退役電池拆解研究現(xiàn)狀與展望

劉建利，張 虬，王穎超，呂超輝，朱宵陽

（天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

0 引 言

截至2022 年底，全國新能源汽車保有量達1 310 萬輛，占汽車總量的4.10%，扣除報廢注銷量比2021 年增加526 萬輛，增長67.13%。同時，各類新能源汽車動力電池也逐漸進入規(guī)?；p期、退役期。2021 年，我國退役電池累計約為33.95 GW·h。

目前，當人們談?wù)搫恿﹄姵啬芰棵芏?、電池性能、電池原材料、電池衰減以及續(xù)航里程等有關(guān)問題時，不得不密切地關(guān)注到相應(yīng)產(chǎn)生的梯次電池回收利用市場。由于退役產(chǎn)品拆解過程環(huán)節(jié)繁雜、環(huán)境和物料等監(jiān)管難度大，缺乏柔性高效拆解裝備，導(dǎo)致拆解仍存在很多問題。本論文針對新能源汽車動力電池拆解方法進行研究。

退役電池一般指車用動力電池或儲能電池容量低于80%或與客戶簽訂的技術(shù)協(xié)議約定的壽命，電動汽車的續(xù)航里程已經(jīng)不能滿足要求，達不到使用標準的電池組件將會退役，大部分退役電池剩余容量仍相對較高，具有較大梯次利用價值，可以通過拆解后對電池包、電池模組、單體電池進行重新配組的方式，用于低速車、通信基站、燈桿儲能或其他儲能等領(lǐng)域[1]。

1 退役電池梯次利用方式

通過離線數(shù)據(jù)與在線檢測相結(jié)合的方式，檢測退役電池剩余容量、電壓、內(nèi)阻等關(guān)鍵參數(shù)，對其剩余壽命進行估計，根據(jù)電池狀態(tài)進行快速分級并制定不同的梯次利用方案研究，可分別實現(xiàn)電池包級別、電池模塊級別或單體電池級別的循環(huán)再利用，對于無法梯次利用的電池可通過回收電池材料的方式實現(xiàn)循環(huán)再利用， 鋰離子電池主要由正極片、負極片、隔膜以及電解液等4 個部分組成[2]。電池包快速分級流程如圖1 所示。

圖1 電池包快速分級流程

2 退役電池拆解流程

2.1 拆解線體注意事項

（1）線體應(yīng)配備專業(yè)防護罩、專用起吊工具、起吊設(shè)備、專用拆解工作臺、專用取模器條碼專用模塊拆解設(shè)備等。

（2）整線考慮絕緣安全；電池堆放存儲要符合環(huán)保部要求。

（3）箱體碼、模組碼、電芯碼聯(lián)網(wǎng)上傳，遇到模糊或損壞的條碼，聯(lián)網(wǎng)工信部進行關(guān)聯(lián)比對獲得。

（4）拆解作業(yè)人員需持有相應(yīng)的職業(yè)資格證書，如電工證等，首個工位需要進行絕緣檢測，操作人員需做好個人高壓安全防護，用絕緣墊將動力電池與操作臺隔開，穿戴好絕緣手套、耐壓絕緣鞋、防護眼鏡以及防靜電服等，使用專用絕緣工具操作時周圍應(yīng)布置隔離欄或者警戒線，同時擺放高壓觸電危險標識，操作間配備相應(yīng)的消防器材[3]。

（5）線邊規(guī)劃物料緩存區(qū)、不良檢修區(qū)。

2.2 拆解流程

（1）退役電池包數(shù)據(jù)篩選，查電池系統(tǒng)的客戶端運行數(shù)據(jù)，包括電池系統(tǒng)的容量、電量、單體電壓以及溫度等信息及故障記錄，將問題進行識別。

（2）將電池包外觀進行開蓋檢查，標準為無變形、裂紋、表面平整干燥、無外傷、部件外觀良好、無扭曲、變形、開裂、電池包底部無明顯凹坑以及劃傷等問題，如有異常需要將電池包拆解成模組。

（3）電池包進行功能測試、絕緣耐壓測試，絕緣阻值至少應(yīng)該有500 Ω/V，具體標準參考各項目絕緣標準，絕緣不過的排出返檢區(qū)，單獨進行拆解。

（4）將數(shù)據(jù)無問題、外觀合格、功能正常以及絕緣OK 的電池包組成電池系統(tǒng)后，進行電連接及容量測試。將容量大于等于80%標稱容量的電池包進行扣蓋、氣密性測試；將容量小于80%標稱容量的電池包將其拆解成電池模組。

