鐵鋰電池在通信基站中的梯次利用實踐

崔林

摘要 隨著新能源汽車的快速發(fā)展，即將有大批的動力電池老化替換，本文主要討論磷酸鐵鋰電池作為動力電池在基站中梯次應用實踐，對技術、經濟可行性做出了討論，并給出了部分梯次利用的實踐經驗。

【關鍵詞】鐵鋰電池 通信基站

鋰離子電池產業(yè)發(fā)展很快，三元聚合、錳酸鋰和磷酸鐵鋰由于成本優(yōu)勢較傳統(tǒng)的鈷酸鋰明顯，正逐步成為鋰電池的主要發(fā)展方向。

高倍率動力電池，磷酸鐵鋰較錳酸鋰電池更為合適。我國目前己成為世界上最大的鋰資源消費國。隨著鋰資源需求日益增加，需求量和儲量之間的矛盾逐漸凸顯，廢舊電池的梯次利用和回收利用也越來越受到各方的重視。

本文主要討論的也要針對磷酸鐵鋰電池作為動力電池在基站中梯次應用實踐。

1 鐵鋰電池的梯次利用需求

根據中國汽車技術研究中心發(fā)布的數據，2020年純電動商用車和乘用退役電池容量將分別為1737千瓦時和684千瓦時，合計2421萬千瓦時。如果不能恰當回收處理，退役動力電池中的電解液、鈷鎳等金屬材料將有可能污染水和土壤。同時，資源的稀缺性也逼迫企業(yè)從原材料的獲取和成本控制的角度重視梯次利用。退役動力電池盡管不再滿足車用需求，但卻可以在通信基站備電等多個領域發(fā)揮作用。按照80%的容量衰減以及60%的梯次利用篩選率，到2020年累計梯次利用動力電池約為1162.08千瓦時。這無疑是個驚人數字。

電動汽車的梯次利用要考慮到電動汽車的復雜性，但技術上總體可行。在工程示范應用方面，國網建有3 0KW/lMWh梯次利用錳酸鋰電池儲能系統(tǒng)和25 0KW/lMWh梯次利用磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)。中國鐵塔公司也開始要求在2018年開始全面進行鐵鋰電池的應用2鐵鋰電池的梯次利用的優(yōu)勢

2.1 一致性強

常見基站所需的備用電池容量約為48V，500Ah2組，合48KWh。按照80%的退役容量和60%的梯次利用成組率，需要約lOOKWh的退役動力電池，與常見的2輛新能源汽車動力電池容量大致相當。因此，將2輛新能源汽車退役下來的動力電池拼裝做成單個或多個模組即可滿足一個基站的需求，從而有效避免了退役動力電池一致性不好的劣勢。

2.2 利用率高

從常見新能源汽車使用的磷酸鐵鋰充電次數分析，5年后一般汽車用戶已經有了換車需求，而假設5年期間一周一次充電，電車全生命周期內充電次數為250次左右。根據常見鐵鋰電池的實驗室測試曲線，容量下降到原有的90%左右，而實際工況容量一般下降到80%左右（續(xù)航下降20%），如圖1所示。

而如果用在常見的基站電源配套電池上，從250次到1000次放電的容量損失下降并不明顯。實驗室測試結果為下降到梯次利用時間點的90%，而實踐中由于溫度和機房條件惡劣的原因，一般會更劣化到80%。而對于一般城鎮(zhèn)中所使用達到的二類市電（每月停電3 5天以下），需要17.8年。當然這只是理論分析，一般認為在5年后由于陽極材料的腐蝕，電池已經要進行報廢處理。

2.3 模塊化性能強

將梯次利用電池模塊化的好處就是可以隨時對出問題的電池進行替換。一旦電池出現問題，直接替換這個電池模組就可以解決，對系統(tǒng)不會造成太多的影響。

2.4 安全系數好

基站要求的是電池響應速度，對電池日常充放電速度要求不高，不會采用大電壓、大電流的方式對電池進行充放電，結合基站的監(jiān)控系統(tǒng)，有效了解基站電池充放電的狀態(tài)，保證電池在充放電過程中的安全性。從而降低了梯次利用電池在充電過程中發(fā)生燃燒、爆炸事故的幾率。

3 鐵鋰電池的梯次利用的技術可行性

技術性可行性方面包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性，涉及到老化、失效機理，后續(xù)壽命，安全性、可靠性檢測、分級篩選技術、工況測試，重組與管理技術等方面。

替換下來的電池存在以下問題

（1）使用工況差異，電池包使用過程中的地域差異、充放電倍率差異、使用頻次差異、退役時限差異、車況及管理差異;

（2）梯次電池來源不同生產廠家，即使同規(guī)格在尺寸、結構、化學成分不相同;

（3）梯次電池容量保持率差異較大;

（4）相同容量的梯次電池生命周期點（SOH）無法確定，梯次電池成組后，循環(huán)使用衰減趨勢不盡相同;

梯次利用，最合理的應該是拆解到模組級，而不是電芯級，因為電芯之間的連接通常都是激光焊接或其他剛性連接工藝，要做到無損拆解，難度極大，考慮成本和收益，得不償失。不同批次的電池模組，甚至來自不同廠家的電池模組。在梯次利用時需要做好分組、重組和BMS管理。

4 鐵鋰電池的梯次利用的經濟可行性

經濟可行性方面，包括舊電池成本計運輸/檢測、重組成本，新電池成本的快速降低，低成本的競爭性儲能技術，再利用的收益，需要快速檢測/分選/成本技術，電池系統(tǒng)組件綜合再利用等。

成本是梯次利用的最大優(yōu)勢，也是梯次利用經濟效益的來源。需要做到良好的成本控制，將系統(tǒng)成本做到新電池產品的三分之一，整個行業(yè)才能良好的運轉下去。

在產品開發(fā)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)集成是關鍵，電池模組混用、系統(tǒng)柔性化設計、BMS魯棒性設計等，都能有效降低產品物料成本。

在產品的運維環(huán)節(jié)，如何確定合理的質保年限，做到智能化的管理，遠程診斷和維護等，都會影響產品的生命周期成本。

根據我們在梯次利用中的實踐，給出以下工程建議

（1）電池組內各單體電池及電芯應為同一廠家生產、規(guī)格尺寸相同、結構相同、化學成分相同的產品;

（2）所使用的磷酸鐵鋰單體電芯電池容量需達到電池初始標稱容量的70%;

（3）磷酸鐵鋰電芯電池組應采用16只電池單體串聯的方式;如果是其他組合方式，則需要采用升壓或者降壓的措施，確保輸出電壓符合通信基站使用;

（4）當單體電池采用多只電芯并聯方式時，并聯數量不大于8只;

（5）單只電芯初始標稱容量1 6Ah，梯級鋰電池成組容量不宜大于25Ah;

（6）單只電芯初始標稱容量≤10Ah，梯級成組容量不宜大于50Ah;

（7） 10Ah<單只電芯初始標稱容量<25Ah，梯級成組容量不宜大于100Ah。

總體來說，隨著動力電池技術進步和性能的提高，相關標準的逐步完善，都利于其梯次利用。而動力電池梯次利用的經濟性隨著儲能市場的發(fā)展及電池梯次利用規(guī)模化的應用，也逐漸顯現。在基站當中梯次利用使用磷酸鐵鋰電池是非常有潛力的，利用價值非常大。