論退役鋰電池梯次利用技術(shù)

陳柯元 陳臻 包啟科 湯海嵐 蔡嘉賓

摘?要：針對(duì)現(xiàn)行市場(chǎng)退役鋰電池梯次利用技術(shù)不完善的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目旨在解決退役鋰電池梯次判定時(shí)采集獲得的多參數(shù)建模的困難性，提出利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理鏈接式表格搜索設(shè)想。就促進(jìn)行業(yè)龍頭企業(yè)的退役鋰電池梯次利用安全操作規(guī)范化和退役鋰電池梯次利用市場(chǎng)化，點(diǎn)明操作關(guān)注點(diǎn)，探索未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)突破點(diǎn)?；谏鲜鲑Y料，本項(xiàng)目對(duì)退役鋰電池梯次利用技術(shù)進(jìn)行合理展望，分析該技術(shù)的前景及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：退役鋰電池;梯次利用;鋰電池

預(yù)測(cè)至2020年，累計(jì)退役重量達(dá)12～17萬(wàn)噸。如果直接對(duì)退役鋰電池進(jìn)行金屬回收，剩下的80%的電池容量將是極大浪費(fèi);如果對(duì)退役鋰電池回收前先進(jìn)行梯次利用，即將鋰電池包、模組或單體重新檢測(cè)、分選并配組，再應(yīng)用于對(duì)電池容量和功率等要求不像電動(dòng)汽車那么嚴(yán)格的場(chǎng)所（比如電網(wǎng)、太陽(yáng)能和風(fēng)能等儲(chǔ)能領(lǐng)域，寬帶無(wú)線基站蓄電池等），可以有效延長(zhǎng)電池的生命周期，減少電池使用成本。預(yù)測(cè)到2020年，梯次利用市場(chǎng)規(guī)模約64億元，2025年約282億元[1]。為此，2012年《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》和2016年《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》均明確提出要大力發(fā)展鋰電池梯次利用，引導(dǎo)健全、完善相關(guān)技術(shù)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

一、現(xiàn)狀分析

美國(guó)、日本以及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家于2000年左右就在鋰電池梯次利用進(jìn)行了大量技術(shù)投入，技術(shù)領(lǐng)先。國(guó)內(nèi)在大規(guī)模鋰電池梯次利用技術(shù)方面，起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距。本項(xiàng)目針對(duì)電池行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)年25000噸鋰電池梯次利用和資源回收生產(chǎn)線所面臨的關(guān)鍵問題開展研究。

二、研究?jī)?nèi)容

退役鋰電池梯次利用是個(gè)百億級(jí)的市場(chǎng)，梯次利用產(chǎn)業(yè)化過(guò)程諸多關(guān)鍵技術(shù)尚不完善。目前，鋰電池使用過(guò)程參數(shù)類型多、參數(shù)采集不完備且采集方法差異大，導(dǎo)致獲取的過(guò)程數(shù)據(jù)分布呈現(xiàn)量大、高維、非高斯、非線性、異構(gòu)和異源等特點(diǎn)，使快速準(zhǔn)確的梯次利用關(guān)鍵性能估計(jì)難以實(shí)施。此外，鋰電池鹽水放電法生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的重金屬污染。

退役鋰電池性能估計(jì)數(shù)據(jù)包括電芯工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、出廠和退役電池表面完整度、出廠和退役電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、出廠、使用過(guò)程和退役后電池電特性數(shù)據(jù)。電芯工藝數(shù)據(jù)包括正負(fù)極材料、電解液、隔膜等;生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)包括正負(fù)極材料實(shí)際厚度、隔膜實(shí)際厚度、電解液實(shí)際比例濃度、生產(chǎn)環(huán)境溫度、電池排列位置等;電池表面完整度包括無(wú)劃痕、壓痕，電池標(biāo)記清楚，無(wú)編號(hào)缺失等特征;電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括無(wú)氣脹、漏液、變形等特征。電池電特性數(shù)據(jù)包括開路電壓、工作電壓、極化電壓、靜態(tài)容量、實(shí)際容量、放電深度、內(nèi)阻、循環(huán)壽命、環(huán)境溫度、散熱條件、充放電進(jìn)度、空氣潮濕度和通風(fēng)條件等數(shù)十個(gè)指標(biāo)。針對(duì)傳統(tǒng)鋰電池規(guī)模化放電時(shí)，電池重金屬會(huì)泄露入鹽水，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。利用石墨具有較好的導(dǎo)電性，且屬于退役電池自身的廢料（退役電池負(fù)極材料，成本可以忽略）。項(xiàng)目組目前已采用粉狀石墨對(duì)18650柱狀鋰電池和軟包電池進(jìn)行了批量放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明80%左右的電池24小時(shí)內(nèi)可以放電完畢，但是由于粉狀石墨與電池正負(fù)極接觸不充分，存在20%左右電池?zé)o法放電或放電時(shí)間較長(zhǎng)問題，以及粉狀石墨放電規(guī)?；烹姇r(shí)存在嚴(yán)重的粉塵污染問題。