（5）拆除電池包手動維護開關(guān)（Manual ServiceDisconnect，MSD）、外接導(dǎo)線及脫落的附屬件。

（6）拆除高壓線束、線路板、高壓安全盒等安全部件。

（7）根據(jù)電池模塊的位置和固定方式，拆除相關(guān)固定件、冷卻系統(tǒng)等部件，采用專用取模器移除模塊。

（8）將電池模組外觀進行開蓋檢查，標準為無變形、裂紋、表面平整干燥、無外傷、部件外觀良好、無扭曲、變形、開裂、電池模組底部無明顯凹坑以及劃傷等問題，如有異常需要將電池包拆解成電池單體。

（9）將外觀合格、電壓及內(nèi)阻正常、絕緣OK的電池模組串聯(lián)后進行電連接及容量測試，將容量≥80%標稱容量的電池模組按照電壓、荷電狀態(tài)（State of Charge，SoC）、容量等參數(shù)配組電池包；將容量＜80%標稱容量的電池模組將其拆解成電池單體。

（10）將單體電芯外觀進行檢查，標準為無變形、裂紋、表面平整干燥、無外傷、部件外觀良好、無扭曲、變形、凹坑、劃傷以及開裂等問題，如有異常需要進行單體電芯拆解。

（11）將單體電芯進行電壓內(nèi)阻測試，將電壓、內(nèi)阻超規(guī)格的需要進行單體電芯拆解。

（12）電壓、內(nèi)阻在規(guī)格內(nèi)的進行容量測試，將容量大于等于80%標稱容量的單體電芯組成電池模組；將容量小于80%標稱容量的單體電芯將其進行拆解。

（13）將容量大于等于80%標稱容量且絕緣膜存在損傷的單體電芯，需對藍膜進行清潔，然后重新測量電芯靜態(tài)電壓，根據(jù)靜態(tài)電壓對電芯進行分組，以保證模組的一致性，并將電芯包膜后組裝成電池模組。

3 退役電池拆解存在問題點與解決措施

3.1 風(fēng)險點分析

3.1.1 電池包、電池模組絕緣耐壓測試

需要使用絕緣耐壓測試儀測量電池包/電池模組的絕緣及耐壓，絕緣耐壓測試的示意如圖2 所示，共需要測量4 次，分別為電池包/模組的總正與外殼、電池包/模組的總負與外殼、電池包/模組加熱口與外殼以及電池包/模組加熱口對總正。每次測試均需要人工將測試夾子夾到對應(yīng)位置然后進行測試，測試方法如圖3 所示。測試完成后將絕緣、耐壓結(jié)果記在記錄表中。該方式過程較為煩瑣，測試時間長，車用動力電池系統(tǒng)一般電壓都大于250 V，因此操作人員存在觸電的風(fēng)險[4]。

圖2 絕緣耐壓測試示意

圖3 測試位置

3.1.2 取出電池模組

部分項目的電池包箱體底部涂有導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠，導(dǎo)致電池模組底部與電池包箱體粘接在一起，人員使用吊鉤無法將電池模組從電池包中抬出，該方案人員勞動強度較大，效率較低。廢舊動力電池單體的拆解有很多安全隱患，殘余的電量加上不規(guī)范的操作，很可能引發(fā)自燃甚至爆炸，直接威脅拆解人員和設(shè)備的安全[5]。

3.1.3 串并聯(lián)焊點分離

需要人工使用偏口鉗將匯流排撕下，再使用鏨刀將焊核砸掉，最后使用打磨器將電池極柱表面磨平。該方案對于員工技能要求高，容易造成電芯損傷，并且效率低。

3.1.4 端側(cè)板分離

需要人工使用鏨刀將端側(cè)板焊接處砸開，該方案對于員工技能要求高，人員勞動強度較大，效率較低，并且存在安全風(fēng)險。

3.1.5 電芯分離

需要人工用手掰2支相鄰電芯，將電芯進行分離，人員勞動強度較大，效率較低，并且存在電芯短路的風(fēng)險。

3.1.6 單體電池電壓及內(nèi)阻測試

首先掃描電芯二維碼，然后人工使用電壓內(nèi)阻測量儀將表筆夾在電芯正、負極柱上，將電壓、內(nèi)阻數(shù)值記錄在Excel 表中，需要人工對確認測試結(jié)果是否合格。該方案測試效率較低，并且存在信息錄入錯誤的風(fēng)險。

