動(dòng)力鋰離子電池退役后不宜在電動(dòng)自行車上實(shí)施梯次利用

郭春裕 盧騁 李偉權(quán) 王瑾 鄒建華

摘要：我國新能源汽車市場(chǎng)已經(jīng)快速發(fā)展了十多年，汽車用動(dòng)力電池迎來第一波規(guī)?；耐艘鄢?，鋰電回收利用成為重要課題，但回收動(dòng)力鋰離子電池不宜在電動(dòng)自行車上使用。此文將新能源汽車和電動(dòng)自行車鋰離子電池使用環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)新能源汽車退役動(dòng)力鋰離子電池應(yīng)用在電動(dòng)自行車上產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險(xiǎn);電動(dòng)自行車;動(dòng)力鋰離子電池;梯次利用

1? ? 概述

隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，動(dòng)力鋰離子電池得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于動(dòng)力鋰離子電池使用壽命有限，隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展，越來越多的動(dòng)力鋰離子電池面臨退役問題。根據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心有限公司的測(cè)算，2020年累計(jì)退役的動(dòng)力鋰離子電池將超過20萬t [1]。而退役的鋰離子電池還具有很大的剩余容量，直接報(bào)廢會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境問題[2] 。退役的動(dòng)力電池梯次利用符合國家戰(zhàn)略需求[3]，工業(yè)和信息化部、科技部、生態(tài)環(huán)境部、商務(wù)部、市場(chǎng)監(jiān)管總局聯(lián)合印發(fā)《新能源汽車動(dòng)力蓄電池梯次利用管理辦法》? （工信部聯(lián)節(jié)〔2021〕114號(hào)）[4]，標(biāo)志著國家開始鼓勵(lì)梯次利用產(chǎn)業(yè)化，梯次利用將成為各新能源汽車生產(chǎn)等相關(guān)企業(yè)相互競(jìng)爭的新賽道。

動(dòng)力電池的梯次利用通常是將退役后還具有60%～80%原始容量的動(dòng)力電池篩選出來，由企業(yè)根據(jù)梯次利用指標(biāo)對(duì)電池包、模組和電芯進(jìn)行評(píng)估以確定是否可以直接梯次利用，或者根據(jù)其健康狀況分為若干等級(jí)后將其應(yīng)用于其他對(duì)電池性能要求較低的場(chǎng)景[5]，如儲(chǔ)能、備用電源、低速車等。電動(dòng)自行車作為一種低速運(yùn)行的交通工具，在目前是梯次利用電池的主要去向之一。但是，電動(dòng)自行車上使用的鋰離子電池從廣泛意義上來說也是動(dòng)力電池，將新能源汽車上退役下來的鋰離子電池使用在電動(dòng)自行車上會(huì)帶來很多安全隱患。

2? ? 電動(dòng)自行車與新能源汽車鋰離子電池使用環(huán)境對(duì)比

在日常生活中，我們一般會(huì)認(rèn)為新能源汽車經(jīng)常高速行駛，而電動(dòng)自行車行駛速度相對(duì)較低，因此電動(dòng)自行車對(duì)作為動(dòng)力的鋰離子電池比新能源汽車的使用要求要低一些。表1從研發(fā)投入、使用環(huán)境、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及后期保養(yǎng)等幾個(gè)方面，對(duì)電動(dòng)自行車和新能源汽車上的鋰離子電池使用環(huán)境做了對(duì)比：

通過電動(dòng)自行車和新能源汽車鋰離子電池的使用環(huán)境的比較，我們可以發(fā)現(xiàn)，雖然電動(dòng)自行車的行駛速度低于新能源汽車，但是與新能源汽車鋰離子電池相比，電動(dòng)自行車鋰離子電池的使用環(huán)境較為惡劣。從設(shè)計(jì)上看，電動(dòng)自行車用鋰離子電池則受產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及投入的影響，往往不能得到更好的保護(hù);從使用上看，電動(dòng)自行車受眾更廣泛，使用過程中受外部環(huán)境影響更大，且充電和放電環(huán)境較混亂，易帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

電動(dòng)自行車鋰離子電池在使用過程中易發(fā)生因過充電、外部短路、振動(dòng)沖擊等引起的自燃、自爆安全事故，并呈現(xiàn)逐年增長態(tài)勢(shì)。據(jù)消防救援部門統(tǒng)計(jì)，2021年1月—6月，全國發(fā)生電動(dòng)車火災(zāi)事故6 462起。從起火原因看，電氣故障和自燃是造成電動(dòng)車火災(zāi)的主要原因，分別占電動(dòng)車火災(zāi)總數(shù)的62.1%和23.5%;而過充電、電池單體故障、電氣線路短路是導(dǎo)致電動(dòng)車電氣火災(zāi)的根本原因[6] 。