三、關(guān)鍵技術(shù)

為了確保數(shù)據(jù)的規(guī)范、統(tǒng)一且測(cè)試成本低廉，篩選電池參數(shù)并制定合理的測(cè)試方法是關(guān)鍵問題，解決此問題涉及利用合作企業(yè)現(xiàn)有的成熟鉛酸電池測(cè)試技術(shù)和已有的鋰電池測(cè)試技術(shù)。此外，為了測(cè)量過(guò)程參數(shù)，需要對(duì)現(xiàn)有的鋰離子電池包軟硬件進(jìn)行升級(jí)改造，以實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

面對(duì)如此復(fù)雜多源的大數(shù)據(jù)，現(xiàn)有方法難以直接對(duì)其進(jìn)行建模。可根據(jù)電池老化機(jī)理，對(duì)多源參數(shù)按對(duì)關(guān)鍵性能影響的權(quán)重進(jìn)行篩理排序，將其劃分成多個(gè)分塊，對(duì)各分塊并行實(shí)施降維與特征提取，同時(shí)盡可能保留對(duì)性能估計(jì)有用的特征信息是關(guān)鍵問題。由于石墨為粉狀固體，與電池正負(fù)極會(huì)存在接觸不充分問題，導(dǎo)致部分電池?zé)o法充分放電且放電時(shí)間較長(zhǎng)問題。將石墨材料通過(guò)與一定比例的水混合制成漿料后，研究確定最優(yōu)水與粉狀石墨的比例、攪拌方式、時(shí)間等放電工藝是關(guān)鍵問題，使得該工藝下石墨粉與電池能充分接觸，并且放電后石墨與電池易于振動(dòng)分離。

四、技術(shù)操作的關(guān)注點(diǎn)

（一）安全性

退役鋰電池作為固體廢物，會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多廢棄物，這些需要妥善處理。由于這類廢棄處理含有潛在威脅，因此，這類處理比較容易傷及人員[1]。同時(shí)，退役鋰電池比新鋰電池容易存在零件老化，過(guò)充過(guò)放，脹氣問題等嚴(yán)重影響使用的風(fēng)險(xiǎn)。這些問題不僅影響電池的性能，還為從事相應(yīng)工作的人員帶來(lái)不可預(yù)估的安全隱患。安全是儲(chǔ)能系統(tǒng)的第一要素，在國(guó)家相關(guān)法規(guī)不完善的當(dāng)下，有能力也有必要關(guān)注梯次利用時(shí)的安全性。為維護(hù)企業(yè)合法權(quán)益和行業(yè)發(fā)展，對(duì)于企業(yè)數(shù)據(jù)的安全也需要引起極大注意。

（1）數(shù)據(jù)安全。退役鋰電池梯次利用的信息安全以數(shù)據(jù)的應(yīng)用安全性（準(zhǔn)確性）和保密性為基軸。大數(shù)據(jù)處理可以實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量數(shù)據(jù)的搜索。在現(xiàn)實(shí)生活中，企業(yè)常帶有某種具體的參數(shù)要求，因此輸入權(quán)重高的固定參數(shù)進(jìn)行多次篩選，鏈接權(quán)數(shù)低的參數(shù)的該電池多張信息表，構(gòu)建以多種需求參數(shù)為基軸的圖表。為應(yīng)對(duì)黑客竊取商業(yè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建企業(yè)級(jí)防火墻，強(qiáng)化權(quán)限的限制級(jí)構(gòu)建可以促進(jìn)信息安全。在動(dòng)態(tài)周期內(nèi)，必須對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)予以重采。

