分類、管理等幾方面進(jìn)行梳理改進(jìn)，從而提動(dòng)力電池的梯次利用效率，不僅可以降低電池的維護(hù)成本，也可以促進(jìn)我國進(jìn)一步加強(qiáng)推進(jìn)磷酸鐵鋰電池梯次利用的腳步，為我國鋰動(dòng)力電池的重復(fù)利用貢獻(xiàn)一份力量，減少資源的浪費(fèi)。

3? 研究方法

本研究主要采用了文獻(xiàn)研究法、實(shí)地調(diào)查法和訪談法。文獻(xiàn)研究法主要是查閱現(xiàn)在我國磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的使用情況，以及我國在新能源汽車退役磷酸鐵鋰鐵的回收與利用情況，并針對(duì)現(xiàn)行的回收與梯次利用技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)研究和改進(jìn)做鋪墊。實(shí)地調(diào)查法主要去阜陽當(dāng)?shù)氐?S汽車店，對(duì)當(dāng)?shù)仄嚻髽I(yè)進(jìn)行調(diào)查訪問，咨詢當(dāng)?shù)仄髽I(yè)對(duì)待磷酸鐵鋰電池的回收與利用態(tài)度以及現(xiàn)在電池梯次利用的情況。在提出改進(jìn)方案之后也會(huì)去企業(yè)找相關(guān)技術(shù)人員再進(jìn)行一次探討，最大限度保證電池回收的可實(shí)施性。訪談法主要是和化學(xué)領(lǐng)域的老師專家進(jìn)行訪談，詢問他們對(duì)于電池回收利用的看法，以及向他們求證梯次利用改進(jìn)的方式是否合理，為下一步實(shí)驗(yàn)和推廣做好充足準(zhǔn)備。

4? 研究結(jié)果

4.1 全生命周期優(yōu)化管理磷酸鐵鋰電池梯次利用所面向的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)問題

在新能源汽車發(fā)展大行其道的當(dāng)今社會(huì)，汽車動(dòng)力電池保有量已經(jīng)呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，它的銷量突飛猛進(jìn)，但相應(yīng)問題也日益凸顯。究其根本，需要分析動(dòng)力磷酸鐵鋰電池的基本材質(zhì)內(nèi)容，它其中就包含了鎳、鈷以及稀土等等，這些材料的成本非常之高，且在電池報(bào)廢后造成了大量的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，這是當(dāng)前全球各國都亟待解決的問題。而針對(duì)動(dòng)力磷酸鐵鋰電池的梯次利用技術(shù)則面向全球各個(gè)國家提出，它更面向國家社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)業(yè)等相關(guān)問題。

4.1.1 面向社會(huì)的問題分析

根據(jù)我國在新能源汽車發(fā)展相關(guān)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年純電動(dòng)汽車與插電式混合動(dòng)力汽車的累計(jì)產(chǎn)銷量將超過500萬輛，這意味著屆時(shí)將產(chǎn)生大量的廢棄磷酸鐵鋰電池。這些電池如果不加以合理處理將會(huì)為自然生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來一系列壓力問題，例如占用大量的存儲(chǔ)對(duì)方空間，電池中重金屬化學(xué)物流出對(duì)于土壤、水文的污染影響等等，特別是電解液泄露直接威脅人類健康安全。為了解決這一問題，我國就已經(jīng)開始推廣使用磷酸鐵鋰電池梯次利用技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵不但局限于對(duì)環(huán)境污染問題的解決，它還希望形成良好的循環(huán)利用模式。比如說將報(bào)廢處理的電池應(yīng)用于建筑的太陽能光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，它專門應(yīng)用于對(duì)可再生能源穩(wěn)定輸出的輔助方面，同時(shí)也能緩解廢舊電池隨意被丟棄所帶來的重金屬污染問題?？梢哉f，該技術(shù)在面向社會(huì)問題解決方面起到了極大實(shí)踐應(yīng)用作用價(jià)值。

