評估退役動力電池能否梯次利用簡易裝置的設計

楊洛書 魏嵊峰 余義杰 楊建鋒

（東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱150000）

全球能源危機日益加劇，同時傳統(tǒng)化石能源粗放式應用造成的環(huán)境污染嚴重威脅著人類的健康生存，而電動汽車在緩解能源危機、解決城市霧霾方面具有很大優(yōu)勢。目前電動汽車廣泛采用磷酸鐵鋰型動力鋰離子電池作為動力源，主要考慮到這種類型動力鋰離子電池正極材料安全性較高、價格相對較低以及對環(huán)境友好等優(yōu)點。

正因為電動汽車在解決城市環(huán)境危機方面優(yōu)勢明顯，近年來行業(yè)整體發(fā)展迅猛。動力電池作為電動汽車的動力電源仍然是制約電動汽車行業(yè)發(fā)展的瓶頸，盡管鋰離子電池的研究一直是各大高校及科研院所的研究熱點，但電池成本仍然居高不下。鋰離子動力電池價格高昂固然與電池行業(yè)整體生產(chǎn)水平、電池材料價格高有關，但是將電動汽車上退役下來的鋰離子動力電池經(jīng)過篩選重組，重新梯次利用到其他對電池性能要求相對較低的場合，這將大大降低鋰離子動力電池的實際利用價格，更有利于廢棄物資源節(jié)約化的發(fā)展方向。本文通過研究退役電池電化學性能，分析退役鋰離子動力電池梯次利用可行性，為退役鋰離子動力電池資源化、合理化利用提供技術依據(jù)。

1 實驗

實驗中采用磷酸鐵鋰型軟包鋰離子動力電池作為研究對象，電池容量大小為20Ah，生產(chǎn)廠家為河南環(huán)宇賽爾新能源科技有限公司。實驗中用到設備包括：電池內(nèi)阻測試儀（日本日置，HIOKI-3554），鋰電池充放電儀（杭州可靠性儀器廠），高低溫箱（北京雅士林設備有限公司），熱成像儀（FLIR）。電池高低溫環(huán)境下放電性能實驗是在高低溫箱中模擬進行，高低溫箱具備防爆排氣功能。

文中退役鋰離子動力電池（退役電池）都定義為電池在電動汽車上運行一定年限后，由于電池組整體容量無法滿足動力電池性能要求而退運，且經(jīng)過內(nèi)外特性分選后的合格單體電池；報廢鋰離子動力電池（報廢電池）是指從電動汽車上卸載下的電池被篩選以后，其外部形態(tài)或者容量、內(nèi)阻等電化學性能不再適合梯次利用的電池。

2 結(jié)果討論

2.1 電池分選

將電動汽車上退役下來的鋰離子動力電池組進行拆解，首先根據(jù)電池外部形態(tài)初次篩選，篩選標準包括電池極耳是否完好，電池是否發(fā)軟、鼓脹以及表面起皺。

2.2 退役動力鋰離子電池電化學性能分析

2.2.1 額定容量測試

鋰電池的額定容量測試機制如下：

（1）將鋰電池進行1C 恒流充電（CC）至電壓為3.65V,轉(zhuǎn)恒壓充電（CV）至電流為0.05C 時截止；

（2）靜置10min；

（3）將電池進行1C 恒流放電（CD），至放電截止電壓為2.0V；

（4）靜置10min；

按上述步驟，可測得單體電池的額定放電容量。

2.2.2 剩余壽命測試

退役電池的剩余容量測試機制如下：

（1）將單體電池進行1C 恒流充電至電壓達到3.65V,轉(zhuǎn)恒壓充電至電流為0.05C 時截止；

（2）靜置10min；

（3）將電池按照定的條件恒電流放電；

（4）靜置10min；

按上述步驟，可測得單體電池在該放電條件下的剩余放電容量。

重復該充電放電步驟，記錄下每次充放電結(jié)束以后的電池余量，一共測試50 次左右，直達剩余電量是額定電量的70%～80%結(jié)束。

2.2.3 電壓測量

將單塊電池充滿后以恒定電流1/5A 放電，在放電時，利用電壓電阻測試儀每5 分鐘記錄一次此時的電壓值，直到放電結(jié)束。

在一次放電過程時電壓隨時間的變化都記錄下來，包括起始電壓，截止電壓。

每次充放電時的時間間隔，靜置時間保持不變。

進行盡可能多的充放電實驗，直到剩余容量為額定容量的70%～80%，將每一次放電時電壓隨時間的變化都記錄下來。

2.2.4 電流的測量

將單塊電池充滿后以恒定電壓放電，在放電時，利用電壓電阻測試儀每5 分鐘記錄一次此時的電流值，直到放電結(jié)束。在一次放電過程時電流隨時間的變化都記錄下來，包括起始電流，截止電流。

每次充放電時的時間間隔，靜置時間保持不變。

進行盡可能多的充放電實驗，將每一次放電時電流隨時間的變化都記錄下來。

2.2.5 電阻的測量

將單塊電池充滿后以恒定電流1/5A 放電，在放電時，利用電壓電阻測試儀每5 分鐘記錄一次此時的電阻值，直到放電結(jié)束。

在一次放電過程時電阻隨時間的變化都記錄下來，包括起始電阻，截止電阻。

每次充放電時的時間間隔，靜置時間保持不變。

進行盡可能多的充放電實驗，將每一次放電時電阻隨時間的變化都記錄下來。

2.2.6 SOC-OCV 測試

鋰電池的SOC-OCV 測試機制如下：

（1）將電池以一定的倍率恒流充電, SOC 每間隔10%，靜置1h，測得電池的開路電壓；

（2）重復進行第1 步充電，直至電池的SOC=0；

（3）將鋰電池以一定的倍率恒流放電SOC 每間隔10%，靜置1h,測得電池的開路電壓；

（4）重復進行第3 步放電，直至電池的SOC=0；

按上述步驟，可測得鋰電池在該充放電條件下的SOC-OCV曲線。

3 結(jié)果與討論

從電動汽車上退役下來的鋰離子動力電池，經(jīng)過分選重組后，梯次利用價值巨大。從退役電池電化學性能研究發(fā)現(xiàn)，與新電池相比經(jīng)過重組后其在容量、內(nèi)阻及一致性方面，均滿足梯次利用過程中對電池要求，退役電池在低溫場合中梯次利用要尤其做好加熱及保溫防護；退役電池熱成像測試結(jié)果表明，電池在充放電時表面溫度分布均勻，溫差小；退役電池安全性測試結(jié)果也說明其安全性滿足梯次利用要求，退役電池梯次利用價值及潛力巨大。