3? 鋰離子電池安全風(fēng)險(xiǎn)分析

安全性能是動(dòng)力鋰離子電池梯次利用最需關(guān)注的性能。鋰離子電池在經(jīng)過長時(shí)間的使用后，電池內(nèi)部特性會(huì)發(fā)生顯著變化，并導(dǎo)致其安全性能隨著使用過程逐步降低[7]。因此，國家發(fā)布多項(xiàng)規(guī)定，嚴(yán)格要求確保退役電池用于梯次利用的安全性[8]。

經(jīng)過長期使用的鋰離子電池，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)物質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化，進(jìn)而導(dǎo)致容量衰減、內(nèi)阻增大、熱穩(wěn)定性降低、耐過充性能降低等現(xiàn)象[9]。此外，鋰離子電池在循環(huán)過程中，尤其在低溫環(huán)境下充電，鋰離子無法進(jìn)入電極材料而在電極表面沉積，形成析鋰的現(xiàn)象[10]。析鋰會(huì)帶來鋰枝晶的生長，一旦鋰枝晶刺破隔膜就有可能導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控、起火甚至爆炸。在現(xiàn)階段，析鋰一般要依靠拆解電芯才能夠發(fā)現(xiàn)，僅對(duì)電池做電性能檢測(cè)很難發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題，存在很大的安全隱患。

此外，電芯的一致性也是一個(gè)大問題。退役電池被拆解到模組程度進(jìn)行梯次利用在成本上是最合理的方式[11]。但是，由于在生產(chǎn)過程中，每一個(gè)單體電芯都或多或少存在差異，在長期使用中由于電芯的使用順序、環(huán)境溫度等的不同，會(huì)進(jìn)一步放大差異。而一旦出現(xiàn)電芯不一致的情況，就會(huì)使部分電芯發(fā)生過充過放等現(xiàn)象，導(dǎo)致快速衰退;而且，內(nèi)阻越大的電芯發(fā)熱量也越大，導(dǎo)致溫度不平衡，甚至導(dǎo)致溫度過高進(jìn)而誘發(fā)熱失控[12]。在拆解過程中，電芯一致性的篩選往往基于容量等電信號(hào)信息，然而即使容量相當(dāng)，經(jīng)過長期使用的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化也是不同的。因此雖經(jīng)過簡單篩選，但在梯次利用后的使用中，這種不一致性還是會(huì)逐漸暴露出來，并增加梯次利用電池的安全隱患。

此外，梯次產(chǎn)品應(yīng)有商品條碼標(biāo)識(shí)，并按GB/T 34014—2017《汽車動(dòng)力蓄電池編碼規(guī)則》統(tǒng)一編碼，在梯次產(chǎn)品標(biāo)識(shí)上標(biāo)明（但不限于）標(biāo)稱容量、標(biāo)稱電壓、梯次利用企業(yè)名稱、地址、產(chǎn)品產(chǎn)地、溯源編碼等信息，并保留原動(dòng)力蓄電池編碼。我國梯次利用市場(chǎng)的發(fā)展處于初級(jí)階段，相關(guān)監(jiān)管尚不完善，導(dǎo)致某些商家會(huì)將退役電池以次充好，通過低價(jià)銷售到?jīng)]有資質(zhì)的電池PACK企業(yè)進(jìn)行組裝，組裝后的電池組沒有任何相關(guān)梯次利用的標(biāo)志標(biāo)識(shí)，而一般的消費(fèi)者無法辨別購買的鋰離子電池質(zhì)量優(yōu)劣，這將進(jìn)一步導(dǎo)致安全隱患增加。

4? ? 小結(jié)

我國2019年實(shí)施的新版《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》要求，電動(dòng)自行車最高車速不高于25 km/h、整車質(zhì)量不大于55 kg等，倒逼制造商采用輕量化設(shè)計(jì)，電動(dòng)自行車行業(yè)有鋰離子電池替換鉛酸電池的市場(chǎng)趨勢(shì)。

鋰離子電池隨著使用時(shí)間增長，其安全性能會(huì)逐漸下降，即使通過篩選，梯次利用鋰離子電池的安全風(fēng)險(xiǎn)也高于新電池。而電動(dòng)自行車從設(shè)計(jì)、使用及維護(hù)保養(yǎng)等方面，比新能源汽車對(duì)鋰離子電池的保護(hù)和監(jiān)控都薄弱一些。將新能源汽車上退役下來的鋰離子電池梯次利用在電動(dòng)自行車上，這將增加電動(dòng)自行車的自燃、爆燃的安全隱患。因此，退役動(dòng)力鋰離子電池不宜在電動(dòng)自行車上梯次利用。同時(shí)，監(jiān)管部門應(yīng)加強(qiáng)退役動(dòng)力鋰離子電池的源頭管理，增強(qiáng)對(duì)梯次利用鋰離子電池組裝企業(yè)的監(jiān)管力度，同時(shí)向社會(huì)發(fā)布風(fēng)險(xiǎn)警示，增強(qiáng)消費(fèi)者的安全意識(shí)。

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