3.1.7 電池藍膜清潔

首先用手將電芯藍膜撕除，由于藍膜的膠與電池殼粘接牢固，導(dǎo)致藍膜無法撕除干凈，還需要將剩余部分進行清除，做了各種實驗，目前有2 種方式可以清除。

方式1：使用碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate，DMC）溶液浸潤含有殘膠的電池外殼，將殘膠進行溶解，然后使用橡皮膏將殘膠粘下來。

方式2：使用DMC 溶液浸潤含有殘膠的電池外殼，將殘膠進行溶解，然后使用聚對苯二甲酸乙二醇酯 （Polyethyl Eneglycol Eerephthalate，PET）打包帶或者其他非金屬材質(zhì)的物品將殘膠清下來，保證電芯外殼不被劃傷。

以上2 種方式清潔時間均很長，清潔1 支電池時間超過1 h，并且會消耗很多材料、清潔難度大、清潔強度高。

3.2 解決措施

3.2.1 電池包、電池模組絕緣耐壓測試

搭建絕緣耐壓測試站，通過自動化的測試方法替代人工操作環(huán)節(jié)，提高測試效率及測試數(shù)據(jù)的準確性，人員操作時需要佩戴絕緣耐壓手套將測試夾子夾到電池包/模組的總正、電池包/模組的總負、電池包/模組加熱口以及電池包/模組外殼。通過軟件控制繼電器閉合/斷開，分別測試電池包/模組的總正與外殼；電池包/模組的總負與外殼；電池包/模組加熱口與外殼；電池包/模組加熱口對總正的絕緣耐壓值，絕緣耐壓數(shù)值可以直接上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）。該方案操作簡單，測試時間短，并避免出現(xiàn)安全風(fēng)險。

3.2.2 取出電池模組

搭建龍門吊機構(gòu)，將龍門吊固定在地面上，在龍門吊上安裝電池包固定工裝，并在龍門吊上安裝電池模組的吊裝工裝，拆解時人員需要將電池包通過固定工裝固定在龍門吊上，然后將吊裝工裝的吊鉤吊在電池模組上，使用操作手柄控制吊裝工裝上升，將電池模組從電池包中取出。該方式可以解決輕松將電池模組從電池箱中拆出，避免出現(xiàn)安全風(fēng)險。

3.2.3 并聯(lián)焊點分離

安裝銑床設(shè)備，銑床臺面上安裝電池模組固定工裝，銑刀做限位裝置。操作人員首先將電池模組擺放在銑床臺面上，使用固定工裝對其進行固定，其次針對匯流排材質(zhì)、匯流排厚度、焊接面積選擇合適的銑刀并設(shè)置轉(zhuǎn)速及限位，再次人員通過搖臂控制銑刀下降速度，銑掉匯流排與電池極柱焊接位置，將電池與匯流排分離，最后檢查電池極柱，保證極柱面平整度，如平整度有問題，用打磨器對其進行磨平處理，該方案可保證電芯不會損傷，并且效率高。

3.2.4 端側(cè)板分離

安裝切割設(shè)備，切割設(shè)備臺面上安裝電池模組固定工裝，切片做限位裝置，操作人員首先將電池模組擺放在切割設(shè)備臺面上，使用固定工裝對其進行固定，其次針對側(cè)板材質(zhì)、厚度選擇合適的切片，并設(shè)置轉(zhuǎn)速及限位，最后人員控制切割與端板貼合處的側(cè)板，將端板與側(cè)板分離，該方案可保證拆解效率高，避免出現(xiàn)安全風(fēng)險。

3.2.5 電芯分離

人工使用楔形絕緣塊分離相鄰電芯，可降低人員勞動強度，提升效率，避免出現(xiàn)電芯短路的風(fēng)險。

3.2.6 單體電池電壓及內(nèi)阻測試

搭建電池電壓及內(nèi)阻測試設(shè)備，通過自動化測試方法替代人工操作環(huán)節(jié)，提高測試效率及測試數(shù)據(jù)的準確性，人員需要將電池擺放在測試框中，不同型號的電芯需要更換測試框內(nèi)襯及測試針板，并在測試設(shè)備中設(shè)定電壓、內(nèi)阻的范圍，通過軟件控制繼電器閉合/斷開，分別測試各個電池的電壓、內(nèi)阻，電壓、內(nèi)阻數(shù)值可以直接上傳到MES 中，并且設(shè)備界面中還會顯示出每支電池測試是否合格，人員可直接將測試合格的電池與測試不合格電池進行分類處理，該方案測試效率高，不存在信息錄入錯誤的風(fēng)險。

