電池測試系統(tǒng)在廢舊動力電池模組回收中應(yīng)用

陳洋，周波，周游,2，阮丁山,2

（1. 廣東邦普循環(huán)科技有限公司，廣東 佛山 528137；2. 廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點實驗室，廣東 佛山 528137）

0 引言

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2016 年新能源汽車保有量為 91.28 萬輛，其中有純電動車 72.5 萬輛。截至2020 年底全國新能源汽車保有量達到 492 萬輛，占汽車總量的 1.75 %，比 2019 年增長了 111 萬輛，其中純電動汽車保有量為 400 萬輛，占新能源汽車總量的 81.32 %。新能源汽車增量連續(xù) 3 a 超過 100 萬輛，且呈持續(xù)高速增長趨勢。2015 年國內(nèi)報廢動力電池累計為 2 萬 t，2020 年后累計報廢量達到 35 萬 t，到 2025 年中國動力電池退役規(guī)模將達到 45 萬 t。一方面，廢舊鋰電池中含有大量的鎳、鈷、錳等重金屬元素；另一方面電解液中含有的六氟磷酸鋰與空氣中的水反應(yīng)會產(chǎn)生劇毒的 HF氣體，對自然環(huán)境有嚴(yán)重的危害[1]。因此，回收動力電池任務(wù)緊迫且意義重大。

目前，我國回收鋰離子電池一般采用的是火法回收工藝，即將廢舊電池拆解、粉碎、篩分，得到正極料，再經(jīng)過回轉(zhuǎn)窯高溫處理。然而，廢舊電池中往往帶有一定的電量，所以在拆解破碎前應(yīng)進行放電處理，將電壓降到一定范圍內(nèi)，方可進行破碎工藝，以避免電池起火和人員傷害等問題。目前存在的放電方式大體分為化學(xué)浸泡法和物理外接負(fù)載法。由于放電時間過長，動輒數(shù)十小時，而且在浸泡過程中存在腐蝕極柱使電量不能完全釋放，以及浸泡廢水處理難等一系列因素，使得化學(xué)浸泡法放電方式的性價比較低。相對來說，物理外接負(fù)載法放電方式更簡單、方便快捷。然而，現(xiàn)有設(shè)備的放電效率普遍較低，需要 5～10 h 以上才能將單個電池完全放電。筆者將整體的放電工藝進行分割優(yōu)化，把傳統(tǒng)的一段式放電方式拆分為兩段式放電方式。先用電池測試系統(tǒng)對還未進行拆解的電池模組進行放電，在一定程度上降低模組拆解過程中的安全風(fēng)險。在電池測試系統(tǒng)對模組進行放電時，模組釋放的電能能夠回饋電網(wǎng)，將殘余的能量利用起來。

1 實驗

選用 53 Ah 方形單體電池，通過 2 并 6 串方式組成 2P6S-53Ah 方形模組。2P6S-53Ah 方形模組等同于用 106 Ah 單體電池串聯(lián) 6 次組成的模組。并且，由 37 Ah 方形單體電池，通過 1 并 12 串方式組成 1P12S-37Ah 方形模組。

首先，按圖 1 中流程，對模組進行外觀檢測。目測模組外觀是否完好，有無破損、漏液、火燒痕跡，正負(fù)極柱是否腐蝕、是否適用電池測試系統(tǒng)的連接。其次，檢測模組的電壓和內(nèi)阻。使用萬用表測量模組的正、負(fù)極電壓，確定該模組是否帶電。使用內(nèi)阻測量儀分別測量模組中每個電芯的電壓、內(nèi)阻值[2]（同批次模組數(shù)據(jù)相近）。再次，連接設(shè)備，將電池測試系統(tǒng)接口連接至模組正、負(fù)極極柱上。連接過程中應(yīng)確保連接穩(wěn)固，將溫度探頭置于模組上蓋內(nèi)。然后，打開設(shè)備專用程序，運行設(shè)備。選擇 1C 放電電流，按恒流放電—靜置—結(jié)束的模式放電。根據(jù)電壓與電池 SOC 的關(guān)系曲線[3]，選擇放電截止電壓為（3.2 V ×電芯組數(shù)量），以及放電截止后每個單體電壓為 3.2 V。這樣，能夠?qū)㈦姵貎?nèi)的能量最大化地釋放出來，可以有效地進行電能回收，同樣也減少了放電時間。在整個放電過程中要時時觀察模組的放電狀態(tài)，測量模組外殼、正、負(fù)極柱連接線的發(fā)熱情況。 記錄電池測試系統(tǒng)處理時間 t1。由于該電池測試系統(tǒng)將一部分電能回饋，待放電完成后可計算電能回饋效率。最后，將已經(jīng)完成放電的模組進行拆解，得到電池單體。將經(jīng)過電池測試系統(tǒng)放電處理過的電池單體和未經(jīng)過電池測試系統(tǒng)處理過的電池單體放置在物理放電設(shè)備上進行放電，分別記錄放電時間 t2、t3。

