鋰離子動(dòng)力電池梯次利用的研究與應(yīng)用進(jìn)展*

來文青，王永紅，石海鵬，燕思潼，張倩然

(1 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

近些年，全球的新能源汽車市場(chǎng)突飛猛進(jìn)。據(jù)第一電動(dòng)網(wǎng)數(shù)據(jù)，2019年全球銷量221萬輛。能取得如此突出成績(jī)，中國市場(chǎng)扮演著至關(guān)重要的角色。2019年中國市場(chǎng)銷量達(dá)120萬輛，全球占比超5成。但由于2020年初的全球新型冠狀病毒疫情的影響及國家補(bǔ)貼政策的逐步減少，新能源汽車銷量或?qū)l(fā)生斷崖式下跌。

據(jù)中國新能源汽車網(wǎng)數(shù)據(jù)，如圖1所示，2019年中國動(dòng)力電池裝機(jī)量62.2 GWh，同比增加9.3%。正極材料類型中三元材料和磷酸鐵鋰材料仍占主體地位，三元電池將成為主流動(dòng)力電池。

圖1 近幾年我國動(dòng)力電池裝機(jī)量Fig.1 Installed capacity of power batteries in China in recent years

按照乘用動(dòng)力電車電池使用壽命為8年和商用使用壽命5年來估算，之前裝機(jī)的動(dòng)力電池陸續(xù)在2018-2025年進(jìn)入退役期，預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到32.94 GWh[1]。由此帶動(dòng)動(dòng)力電池回收市場(chǎng)高速發(fā)展，樂觀估計(jì)，我國動(dòng)力電池回收利用市場(chǎng)規(guī)模，2020年將達(dá)到110億元，到2025年將達(dá)到380億元[2]。

此外，新能源汽車動(dòng)力電池的各項(xiàng)性能隨著日常的使用而衰減[3]。為保證新能源汽車日常安全使用，當(dāng)動(dòng)力電池性能衰減到原動(dòng)力電池的80%時(shí)必須進(jìn)行退役，但退役動(dòng)力電池仍具有較高的剩余價(jià)值。

退役動(dòng)力電池回收再利用分為梯次利用和拆解回收，如圖2所示。梯次利用是指將退役電池，進(jìn)行回收、篩選、再利用于其他領(lǐng)域。典型用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，如風(fēng)光儲(chǔ)能、削峰填谷、備用電源、家庭電能調(diào)節(jié)等[4]。目前70%以上回收的退役動(dòng)力電池用于梯次利用，這樣可以緩解回收壓力、降低環(huán)境污染、提高資源利用，提升經(jīng)濟(jì)效益，是目前最有前景、潛力巨大的新興行業(yè)[5-6]。

圖2 退役動(dòng)力電池回收過程Fig.2 Recovery process of retired power battery

因此，本文擬對(duì)退役動(dòng)力電池梯次利用國內(nèi)外技術(shù)研究進(jìn)行闡述，從電池評(píng)價(jià)和應(yīng)用角度分析了電池梯次利用技術(shù)的可行性，指出其中仍存在的問題并進(jìn)行展望。

1 動(dòng)力電池退役標(biāo)準(zhǔn)

通常將初始剩余容量的70%～80%設(shè)置為電池首次壽命的安全閾值，并將其作為動(dòng)力電池的通用退役標(biāo)準(zhǔn)[7]。然而，從電池在二次利用后，報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)是否符合這樣的標(biāo)準(zhǔn)仍不確定，其適用性仍存在疑問。

對(duì)于消費(fèi)者而言，對(duì)電池使用具有合法權(quán)益，為了保證利益最大化，電池退役很可能會(huì)依據(jù)電池退役標(biāo)準(zhǔn)或者保修日期來進(jìn)行退役。這意味著電池退役時(shí)會(huì)處于某特定健康狀態(tài)或特定時(shí)期。倘若動(dòng)力電池的所有權(quán)是新能源汽車生產(chǎn)廠家，很可能在電池不能滿足客戶需求或新能源汽車報(bào)廢等情況更換電池。這將導(dǎo)致退役電池具有不同的實(shí)際容量和內(nèi)部電阻值，其循環(huán)圈數(shù)也不同。

