新能源汽車磷酸鐵鋰電池電極回收與梯次利用改進

張天一

摘要：隨著科技的發展，越來越多新能源汽車投入使用，但是汽車動力電池電池容量低于80%就會報廢，隨之而來報廢或者退役問題逐漸凸顯出來。為了減少電池資源浪費等問題，不少學者提出梯次利用的方式，但是現在中國磷酸鐵鋰電池的回收方式并不完善，梯次利用上還處于起步階段。本文主要在當下動力電池梯次利用的大背景下，以全生命周期優化管理為突破口，討論當今磷酸鐵鋰動力電池的回收以及梯次利用，并在梯次利用中收集、篩選和分類上進行深入探討，進一步優化梯次利用體系。

Abstract： With the development of science and technology， more and more new energy vehicles are put into use， but the battery capacity of automotive power batteries will be scrapped below 80%， and the problems of scrapping or decommissioning will gradually become apparent. In order to reduce the waste of battery resources and other issues， many scholars have proposed a method of step utilization， but the recycling method of lithium iron phosphate batteries in China is not perfect， and the step utilization is still in its infancy. This article mainly discusses the recycling of lithium iron phosphate current batteries and the use of the ladder in the current background of the power battery's ladder utilization， and takes the full life cycle optimization management as the breakthrough， and conducts an in-depth discussion on the collection， screening and classification of the ladder utilization， and further optimizes the step utilization system.

關鍵詞：磷酸鐵鋰電池;動力電池;梯次利用;全生命周期優化管理

Key words： lithium iron phosphate battery;power battery;step utilization;optimal management of the entire life cycle

中圖分類號：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0202-03

1? 研究背景

在整個電動汽車產業鏈條中，動力鋰電池已經成為電動汽車發展的核心，它也成為了電池行業與汽車行業的關鍵結合點，例如鋰電池與梯次成組技術的應用就成為了新能源汽車發展規劃的關鍵。就目前來看，國內磷酸鐵鋰電池已經成為電動汽車所采用的首選動力電池。這種電池相比于傳統鉛酸電池以及鎳氫電池在儲能效果上表現更好，電池能量密度更大，循環壽命更長且充電無記憶效應表現更佳。如果就電池單體看，它基本能夠滿足對電池體積、功率與壽命等等方面的高要求，能夠有效滿足當前的電動汽車發展應用需求。

就傳統車用電池組而言，其滿充容量如果達到不到額定容量的80%就要被淘汰，整體壽命大約為3～5年。磷酸鐵鋰電池組則不然，它的整體使用壽命大約在8～10年左右，不過它的整體生產制造成本、運維成本都相對較高，這在一定程度上嚴重阻礙了當前電動汽車產業的發展。而且伴隨著當前我國大量電動汽車的生產與普及，鋰離子電池淘汰后所造成的資源浪費與環境污染都為城市生態化發展帶來巨大壓力[1]。

為了解決這一問題，磷酸鐵鋰電池梯次利用發展技術應運而生，它所規劃的發展路線明確、產業鏈條建設布局清晰，但它也存在一定的技術難點，可以說是優劣勢并存。簡單來說，磷酸鐵鋰電池梯次利用技術的核心本質就是對電動汽車中動力電池無法滿足功率與能量需求的電池進行更換，并將這些淘汰電池再利用到其它領域中，例如儲能領域，如此可充分發揮鋰離子電池中剩余80%的電能容量，不至于造成電池資源的巨大浪費，同時它也在一定程度上降低了傳統磷酸鐵鋰電池的應用維護成本。

2? 研究目的

了解現在新能源汽車中磷酸鐵鋰電池的回收與利用情況，調查磷酸鐵鋰電池梯次利用的現狀，在現行磷酸鐵鋰動力電池梯次利用的基礎上進行創新性改進并提出建議，主要從電池退役后的收集、篩選、分類、管理等幾方面進行梳理改進，從而提動力電池的梯次利用效率，不僅可以降低電池的維護成本，也可以促進我國進一步加強推進磷酸鐵鋰電池梯次利用的腳步，為我國鋰動力電池的重復利用貢獻一份力量，減少資源的浪費。

