退役動力電池的梯次利用技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益分析*

蘇慶列，林金海

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院汽車學(xué)院，福建 福州350007）

近年來，在關(guān)于純電動汽車動力鋰電池的退役回收梯次利用的領(lǐng)域內(nèi)，取得了大量研究成果。鐘雪虎等[1]列舉了一些典型的廢舊鋰離子電池回收過程，并在研究相對薄弱的電解液回收處理領(lǐng)域做了一些工作。朱國才等[2-3]總結(jié)了動力電池在回收利用方面面臨的問題，對退役鋰離子電池回收技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了綜述，包括預(yù)處理、機械化學(xué)處理技術(shù)、材料修復(fù)技術(shù)、濕法工藝等。黎華玲等[4]介紹了國內(nèi)外主要回收工藝技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)的困境，著重講解了鋰離子電池精細(xì)化拆解流程。夏重凱[5]對動力電池回收拆解市場行情、拆解流程、工藝路線和產(chǎn)線布局進(jìn)行了依次講解，根據(jù)調(diào)研回收工藝中的各項生產(chǎn)成本以及產(chǎn)生的收益數(shù)據(jù)，對獲得的經(jīng)濟(jì)利潤進(jìn)行了計算分析。

課題組將結(jié)合國內(nèi)退役電池的梯次利用現(xiàn)狀及案例，對退役電池梯次利用過程中的電池分類、篩選、重組、安全性評估以及儲能電池回收等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜合闡述，對動力電池退役之后的經(jīng)濟(jì)效益以及不同電池利用特點進(jìn)行分析。

1 國內(nèi)關(guān)于退役電池的梯次利用現(xiàn)狀

退役動力電池的梯次利用會涉及節(jié)能減排、能源安全、國家民生等方面，所以國家高度重視，政府部門相繼出臺一系列的管理政策文件，以推動動力電池回收再利用管理體系、動力蓄電池回收利用標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)不斷完善，為這一項技術(shù)應(yīng)用開辟綠色通道。雖然我國退役動力電池梯次利用發(fā)展比較晚，但是有國家的政策支持、企業(yè)的社會責(zé)任感，國內(nèi)多家動力電池制造企業(yè)先后開展了電池梯次利用技術(shù)研究，并取得一定的成果。北京匠心電池和北汽新能源“擎天柱計劃”，打造光儲換電平臺；基于大數(shù)據(jù)分析的梯次電池監(jiān)控和新能源車輛評估平臺開展了基于整包級及模組級梯次動力蓄電池應(yīng)用的項目開發(fā)；中航鋰電在電池的梯次利用方面也已經(jīng)有了系統(tǒng)性解決方案。隨著動力電池梯次利用技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展以及國家政策的引導(dǎo)，一些非動力電池制造企業(yè)也開始研究退役動力電池的梯次利用技術(shù)。

2 退役動力電池分類、安全性評估、篩選及重組

2.1 退役動力電池分類

退役動力電池模塊或電池組必須經(jīng)過外觀分類、安全檢查、外部特性分類、耐久性測試和其他評估分類過程后，才能進(jìn)入級聯(lián)利用。

常見以梯次利用電池電壓和內(nèi)阻分類，在非工作狀態(tài)下電路無電流流過時，用電表測量所得電池兩接線柱間的電壓值，可將測定電池不同時間的荷電變化狀態(tài)作為參考。根據(jù)電池的開路電壓，可以判斷電池的荷電狀況，將開路電壓分類放在分類過程的前面可以顯著提高分類效率，為梯次利用分類作一個參考依據(jù)。在梯次使用之前手動分類退役的電池時，由于電池開路電壓測試只需要很短的時間，要求儀器調(diào)試和數(shù)據(jù)處理沒有問題，因此，在外觀分類之后，可以淘汰顯然不適合梯次回收利用的電池，先對電池執(zhí)行開路電壓測試，以消除由于異常開路電壓而明顯不適合用于梯次利用的電池。

2.2 退役動力電池的安全性評估和抽檢

在梯次利用開始之前，必須要完成退役動力電池的安全性評估，評估退役電池的安全性是能否將其用于級聯(lián)電池的關(guān)鍵因素之一。與新電池相比，退役電池的安全性將不可避免地發(fā)生變化，只有通過安全評估，電池才能進(jìn)入梯次利用領(lǐng)域。

安全評估實驗通常包括過度放電、過度充電、加熱、短路、掉落、針刺、擠壓等。退役電池的安全性測試會永久損壞電池本身，因此，通常采用以下方法：進(jìn)行安全性評估的抽樣測試。分組采樣：對每一個排序的充電電池取樣，拆卸充電電池，利用掃描儀透射電鏡和核磁共振等方式判斷充電電池內(nèi)部是否存在析鋰行為或別的過渡元素、膈膜缺點等。抽檢過濾掉循環(huán)系統(tǒng)周期短，工作中標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)能力差，安全性測試不過關(guān)的退役動力電池。

2.3 梯次利用電池的篩選

新能源汽車的動力電池退役后，電池能量特性及功率特性衰減，總體一致性差，為了確保退役電池梯次利用的安全性，必須對退役的動力電池進(jìn)行篩選，以實現(xiàn)更安全梯次利用電池的目標(biāo)。針對不同的退役動力電池，要根據(jù)實際情況采用合適的篩選方法，主要考慮到技術(shù)和成本兩個方面，這里篩選通常是對電池單體，不過也適用于電池模組。