另外，通用的汽車壽命為10～12年，年平均行駛距離是12.5～20×103公里，大多數(shù)電動(dòng)汽車可能會(huì)以12～24×104km的行駛距離退役。對(duì)于電池容量在20 kW時(shí)范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車，實(shí)際行駛里程為100 km，這意味著電動(dòng)汽車在執(zhí)行1200～2400次全循環(huán)后電池將報(bào)廢。如果是更先進(jìn)的電動(dòng)汽車，電池容量在40～60 kW時(shí)(如特斯拉Modle S)，實(shí)際行駛里程大于300 km，需400～800次全循環(huán)，才可滿足上述行駛距離。當(dāng)然，日歷壽命老化也會(huì)對(duì)10～12年電動(dòng)汽車使用期間的電池壽命產(chǎn)生重大影響，這比純循環(huán)導(dǎo)致的老化更為嚴(yán)重，但大多數(shù)最先進(jìn)的電池目前能夠在達(dá)到20%的容量損失之前滿足全循環(huán)要求。

退役動(dòng)力電池的健康狀態(tài)，決定著其剩余使用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)格?？紤]到電池梯次利用的實(shí)際情況，需要對(duì)二次電池進(jìn)行可行性技術(shù)評(píng)估。

2 動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)現(xiàn)狀

與新電池相比，退役動(dòng)力電池在性能和安全性上都有一定幅度下降，且每個(gè)單體電池在退役后的使用程度不同，性能差異較大。所以在梯次利用前，必須開展相關(guān)的技術(shù)研究。如圖3所示，首先評(píng)估退役動(dòng)力電池狀態(tài)和剩余價(jià)值，判斷能否梯次利用；其次進(jìn)行壽命評(píng)估及安全性能研究，考慮其合適的使用領(lǐng)域；進(jìn)一步分析梯次利用各環(huán)節(jié)成本，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性技術(shù)評(píng)估；最后研究梯次利用電池的報(bào)廢條件，以確保電池能在不發(fā)生安全事故的前提下，發(fā)揮最大的電池性能。本工作主要從圖3中的“能否用”和“怎么用”兩個(gè)角度，即電池評(píng)價(jià)和應(yīng)用角度，來對(duì)動(dòng)力電池梯次利用技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖3 動(dòng)力電池梯次利用的技術(shù)體系架構(gòu)Fig.3 Technical architecture of power battery echelon utilization

2.1 梯次利用電池評(píng)價(jià)研究

電池的健康狀態(tài)決定著梯次利用的技術(shù)或經(jīng)濟(jì)可行性，通過二次電池進(jìn)行評(píng)價(jià)，使得二次電池相比于新電池，具有更大的使用空間[8-9]。

Tong等[10]監(jiān)測(cè)了電網(wǎng)中磷酸鐵鋰退役動(dòng)力電池的容量衰減情況，電池在1C倍率，80%DOD的放電深度條件下，進(jìn)行充放電循環(huán)，在達(dá)到二次壽命終止時(shí)，進(jìn)行了1400個(gè)循環(huán)，這相當(dāng)于在離網(wǎng)光伏新能源充電站上運(yùn)行將近5.5年。Omar等[11]對(duì)兩塊40 Ah LiFePO4電池的第二壽命老化性能進(jìn)行了分析。兩個(gè)電池都在1C-100%DOD的條件下經(jīng)歷了首次生命周期，直到達(dá)到其初始容量的80%(約350次循環(huán))。在首次循環(huán)壽命終止時(shí)，兩塊單體電池容量及其功率容量保持相似。對(duì)于第二次生命周期測(cè)試，兩個(gè)電池均以1C恒流充電，以2C恒流放電，放電深度80%DOD。容量衰減的演變呈現(xiàn)出其第二壽命的不同階段。在前1000個(gè)周期中，兩個(gè)電池均顯示出非常相似的線性容量下降趨勢(shì)。然后，一個(gè)電池的容量衰減顯著加快，而另一個(gè)保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。通過評(píng)估Peukert數(shù)的演變，往返效率和兩個(gè)電池的內(nèi)阻，進(jìn)一步研究了電池之間的這種差異，但是沒有獲得的結(jié)果顯示出容量衰減不均等的結(jié)論性原因。Baumhofer等[8]對(duì)48塊三元電池進(jìn)行老化循環(huán)，條件是2C-60%DOD，直至其剩余容量到達(dá)約43%。在第一生命周期中，大約循環(huán)1000次后，剩余容量為85%。之后老化行為加速，又進(jìn)行約750個(gè)循環(huán)后，剩余容量到達(dá)43%，這種現(xiàn)象通常稱為容量跳水現(xiàn)象。