（2）技術(shù)安全。退役鋰電池的制造工藝客觀上存在巨大差異，導(dǎo)致退役鋰電池單體以及退役電池模組之間性能差距較大，從而為協(xié)同工作時(shí)的安全性埋下隱患。這種狀況是退役鋰電池梯次利用所無(wú)法避免的。而且在現(xiàn)行梯次分類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況下，除了單一龍頭企業(yè)單解決自身退役鋰電池梯次利用外，近乎無(wú)解。退役鋰電池相較于全新鋰電池，內(nèi)部的隔熱層老化和化學(xué)物質(zhì)的活性下降等原因?qū)е落囯姵氐臒崴p性表現(xiàn)更為明顯，也意味著熱失控的幾率增加。鋰電池梯次利用有較高的精度要求，這使得行業(yè)工人要具有較高的勞動(dòng)素質(zhì)，一旦拆解不當(dāng)，工人將面臨觸電和熱失控的風(fēng)險(xiǎn)[3]。

（3）運(yùn)存安全。隨著退役鋰電池的基數(shù)的增大，社會(huì)對(duì)梯次利用的需求增大，基于處理的滯后性，退役鋰電池梯次利用行業(yè)要解決運(yùn)存安全?，F(xiàn)行鋰電池大多采用可燃的有機(jī)溶劑體系，電磁具有一定的能量，場(chǎng)的疊加，加之能量以熱的形式散失，在運(yùn)輸車這封閉空間內(nèi)熱大量集聚，容易引發(fā)熱失控，甚至引發(fā)連鎖反應(yīng)。電磁場(chǎng)的存在和粉狀石墨的導(dǎo)電性使行業(yè)在面對(duì)特定天氣（如雷雨天氣）須及時(shí)做好防磁防暴防漏電等預(yù)備工作，嚴(yán)格執(zhí)行突發(fā)情況預(yù)案，竭力將損失降低到可控的最低限度。

（二）經(jīng)濟(jì)性與市場(chǎng)化結(jié)合

退役鋰電池梯次利用市場(chǎng)從現(xiàn)狀上講，處于一個(gè)需求小、流通范圍窄、市場(chǎng)規(guī)則缺乏的新興市場(chǎng)階段。為了保證鋰電池梯次利用技術(shù)在龍頭企業(yè)的應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)化必須被置于一個(gè)相當(dāng)重要的位置。退役鋰電池梯次利用技術(shù)主要是對(duì)BMS的信息采集和信息分配應(yīng)用所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的利用。從這個(gè)意義上，退役鋰電池梯次利用市場(chǎng)可以被定位為一個(gè)隸屬于現(xiàn)代儲(chǔ)能市場(chǎng)的服務(wù)型市場(chǎng)。

（1）統(tǒng)一處理的集聚優(yōu)勢(shì)。當(dāng)今限制鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的主要影響因素是安全性和高成本。在安全性得到保障的前提下，鋰電池價(jià)格高歸因于鈷的高成本以及每個(gè)電池所需的復(fù)雜保護(hù)電路[2]。退役鋰電池梯次利用在最大限度上利用鈷資源，緩解囿于鈷的成本上漲問題。同時(shí)，基于退役鋰電池的特性，該技術(shù)也在向包括復(fù)雜的保護(hù)電路提出更高要求。大量退役鋰電池的處理由一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈完成，盡可能減少運(yùn)存時(shí)間，量產(chǎn)通用保護(hù)電路，側(cè)面擴(kuò)大退役鋰電池梯次利用的應(yīng)用領(lǐng)域，便于市場(chǎng)化。