4.1.2 面向經(jīng)濟(jì)的問題分析

在面向經(jīng)濟(jì)問題方面，國內(nèi)希望利用磷酸鐵鋰電池梯次利用技術(shù)體系深度開發(fā)、拓展動(dòng)力電池市場，結(jié)合科學(xué)論證與磷酸鐵鋰電池評(píng)估發(fā)覺它的二次利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的再利用優(yōu)化過程。一般來說，廢棄的動(dòng)力電池在經(jīng)過汽車生產(chǎn)商回收后可采用梯次利用技術(shù)進(jìn)行二次改造，為其他電動(dòng)汽車需求者所再次利用。換言之，汽車生產(chǎn)商希望建立一套健全的回收體系，深度提取廢棄電池中的稀有金屬等等原材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充分循環(huán)利用，最大限度降低電池生產(chǎn)應(yīng)用成本。目前的電動(dòng)汽車非常依賴于磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，其電池成本就占到整車成本30%以上，為了解決電池容量低于80%便無法再應(yīng)用于電動(dòng)汽車中這一問題，采用梯次利用技術(shù)方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量廢舊動(dòng)力電池的資源回收利用最大化，構(gòu)建新能源汽車動(dòng)力電池梯次利用的系統(tǒng)化與規(guī)模化技術(shù)體系，將電池生產(chǎn)與應(yīng)用利潤提升到較高水平。

4.1.3 面向產(chǎn)業(yè)的問題分析

要推動(dòng)動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)的發(fā)展還必須建設(shè)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈，保證產(chǎn)業(yè)發(fā)展的貫通性?？紤]到我國不同汽車企業(yè)中電池發(fā)展路線也各不相同，所以針對(duì)不同企業(yè)不同電動(dòng)汽車的規(guī)格、評(píng)測結(jié)果、技術(shù)要求等等展開綜合分析，明確梯次利用技術(shù)應(yīng)用的有效性。目前像國家電網(wǎng)下屬的北京公司、上海公司、浙江公司等等都紛紛展開了針對(duì)動(dòng)力電池的“余能”研究，希望基于傳統(tǒng)動(dòng)力電池容量技術(shù)內(nèi)容進(jìn)一步研究其電池參與容量可用價(jià)值，并配合動(dòng)力電池回收梯次構(gòu)建科技化產(chǎn)業(yè)市場，面向產(chǎn)業(yè)解決動(dòng)力電池余能利用問題。

4.2 全生命周期優(yōu)化管理磷酸鐵鋰電池的梯次利用技術(shù)路徑

就磷酸鐵鋰電池而言，還要繼續(xù)構(gòu)建全生命周期優(yōu)化管理體系，進(jìn)一步提升其梯次利用技術(shù)發(fā)展路徑。

4.2.1 梯次利用電池收集數(shù)據(jù)庫

為了更方便更快捷地獲取磷酸鐵鋰電池的相關(guān)個(gè)體信息，應(yīng)該盡快建立全國聯(lián)網(wǎng)的磷酸鐵鋰電池?cái)?shù)據(jù)庫。由于每個(gè)電池都具有獨(dú)特性，建議將電池身份具體化，為每個(gè)電池組、電池進(jìn)行編號(hào)處理，建立行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以二維碼或者條形碼的形式統(tǒng)一錄入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，形成全國磷酸鐵鋰電池身份系統(tǒng)。

在建立磷酸鐵鋰電池身份系統(tǒng)之后，需要及時(shí)出臺(tái)相關(guān)國家政策。其一，為了保障磷酸鐵鋰數(shù)據(jù)庫的安全性，保證電池?cái)?shù)據(jù)不會(huì)被用于其他不合法用途;其二，國家政策需大力支持和推廣磷酸鐵鋰電池梯次利用，條件允許時(shí)可以適當(dāng)再提供部分補(bǔ)助;其三，可以適當(dāng)強(qiáng)制企業(yè)層面進(jìn)行梯次利用數(shù)據(jù)錄入，為后續(xù)梯次利用工作做準(zhǔn)備，保障磷酸鐵鋰電池?cái)?shù)據(jù)的時(shí)效性。