3? 研究方法

本研究主要采用了文獻研究法、實地調查法和訪談法。文獻研究法主要是查閱現在我國磷酸鐵鋰動力電池的使用情況，以及我國在新能源汽車退役磷酸鐵鋰鐵的回收與利用情況，并針對現行的回收與梯次利用技術進行總結，為后續研究和改進做鋪墊。實地調查法主要去阜陽當地的4S汽車店，對當地汽車企業進行調查訪問，咨詢當地企業對待磷酸鐵鋰電池的回收與利用態度以及現在電池梯次利用的情況。在提出改進方案之后也會去企業找相關技術人員再進行一次探討，最大限度保證電池回收的可實施性。訪談法主要是和化學領域的老師專家進行訪談，詢問他們對于電池回收利用的看法，以及向他們求證梯次利用改進的方式是否合理，為下一步實驗和推廣做好充足準備。

4? 研究結果

4.1 全生命周期優化管理磷酸鐵鋰電池梯次利用所面向的社會、經濟與產業問題

在新能源汽車發展大行其道的當今社會，汽車動力電池保有量已經呈現出快速發展趨勢，它的銷量突飛猛進，但相應問題也日益凸顯。究其根本，需要分析動力磷酸鐵鋰電池的基本材質內容，它其中就包含了鎳、鈷以及稀土等等，這些材料的成本非常之高，且在電池報廢后造成了大量的資源浪費與環境污染，這是當前全球各國都亟待解決的問題。而針對動力磷酸鐵鋰電池的梯次利用技術則面向全球各個國家提出，它更面向國家社會、經濟與產業等相關問題。

4.1.1 面向社會的問題分析

根據我國在新能源汽車發展相關規劃，預計到2020年純電動汽車與插電式混合動力汽車的累計產銷量將超過500萬輛，這意味著屆時將產生大量的廢棄磷酸鐵鋰電池。這些電池如果不加以合理處理將會為自然生態環境與社會經濟發展帶來一系列壓力問題，例如占用大量的存儲對方空間，電池中重金屬化學物流出對于土壤、水文的污染影響等等，特別是電解液泄露直接威脅人類健康安全。為了解決這一問題，我國就已經開始推廣使用磷酸鐵鋰電池梯次利用技術，該技術的關鍵不但局限于對環境污染問題的解決，它還希望形成良好的循環利用模式。比如說將報廢處理的電池應用于建筑的太陽能光伏儲能系統中，它專門應用于對可再生能源穩定輸出的輔助方面，同時也能緩解廢舊電池隨意被丟棄所帶來的重金屬污染問題。可以說，該技術在面向社會問題解決方面起到了極大實踐應用作用價值。

4.1.2 面向經濟的問題分析

在面向經濟問題方面，國內希望利用磷酸鐵鋰電池梯次利用技術體系深度開發、拓展動力電池市場，結合科學論證與磷酸鐵鋰電池評估發覺它的二次利用價值，實現對動力電池的再利用優化過程。一般來說，廢棄的動力電池在經過汽車生產商回收后可采用梯次利用技術進行二次改造，為其他電動汽車需求者所再次利用。換言之，汽車生產商希望建立一套健全的回收體系，深度提取廢棄電池中的稀有金屬等等原材料，實現對電池的充分循環利用，最大限度降低電池生產應用成本。目前的電動汽車非常依賴于磷酸鐵鋰動力電池，其電池成本就占到整車成本30%以上，為了解決電池容量低于80%便無法再應用于電動汽車中這一問題，采用梯次利用技術方式可實現對大量廢舊動力電池的資源回收利用最大化，構建新能源汽車動力電池梯次利用的系統化與規模化技術體系，將電池生產與應用利潤提升到較高水平。

4.1.3 面向產業的問題分析

要推動動力電池梯次利用技術的發展還必須建設電動汽車產業鏈，保證產業發展的貫通性。考慮到我國不同汽車企業中電池發展路線也各不相同，所以針對不同企業不同電動汽車的規格、評測結果、技術要求等等展開綜合分析，明確梯次利用技術應用的有效性。目前像國家電網下屬的北京公司、上海公司、浙江公司等等都紛紛展開了針對動力電池的“余能”研究，希望基于傳統動力電池容量技術內容進一步研究其電池參與容量可用價值，并配合動力電池回收梯次構建科技化產業市場，面向產業解決動力電池余能利用問題。

4.2 全生命周期優化管理磷酸鐵鋰電池的梯次利用技術路徑

就磷酸鐵鋰電池而言，還要繼續構建全生命周期優化管理體系，進一步提升其梯次利用技術發展路徑。

4.2.1 梯次利用電池收集數據庫

為了更方便更快捷地獲取磷酸鐵鋰電池的相關個體信息，應該盡快建立全國聯網的磷酸鐵鋰電池數據庫。由于每個電池都具有獨特性，建議將電池身份具體化，為每個電池組、電池進行編號處理，建立行業統一標準，以二維碼或者條形碼的形式統一錄入數據庫系統，形成全國磷酸鐵鋰電池身份系統。