（2）聯(lián)結(jié)電池需求。不同類型鋰電池在初始設(shè)定的目標(biāo)有不同，在梯次利用的領(lǐng)域也不同。定制化加工可以激發(fā)退役鋰電池梯次利用的活力。依據(jù)粉狀石墨和水以不同比例混合后的混合物的物化特性，可以滿足多角度的電池需求，避免“高射炮迫擊蚊子”。而且發(fā)揮最大性能的退役鋰電池可以減少維修費(fèi)用，將石墨的作用發(fā)揮到極致，提高資源利用率。

五、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)退役鋰電池梯次利用的主要領(lǐng)域有：一是電力儲(chǔ)能市場(chǎng);二是低速電動(dòng)車;三是變電站或者通信基站。退役鋰電池梯次利用通過(guò)有效減少?gòu)U棄鋰電池?cái)?shù)量獲取巨大的生態(tài)效益和社會(huì)效益。隨著退役鋰電池的基數(shù)增大，社會(huì)對(duì)退役鋰電池梯次利用的需求日趨強(qiáng)烈，故而退役鋰電池梯次利用市場(chǎng)前景一片光明。

退役鋰電池梯次利用的前途是光明的，但是道路是曲折的。退役鋰電池梯次利用全面推廣過(guò)程中，當(dāng)下的弊端將隨著市場(chǎng)擴(kuò)大而愈發(fā)凸顯。目前退役電池量較少，產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)爭(zhēng)奪擠占有限的退役電池資源，梯次利用電池采購(gòu)價(jià)格居高不下;行業(yè)在殘值評(píng)估等技術(shù)方面存在瓶頸，需要退役鋰電池使用的歷史數(shù)據(jù)等信息用于評(píng)估退役動(dòng)力蓄電池性能，以確保篩選重組的梯次利用電池產(chǎn)品安全可靠。在當(dāng)前回收的退役鋰電池中，以研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢舊退役鋰電池為主，新能源汽車退役電池較少。

我國(guó)動(dòng)力電池回收市場(chǎng)還處于發(fā)展階段，但是退役鋰電池梯次利用可以產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益依然顯著。在退役動(dòng)力電池梯次利用領(lǐng)域，當(dāng)電池循環(huán)壽命高于400次時(shí)，開始產(chǎn)生盈利，隨著未來(lái)電池技術(shù)的成熟，動(dòng)力電池的退役循環(huán)壽命必將呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在報(bào)廢動(dòng)力電池拆解回收方面，目前三元電池的物理回收工藝具有較高的收益，而磷酸鐵鋰電池的拆解回收仍處于虧損狀態(tài)。據(jù)預(yù)測(cè)，2020年市場(chǎng)上累計(jì)報(bào)廢動(dòng)力電池量將達(dá)50萬(wàn)噸，按三元電池占35%，磷酸鐵鋰電池占65%來(lái)算，在回收效率及成本基本不變的情況下，通過(guò)拆解回收這2類動(dòng)力電池，也將產(chǎn)生4億元的純利潤(rùn)，隨著電池正極材料價(jià)格的上漲，由于濕法回收工藝具有較大的材料回收效率，因此濕法回收工藝在三元電池回收方面呈現(xiàn)出較大盈利潛力，而對(duì)于磷酸鐵鋰電池的回收，選擇物理回收工藝更為合適。將磷酸鐵鋰電池退役后梯次利用和拆解回收結(jié)合起來(lái)看，不難發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池退役后的再循環(huán)利用也處于盈利狀態(tài)[4]。

梯次利用還存在效率偏低，電池剩余壽命及一致性評(píng)估等技術(shù)不成熟等問題。龍頭企業(yè)要采取多樣化激勵(lì)措施，借鑒歐美國(guó)家發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，探索可持續(xù)商業(yè)模式。

參考文獻(xiàn)：

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[4]宋秀玲，戴書琪，徐永勝，等.廢舊鋰離子電池放電的實(shí)驗(yàn)研究[J].應(yīng)用化工，2015（4）：594-597.

科研項(xiàng)目：湖州師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（2019XJKJ36）

作者簡(jiǎn)介：陳柯元（2001—），男，浙江寧波人，就讀湖州師范學(xué)院，攻讀機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（師范）專業(yè)。

通訊作者：蔡嘉賓，湖州師范學(xué)院教師，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：鋰電池參數(shù)結(jié)構(gòu)。