由表 1 可見，1P12S-37Ah 方形模組在連接電池測試系統(tǒng)后，經(jīng)過 14 min 就達到了預(yù)計目標(biāo)電壓值。該過程中電壓由 42.387 V 下降至 38.434 V，共下降 3.953 V。采用 37 Ah 電流及 1C 放電倍率進行放電，整個過程釋放能量 351.458 Wh。通過雙向電表得出，電能回饋 240 Wh，電能回饋效率為 68 %。2P6S-53Ah 方形模組在連接電池測試系統(tǒng)后，經(jīng)過35 min 達到預(yù)計目標(biāo)電壓值。該過程中電壓由 21.079 V下降至 19.218 V，共下降 1.860 V。采用 53 Ah 電流及 1C 放電倍率進行放電，整個過程釋放能量628.610 Wh。通過雙向電表記錄得出，電能回饋430 Wh，電能回饋效率為 68 %。

表1 1P12S-37AH 方形模組放電數(shù)據(jù)

由表 2 可知經(jīng)過電池測試系統(tǒng)處理過的電池單體放電時間較短。37 Ah 的單體電池 2 h 即可完成放電，而未經(jīng)過處理的 37 Ah 單體電池則需要 4 h。同樣經(jīng)過處理的 57 Ah 單體電池 2.5 h 即可放電完成，而未處理的 57 Ah 單體電池則需要 5.5 h 方可降至安全電壓。

表2 電池單體的電數(shù)據(jù)

以電池測試系統(tǒng)處理時間為 t1，經(jīng)過電池測試系統(tǒng)處理的單體電池放電完全的時間為 t2，未經(jīng)過電池測試系統(tǒng)處理的單體電池放電至貯存安全電壓的時間為 t3。按公式

進行效率對比。37 Ah 單體電池放電效率提高 44 %，53 Ah 單體電池放電效率提高 43 %。

圖1、2 分別為 1P12S-37Ah 方形模組和 P6S-53Ah 方形模組的能量釋放曲線。由圖可見，曲線平滑，表明能量釋放過程很穩(wěn)定，未產(chǎn)生能量波動以及異常現(xiàn)象。經(jīng)過多次生產(chǎn)實驗驗證，采用該方式放電處理工藝安全可靠，并沒有較大的安全風(fēng)險。

2 討論

現(xiàn)有的火法回收工藝必須要對電池進行放電，用以降低生產(chǎn)和存貯過程中的安全風(fēng)險，而目前的放電設(shè)備耗時過長，導(dǎo)致效率過低，成本變高。通過本研究可知，在電池模組拆解為單體前，使用電池測試系統(tǒng)對其進行放電處理，可將效率提高 40 %以上。另外，相較于傳統(tǒng)的化學(xué)浸泡放電和外接電路法放電，使用電池測試系統(tǒng)對電池模組放電，可以對殘存的電能進行回收。余能回收率可達到65 % 以上。目前常見方形電池模組平均質(zhì)量在15～20 kg，參與能量在 600 Wh 左右。以一家年回收 10 萬 t 的廠家為例，該廠電池單體釋放的能量約為 300 萬 kWh/a。如果按照能量回饋效率 68 % 核算，該廠可以回收 204 萬 kWh/a。如果按照 0.85 元/kWh電價來算，該廠可節(jié)約 173.4 萬元/a。

3 結(jié)束語

隨著新能源汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，無論是從經(jīng)濟還是環(huán)境方面考慮，鋰電池回收成為了必不可少的一份工作。面對巨大的市場，生產(chǎn)效率的提升就是制勝的法寶。在“碳達峰、碳中和”政策的驅(qū)動下，清潔能源的開發(fā)和應(yīng)用愈發(fā)關(guān)鍵。目前，鋰電池的發(fā)展正處于變革的缺口之中。隨著動力鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用和退役期的臨近，退役鋰電池的回收必然會帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。在未來，鋰電池的電極材料將會發(fā)生變化，回收過程將會變得更加復(fù)雜，只有通過創(chuàng)新和改進回收方法，才能滿足未來退役鋰電池的需求，提高效率與成本的協(xié)調(diào)[4]。