在建立磷酸鐵鋰電池身份系統之后，需要及時出臺相關國家政策。其一，為了保障磷酸鐵鋰數據庫的安全性，保證電池數據不會被用于其他不合法用途;其二，國家政策需大力支持和推廣磷酸鐵鋰電池梯次利用，條件允許時可以適當再提供部分補助;其三，可以適當強制企業層面進行梯次利用數據錄入，為后續梯次利用工作做準備，保障磷酸鐵鋰電池數據的時效性。

4.2.2 梯次接口、臨界點與管理系統技術應用

要構建合理有效的磷酸鐵鋰電池梯次利用技術體系，實現針對電池的全生命周期優化管理，就必須最大限度降低電池使用成本，提升其使用價值。例如在梯次利用領域建立接口，解決磷酸鐵鋰電池利用的不兼容問題。具體來講，要首先明確梯次接口、臨界點與管理系統技術內容的通信標準與接口差異，可分析動力電池系統內部的電路接口與接口協議內容，爭取為第一生命周期結束的電動汽車采用磷酸鐵鋰電池梯次利用技術，最大限度降低梯次利用再制造與加工成本。要全局把控梯次利用臨界點，發揮梯次利用電池本身所固有的最大效用。這里所談到的梯次利用電池臨界點就包含了電動汽車用磷酸鐵鋰電池的性能評估標準，要結合這一性能評估標準來明確電池的第一生命期長度，再配合梯次利用更換技術對其應用領域進行分析，避免電池動力性能的無端浪費現象出現。必要時應該建立電池壽命預測模型，對電池特性進行狀態評估，最后提出更高的全生命周期優化管理要求，科學延長磷酸鐵鋰電池的使用壽命周期。

再者，梯次利用電池儲能系統的技術應用也很必要，它也圍繞梯次利用基本原理創建了電池儲能系統容量為100kW·h的電源電能拓撲結構。它采用到了3級管理架構設計，基于SBMS、MBMS、BMU組合形成系統支持體系，實現對電池的精細化管理進程，可對每一塊電池模組進行電壓與溫度采樣分析，以此數據實現對電池系統的管理優化。

4.2.3 自適應動態可重構電池系統與SOC估計預測技術應用

若要實現對磷酸鐵鋰電池的全生命周期優化管理，還要實現電池周期價值的最大化，目前可采用電池組荷點狀態SOC技術，利用這一技術對電池的健康狀態進行精確檢查預測。作為一種智能化電池管理技術，它能夠適用于不同技術應用領域中，同時兼容多種通信協議內容。

比如說自適應動態可重構電池系統建模技術，它可配合SOC估計預測技術方法對磷酸鐵鋰電池的充放電性能、容量衰減性能、溫度特性等等進行分析，提出基于自適應動態的電池系統重構架構，解決單體電池中的動態可變拓撲連接方式，形成具有針對性的電池自適應狀態分析技術體系，重構電池網絡。

4.2.4 磷酸鐵鋰電池的退役梯次回收技術應用

最后要針對退役的磷酸鐵鋰電池建立梯次回收體系，其體系核心技術內容就包括了針對電池的分選評估技術體系、成組均衡分析技術體系、運行維護技術體系、經濟性評估技術體系等等。要圍繞當前電動汽車的大規模儲能技術領域分析上述技術內容，合理規劃磷酸鐵鋰電池的退役梯次回收時間點，并對電池容量進行客觀分析評估。在磷酸鐵鋰電池梯次利用領域比較艱難的部分是標準統一問題，在標準統一上，建議行業眾多企業成立梯次利用項目合作委員會，合作研究制定行業標準。當然，這一行業標準委員的建議需要得到國際政策支持與鼓勵，如此才能保證行業標準的盡快制定與統一。

5? 下一步研究計劃

第一，下一步研究將進行更多實驗研究，將把磷酸鐵鋰電池梯次利用向企業推薦梯次利用，來驗證梯次利的方法是不是具有實用性。第二，針對磷酸鐵鋰電池一致性問題進行研究，因為電池一致性的問題一直以來事困擾研究者的重大問題，很多學者和專家在這個層面持有不同意見，且未找到一個十分高效的解決方式。下一步將進一步了解相關領域發展，思考梯次利用中電池一致性的問題。

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