4.2.2 梯次接口、臨界點(diǎn)與管理系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

要構(gòu)建合理有效的磷酸鐵鋰電池梯次利用技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)針對(duì)電池的全生命周期優(yōu)化管理，就必須最大限度降低電池使用成本，提升其使用價(jià)值。例如在梯次利用領(lǐng)域建立接口，解決磷酸鐵鋰電池利用的不兼容問題。具體來講，要首先明確梯次接口、臨界點(diǎn)與管理系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容的通信標(biāo)準(zhǔn)與接口差異，可分析動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電路接口與接口協(xié)議內(nèi)容，爭取為第一生命周期結(jié)束的電動(dòng)汽車采用磷酸鐵鋰電池梯次利用技術(shù)，最大限度降低梯次利用再制造與加工成本。要全局把控梯次利用臨界點(diǎn)，發(fā)揮梯次利用電池本身所固有的最大效用。這里所談到的梯次利用電池臨界點(diǎn)就包含了電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰電池的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，要結(jié)合這一性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來明確電池的第一生命期長度，再配合梯次利用更換技術(shù)對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，避免電池動(dòng)力性能的無端浪費(fèi)現(xiàn)象出現(xiàn)。必要時(shí)應(yīng)該建立電池壽命預(yù)測模型，對(duì)電池特性進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，最后提出更高的全生命周期優(yōu)化管理要求，科學(xué)延長磷酸鐵鋰電池的使用壽命周期。

再者，梯次利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用也很必要，它也圍繞梯次利用基本原理創(chuàng)建了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為100kW·h的電源電能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它采用到了3級(jí)管理架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于SBMS、MBMS、BMU組合形成系統(tǒng)支持體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的精細(xì)化管理進(jìn)程，可對(duì)每一塊電池模組進(jìn)行電壓與溫度采樣分析，以此數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的管理優(yōu)化。

4.2.3 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)與SOC估計(jì)預(yù)測技術(shù)應(yīng)用

若要實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鐵鋰電池的全生命周期優(yōu)化管理，還要實(shí)現(xiàn)電池周期價(jià)值的最大化，目前可采用電池組荷點(diǎn)狀態(tài)SOC技術(shù)，利用這一技術(shù)對(duì)電池的健康狀態(tài)進(jìn)行精確檢查預(yù)測。作為一種智能化電池管理技術(shù)，它能夠適用于不同技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，同時(shí)兼容多種通信協(xié)議內(nèi)容。

比如說自適應(yīng)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池系統(tǒng)建模技術(shù)，它可配合SOC估計(jì)預(yù)測技術(shù)方法對(duì)磷酸鐵鋰電池的充放電性能、容量衰減性能、溫度特性等等進(jìn)行分析，提出基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)的電池系統(tǒng)重構(gòu)架構(gòu)，解決單體電池中的動(dòng)態(tài)可變拓?fù)溥B接方式，形成具有針對(duì)性的電池自適應(yīng)狀態(tài)分析技術(shù)體系，重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)。

4.2.4 磷酸鐵鋰電池的退役梯次回收技術(shù)應(yīng)用

最后要針對(duì)退役的磷酸鐵鋰電池建立梯次回收體系，其體系核心技術(shù)內(nèi)容就包括了針對(duì)電池的分選評(píng)估技術(shù)體系、成組均衡分析技術(shù)體系、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)體系、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估技術(shù)體系等等。要圍繞當(dāng)前電動(dòng)汽車的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域分析上述技術(shù)內(nèi)容，合理規(guī)劃磷酸鐵鋰電池的退役梯次回收時(shí)間點(diǎn)，并對(duì)電池容量進(jìn)行客觀分析評(píng)估。在磷酸鐵鋰電池梯次利用領(lǐng)域比較艱難的部分是標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一問題，在標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一上，建議行業(yè)眾多企業(yè)成立梯次利用項(xiàng)目合作委員會(huì)，合作研究制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員的建議需要得到國際政策支持與鼓勵(lì)，如此才能保證行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的盡快制定與統(tǒng)一。

5? 下一步研究計(jì)劃

第一，下一步研究將進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)研究，將把磷酸鐵鋰電池梯次利用向企業(yè)推薦梯次利用，來驗(yàn)證梯次利的方法是不是具有實(shí)用性。第二，針對(duì)磷酸鐵鋰電池一致性問題進(jìn)行研究，因?yàn)殡姵匾恢滦缘膯栴}一直以來事困擾研究者的重大問題，很多學(xué)者和專家在這個(gè)層面持有不同意見，且未找到一個(gè)十分高效的解決方式。下一步將進(jìn)一步了解相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展，思考梯次利用中電池一致性的問題。

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