Andoni等[12]解釋了發(fā)生容量跳水現(xiàn)象的原因，由于主要的老化機(jī)制發(fā)生了變化，出于安全原因應(yīng)立即停用，這些電池既不能用于汽車用途，也不能用于第二次使用。在發(fā)生容量跳水后，電池會(huì)脹氣鼓包，這種電池安全事件的危險(xiǎn)后果甚至在實(shí)際應(yīng)用中更為顯著，在實(shí)際應(yīng)用中，電池在壓力下堆疊以形成電池模塊。同時(shí)，電池的二次使用并沒有減慢容量快速下降的趨勢(shì)，在這種退化階段的電池幾乎不可能提供穩(wěn)定且持久的第二次使用性能。在二次電池測(cè)試中若考慮退化程度不同的電池，則電池在達(dá)到容量跳水前，及時(shí)對(duì)其重新評(píng)價(jià)，可以重新使用。

Mohamed等[13]對(duì)退役后的EIG公司7 Ah電池單體和18650磷酸鐵鋰電池模組進(jìn)行了全面的性能分析。結(jié)果表明，電化學(xué)阻抗譜測(cè)試可用于描述鋰離子健康狀態(tài)和深度老化機(jī)制，可以通過軟件建立等效電路來模擬退役電池，模擬后誤差精度小于2%。此外，Mohamed對(duì)退役電池模組運(yùn)用電池管理系統(tǒng)(BMS)來構(gòu)建梯次利用實(shí)驗(yàn)裝置，該系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)單體電壓、電流和溫度來保護(hù)平衡電池使用。工作原理是使用15歐姆電阻器來均衡電池組電壓，使用低精度精密分流歐姆電阻器(0.25%的精度)測(cè)量電池模組電流。

王綏軍等[14]研究了退役動(dòng)力電池的低溫安全性能。該實(shí)驗(yàn)在-10 ℃、0 ℃和25 ℃環(huán)境中進(jìn)行充放電循環(huán)。結(jié)果-10 ℃循環(huán)后負(fù)極極片的表面有鋰枝晶出現(xiàn)，極易刺破隔膜，造成內(nèi)部短路，導(dǎo)致低溫性能衰減、安全性能降低。因此，不建議在低溫條件進(jìn)行梯次利用。趙光金等[15]為使退役電池保持一致，利用電池均衡管理技術(shù)，提出一種智能分時(shí)主動(dòng)被動(dòng)協(xié)同均衡技術(shù)，該技術(shù)融合主被動(dòng)均衡的優(yōu)點(diǎn)，通過對(duì)硬件電路的修改，在不同使用情況下運(yùn)用不同均衡方式。

綜上所述，對(duì)于所研究的鋰離子電池參考，二次使用的技術(shù)可行性在很大程度上取決于第一次使用期間的電池老化歷史，電池汽車報(bào)廢的時(shí)間點(diǎn)以及目標(biāo)第二次使用的要求。

2.2 梯次利用電池應(yīng)用研究

早在2011年，Viswanathan等[16]進(jìn)行了在電力系統(tǒng)中動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性研究，該研究分析了梯次利用時(shí)不同工況對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響，并提出經(jīng)濟(jì)性收益評(píng)估方法。Reinhard等[17]開發(fā)了一個(gè)具有集成光伏存儲(chǔ)系統(tǒng)的家庭仿真模型，用來研究退役動(dòng)力電池在住宅應(yīng)用中負(fù)荷轉(zhuǎn)移和調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)可行性。Lih等[18]從環(huán)保角度研究了退役動(dòng)力電池梯次利用工藝及成本，估算使用產(chǎn)生的效益率，提出一種用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的新型模式。

Machuca等[19]運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)德國2030年之前事故和報(bào)廢車輛的動(dòng)力電池中可用于梯次利用的電池?cái)?shù)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，該模型的數(shù)據(jù)來自德國2010年至2030年新登記的新能源汽車的估計(jì)數(shù)量、德國汽車的事故率以及汽車的平均壽命，結(jié)果表明2030年可用的梯次使用電池總量將在130000節(jié)/年至500000節(jié)/年之間。若將該模型運(yùn)用到中國梯次利用市場(chǎng)中，其結(jié)果將會(huì)帶來極大參考價(jià)值。