3.2.7 電池藍膜清潔

安裝電芯藍膜激光清洗設(shè)備，激光清洗臺面上需要安裝電芯定位工裝。首先將電池外殼的結(jié)構(gòu)膠使用鏨刀進行清除，保證電芯藍膜的潔凈度。其次將電池擺放在定位工裝上，被清潔的一面朝上，激光清洗設(shè)備分別對5 個面進行激光清洗。最后對電芯清潔效果進行檢查，如每一面清潔不徹底，在該面繼續(xù)進行一次激光清洗。該方案可保證清除后電芯表面無損傷、清潔效率高，也給操作人員提供了舒適的工作條件。

4 退役電池拆解方法升級展望

4.1 電池包、電池模組絕緣耐壓測試

（1）機械手將電池包/模組抓取至絕緣耐壓測試工位上。

（2）掃描電池包追溯碼，通過國標碼識別，與國家系統(tǒng)追溯平臺對接，獲取拆解拆解電池包初始信息（電壓、內(nèi)阻、體系等）。

（3）通過電荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）檢測識別，獲取電池包/模組尺寸等特征信息。

（4）探針自動按壓至測試點位，絕緣耐壓測試儀通過軟件控制繼電器閉合/斷開，分別測試電池包/模組的總正與外殼、電池包/模組的總負與外殼、電池包/模組加熱口與外殼以及電池包/模組加熱口對總正的絕緣耐壓值，絕緣耐壓數(shù)值可以直接上傳到MES。

4.2 取出電池模組

（1）線體上配有多軸機器人，并在多軸機器人上配套電池模組兼容性強的抓取機械手。

（2）拆解時由機器人通過視覺識別系統(tǒng)，精準識別電池模組位置。

（3）機械手自動從電池箱內(nèi)將電池模組抓取至線體。

4.3 并聯(lián)焊點分離

（1）線體上配有伺服銑削控制系統(tǒng)，實現(xiàn)單體電芯極柱與Basbar 無損分離。

（2）模組流轉(zhuǎn)到工位后，自動對模組進行固定，使用激光視覺識別系統(tǒng)，精準識別模組焊點位置。然后使用銑刀自動清洗焊點位置，保證電池表面無損。

（3）人工將上支架組件取下。

4.4 端側(cè)板分離

（1）線體上配有伺服切割控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電池模組端板與側(cè)板自動切割。

（2）使用激光視覺識別系統(tǒng)，精準識別模組位置。

（3）通過精準定位定向定壓技術(shù)，實現(xiàn)電池模組端板與側(cè)板分離，保證電池表面無損。

（4）機械手將端板及側(cè)板取下。

4.5 電芯分離

（1）線體先進的CCD 識別間隙與伺服切刀控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)單體電芯無損分離。

（2）模組流轉(zhuǎn)到工位后，壓頭按壓被分離的相鄰電芯，夾爪抓取被分離的電芯，使用絕緣片切割縫隙處，使兩支電池分離，然后夾爪將分離的電芯放于電池電壓及內(nèi)阻測試工位。

4.6 單體電池電壓及內(nèi)阻測試

（1）搭建多軸機器人并在多軸機器人上配套兼容性強的單體電池測試針板，并在測試系統(tǒng)中設(shè)定電壓、內(nèi)阻的范圍。

（2）由機器人通過MES 系統(tǒng)，精準對單體電池（合格/不合格）進行分選。

4.7 電池藍膜清潔

（1）搭建多軸機器人，并在多軸機器人上配套兼容性強的單體電池抓取機械手。

（2）由多軸機器人機械手抓取單體電池與激光清洗頭協(xié)作完成單體電池5 個面的激光清潔。

5 結(jié) 論

通過篩選拆解、統(tǒng)一標準、重新組合等流程，針對以上關(guān)鍵工序進行改善，可以更好地解決退役電池系統(tǒng)拆解難題，使退役動力電池系統(tǒng)繼續(xù)充分發(fā)揮電池剩余壽命，進一步降低動力電池全生命周期成本，再利用到儲能（電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷、風(fēng)光儲能、鐵塔基站）及低速電動車等領(lǐng)域。