退役動力電池的梯次利用篩選涉及的學(xué)科比較復(fù)雜，我國在這方面起步晚，基礎(chǔ)差，所以篩選的方法比較少，技術(shù)有限。現(xiàn)如今，采用比較多的篩選方法主要是利用庫倫效率與電池衰減之間的關(guān)系作為根據(jù)進(jìn)行篩選。

2.4 梯次利用的退役動力電池重組

在經(jīng)過以上分類、安全評估以及篩選之后，退役動力電池基本能滿足梯次利用的條件，接下來將對電池重組。如何實施動力電池的重組取決于所應(yīng)用的梯次利用方案。首先，不同規(guī)格的動力電池存在差異性，所以根據(jù)電池的差異而采取不同的重組方案；其次，考慮到成本和收益，通常不首要考慮拆卸電池模組，而電池單元或電池模塊的梯次利用相對容易，因此，通常將它們拆卸到電池模塊級別。串式分配是電池能量存儲級聯(lián)利用的核心，幾個退役的電動汽車動力電池模塊串聯(lián)連接，一個儲能轉(zhuǎn)換器串聯(lián)連接，并且添加監(jiān)視單元，最終合并為一個儲能系統(tǒng)，保證分組后動力電池的一致。

3 梯次利用儲能電池的回收

在使用級聯(lián)儲能電池時，如果某些電池在某個階段的容量不足40%，并且不再具有使用價值，須經(jīng)過拆解工藝以提取如鋰、錳和鈷等貴重金屬元素。動力鋰電池包含正極和負(fù)極材料，正極材料主要包括相對有價值的磷酸鐵鋰、氧化鈷鋰、三元鋰等，負(fù)極材料是價值不高的石墨和其他碳材料，因此，市場上通常只對正極的材料進(jìn)行回收?，F(xiàn)階段，較為流行的梯次利用儲能電池的回收方法包括化學(xué)法與生物法兩種。

4 退役動力電池的經(jīng)濟(jì)效益分析

前文已經(jīng)對退役動力電池的梯次利用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，接下來分析退役動力電池梯次利用后的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 計算公式

4.1.1 殘值分析

退役動力電池的好壞程度，一般用健康度Kh作為重要指標(biāo)：

其中，SOH（健康狀態(tài)）為電池可用容量與額定容量之比，η是介于0~1的運用工況系數(shù)，由電動汽車正常的運營環(huán)境決定，Ys表示電池剩余壽命，Ye表示電池額定壽命。

退役動力電池的殘值用S表示為：

其中，Cnb為同型號、同容量的新電池包價格，Ku為動力電池經(jīng)使用過的折扣系數(shù)（根據(jù)文獻(xiàn)[6]，將2018年退役的動力電池包Ku取值為75%）。

4.1.2 投資成本分析

投資成本公式如下：

其中，Tc為投資總成本，Ct為電池測試費用，Co為其他費用（電池儲運、分類、篩選、管理等費用），Cd為電池梯次利用結(jié)束后的拆解處理費用。

以磷酸鐵鋰電池為例，由文獻(xiàn)[6]可知，Co=74%×S，Ct=22%×S，Cd=1.575（元/千克）×電池包質(zhì)量（kg）。

4.1.3 削峰填谷的總收益分析

以退役動力電池用于工商業(yè)的小規(guī)模儲能為例，利用峰谷電價差來獲得收益，按照兩部制用電，考慮到夏季與非夏季峰谷差的差值，梯次利用結(jié)束前總收益I可表示為：

其中，P1代表夏季峰谷差，P2代表非夏季峰谷差，N為電池梯次利用循環(huán)次數(shù)，λ為充放電效率，一般取值為0.9，X代表退役電池含有的總能量，單位為kW·h。

退役動力電池經(jīng)梯次利用重組后的利潤為：

重組利潤率為：

4.2 計算案例分析

根據(jù)以上公式可以對實際案例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析計算，不過實際運用成功案例已經(jīng)很多，這里就不再詳細(xì)計算舉例。

如表1所示，是不同電池利用特點分析，相同的功率條件下，常規(guī)鉛酸電池儲能電站的度電成本最高，鋰電梯次利用儲能電站的度電成本最低。單就方案的經(jīng)濟(jì)性而言，鋰電池梯次利用儲能電站最優(yōu)。一般情況下，退役動力電池的儲能比常規(guī)電池的儲能成本更低。

表1 不同電池利用特點分析

5 結(jié)束語

新能源汽車行業(yè)發(fā)展的速度越來越快，退役動力電池越來越多，對退役動力電池梯次利用的技術(shù)研究更加具有現(xiàn)實意義。相關(guān)部門在電池的大數(shù)據(jù)領(lǐng)域要建立大數(shù)據(jù)平臺，從而對退役動力電池進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)分析，以判斷電池能否進(jìn)入梯次回收利用階段。動力鋰電池退役后是經(jīng)過梯次利用還是直接報廢，在考慮電池梯次利用技術(shù)研究的成本代價時必須遵循一個原則，那就是讓參與單位得到的利益最大化。如果投入過多的財力，那么退役動力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)效益會大大降低，因此，要研究成本低、效果好、效率高的梯次利用技術(shù)。