Martinez等[20]從鎳鈷錳三元鋰電池健康狀態(tài)和老化歷史兩個(gè)角度，研究在住宅需求管理應(yīng)用和電源平滑可再生整合應(yīng)用對(duì)電池性能的影響。該研究證明通用的動(dòng)力電池退役標(biāo)準(zhǔn)(容量保持率在80%以下)不適用于三元鋰電池，在電池達(dá)到老化階段后重新使用該電池時(shí)，老化趨勢(shì)沒有得到減緩。該研究評(píng)估了電池老化歷史和健康狀態(tài)對(duì)電池性能和退化行為的影響，分析了均相和非均相電池組的性能曲線。結(jié)果顯示，第一壽命電池老化歷史對(duì)第二壽命電池的性能和退化產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，所以監(jiān)控和篩選電池對(duì)于梯次利用技術(shù)可行性至關(guān)重要。

國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)梯次利用也開展了研究。謝英豪等[21]研究動(dòng)力電池梯次利用時(shí)容量和安全性變化，發(fā)現(xiàn)無論是否重組，電池梯次利用時(shí)的一致性均比退役前衰退的更快。李建林等[22]采用數(shù)學(xué)方法對(duì)退役電池梯次利用循環(huán)測(cè)試進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明在平抑波動(dòng)、削峰填谷領(lǐng)域，退役電池容量保持率大于60%時(shí)更具有成本優(yōu)勢(shì)；在接近80%時(shí)的備用電源場(chǎng)景成本較低。因此考慮退役電池商業(yè)化，必須合理應(yīng)用退役電池梯次利用適用領(lǐng)域。

在梯次利用研究過程中，電池管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電池模組的安全運(yùn)行、控制策略及充電模式的選擇、監(jiān)測(cè)電池荷電狀態(tài)、運(yùn)營成本意義重大。劉璐等[23]針對(duì)儲(chǔ)能動(dòng)力電池梯次利用時(shí)容量衰減不一致的特點(diǎn)，提出100 kWh梯次利用儲(chǔ)能電池安全管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用離線主動(dòng)均衡方式進(jìn)行容量補(bǔ)償，建立系統(tǒng)級(jí)安全策略和多級(jí)報(bào)警策略，對(duì)儲(chǔ)能電池多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行保護(hù)。

總之，從國內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)從事的梯次利用技術(shù)研究工作中可以看出，動(dòng)力電池梯次利用最關(guān)鍵的技術(shù)在于電池管理系統(tǒng)和應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性研究。因此，如何高效的進(jìn)行電池梯次利用，并根據(jù)不同電池模組的性能、循環(huán)壽命等數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)集成為主要突破點(diǎn)。

3 結(jié) 語

本文綜述了新能源汽車鋰離子動(dòng)力電池梯次利用的研究與應(yīng)用進(jìn)展，從電池評(píng)價(jià)和應(yīng)用角度分析了電池梯次利用技術(shù)的可行性，詳細(xì)的探討了國內(nèi)外研究者的梯次利用研究工作，指出其中仍存在的問題并進(jìn)行展望。

需要指出的是，退役電池梯次利用領(lǐng)域主導(dǎo)市場(chǎng)以電池企業(yè)居多，多數(shù)汽車企業(yè)投入力度較小，因此很多學(xué)者以固定的計(jì)算模式來評(píng)估梯次利用的可行性，這個(gè)方法具有不確定性，應(yīng)呼吁更多的企業(yè)來參與其中，整體行業(yè)需要相應(yīng)大型用戶和高新科技企業(yè)做引導(dǎo)研究，才能實(shí)現(xiàn)行業(yè)產(chǎn)業(yè)化突破。

學(xué)者對(duì)電池老化及容量跳水的機(jī)理研究不深入且研究較少，需進(jìn)一步研究梯次利用動(dòng)力電池的老化機(jī)理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，以滿足實(shí)際使用需求。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室研究技術(shù)應(yīng)用到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中較困難，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化還有待進(jìn)一步研究。

總體來看，梯次利用雖然已經(jīng)引起政府部門、科研機(jī)構(gòu)、部分企業(yè)的關(guān)注和研究，但還沒有引起大量的資源投入，屬于“藍(lán)?！笔袌?chǎng)。隨著退役動(dòng)力電池總量的爆發(fā)，這一領(lǐng)域所潛藏的巨大商業(yè)機(jī)遇，必將引起眾多企業(yè)積極參與和激烈競(jìng)爭(zhēng)。新的產(chǎn)品、技術(shù)和商業(yè)模式在未來都會(huì)層出不窮，未來退役動(dòng)力電池的梯次利用利用產(chǎn)業(yè)勢(shì)必成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，具有極大發(fā)展空間。