鋰離子動力電池梯次利用的研究與應(yīng)用進展*

來文青，王永紅，石海鵬，燕思潼，張倩然

(1 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2 國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

近些年，全球的新能源汽車市場突飛猛進。據(jù)第一電動網(wǎng)數(shù)據(jù)，2019年全球銷量221萬輛。能取得如此突出成績，中國市場扮演著至關(guān)重要的角色。2019年中國市場銷量達120萬輛，全球占比超5成。但由于2020年初的全球新型冠狀病毒疫情的影響及國家補貼政策的逐步減少，新能源汽車銷量或?qū)l(fā)生斷崖式下跌。

據(jù)中國新能源汽車網(wǎng)數(shù)據(jù)，如圖1所示，2019年中國動力電池裝機量62.2 GWh，同比增加9.3%。正極材料類型中三元材料和磷酸鐵鋰材料仍占主體地位，三元電池將成為主流動力電池。

圖1 近幾年我國動力電池裝機量Fig.1 Installed capacity of power batteries in China in recent years

按照乘用動力電車電池使用壽命為8年和商用使用壽命5年來估算，之前裝機的動力電池陸續(xù)在2018-2025年進入退役期，預(yù)計2022年將達到32.94 GWh[1]。由此帶動動力電池回收市場高速發(fā)展，樂觀估計，我國動力電池回收利用市場規(guī)模，2020年將達到110億元，到2025年將達到380億元[2]。

此外，新能源汽車動力電池的各項性能隨著日常的使用而衰減[3]。為保證新能源汽車日常安全使用，當動力電池性能衰減到原動力電池的80%時必須進行退役，但退役動力電池仍具有較高的剩余價值。

退役動力電池回收再利用分為梯次利用和拆解回收，如圖2所示。梯次利用是指將退役電池，進行回收、篩選、再利用于其他領(lǐng)域。典型用于儲能領(lǐng)域，如風光儲能、削峰填谷、備用電源、家庭電能調(diào)節(jié)等[4]。目前70%以上回收的退役動力電池用于梯次利用，這樣可以緩解回收壓力、降低環(huán)境污染、提高資源利用，提升經(jīng)濟效益，是目前最有前景、潛力巨大的新興行業(yè)[5-6]。

圖2 退役動力電池回收過程Fig.2 Recovery process of retired power battery

因此，本文擬對退役動力電池梯次利用國內(nèi)外技術(shù)研究進行闡述，從電池評價和應(yīng)用角度分析了電池梯次利用技術(shù)的可行性，指出其中仍存在的問題并進行展望。

1 動力電池退役標準

通常將初始剩余容量的70%～80%設(shè)置為電池首次壽命的安全閾值，并將其作為動力電池的通用退役標準[7]。然而，從電池在二次利用后，報廢標準是否符合這樣的標準仍不確定，其適用性仍存在疑問。

對于消費者而言，對電池使用具有合法權(quán)益，為了保證利益最大化，電池退役很可能會依據(jù)電池退役標準或者保修日期來進行退役。這意味著電池退役時會處于某特定健康狀態(tài)或特定時期。倘若動力電池的所有權(quán)是新能源汽車生產(chǎn)廠家，很可能在電池不能滿足客戶需求或新能源汽車報廢等情況更換電池。這將導致退役電池具有不同的實際容量和內(nèi)部電阻值，其循環(huán)圈數(shù)也不同。

另外，通用的汽車壽命為10～12年，年平均行駛距離是12.5～20×103公里，大多數(shù)電動汽車可能會以12～24×104km的行駛距離退役。對于電池容量在20 kW時范圍內(nèi)的電動汽車，實際行駛里程為100 km，這意味著電動汽車在執(zhí)行1200～2400次全循環(huán)后電池將報廢。如果是更先進的電動汽車，電池容量在40～60 kW時(如特斯拉Modle S)，實際行駛里程大于300 km，需400～800次全循環(huán)，才可滿足上述行駛距離。當然，日歷壽命老化也會對10～12年電動汽車使用期間的電池壽命產(chǎn)生重大影響，這比純循環(huán)導致的老化更為嚴重，但大多數(shù)最先進的電池目前能夠在達到20%的容量損失之前滿足全循環(huán)要求。

退役動力電池的健康狀態(tài)，決定著其剩余使用價值和市場價格。考慮到電池梯次利用的實際情況，需要對二次電池進行可行性技術(shù)評估。

2 動力電池梯次利用技術(shù)現(xiàn)狀

與新電池相比，退役動力電池在性能和安全性上都有一定幅度下降，且每個單體電池在退役后的使用程度不同，性能差異較大。所以在梯次利用前，必須開展相關(guān)的技術(shù)研究。如圖3所示，首先評估退役動力電池狀態(tài)和剩余價值，判斷能否梯次利用；其次進行壽命評估及安全性能研究，考慮其合適的使用領(lǐng)域；進一步分析梯次利用各環(huán)節(jié)成本，進行經(jīng)濟性技術(shù)評估；最后研究梯次利用電池的報廢條件，以確保電池能在不發(fā)生安全事故的前提下，發(fā)揮最大的電池性能。本工作主要從圖3中的“能否用”和“怎么用”兩個角度，即電池評價和應(yīng)用角度，來對動力電池梯次利用技術(shù)進行詳細闡述。

圖3 動力電池梯次利用的技術(shù)體系架構(gòu)Fig.3 Technical architecture of power battery echelon utilization

2.1 梯次利用電池評價研究

電池的健康狀態(tài)決定著梯次利用的技術(shù)或經(jīng)濟可行性，通過二次電池進行評價，使得二次電池相比于新電池，具有更大的使用空間[8-9]。

Tong等[10]監(jiān)測了電網(wǎng)中磷酸鐵鋰退役動力電池的容量衰減情況，電池在1C倍率，80%DOD的放電深度條件下，進行充放電循環(huán)，在達到二次壽命終止時，進行了1400個循環(huán)，這相當于在離網(wǎng)光伏新能源充電站上運行將近5.5年。Omar等[11]對兩塊40 Ah LiFePO4電池的第二壽命老化性能進行了分析。兩個電池都在1C-100%DOD的條件下經(jīng)歷了首次生命周期，直到達到其初始容量的80%(約350次循環(huán))。在首次循環(huán)壽命終止時，兩塊單體電池容量及其功率容量保持相似。對于第二次生命周期測試，兩個電池均以1C恒流充電，以2C恒流放電，放電深度80%DOD。容量衰減的演變呈現(xiàn)出其第二壽命的不同階段。在前1000個周期中，兩個電池均顯示出非常相似的線性容量下降趨勢。然后，一個電池的容量衰減顯著加快，而另一個保持穩(wěn)定的趨勢。通過評估Peukert數(shù)的演變，往返效率和兩個電池的內(nèi)阻，進一步研究了電池之間的這種差異，但是沒有獲得的結(jié)果顯示出容量衰減不均等的結(jié)論性原因。Baumhofer等[8]對48塊三元電池進行老化循環(huán)，條件是2C-60%DOD，直至其剩余容量到達約43%。在第一生命周期中，大約循環(huán)1000次后，剩余容量為85%。之后老化行為加速，又進行約750個循環(huán)后，剩余容量到達43%，這種現(xiàn)象通常稱為容量跳水現(xiàn)象。

Andoni等[12]解釋了發(fā)生容量跳水現(xiàn)象的原因，由于主要的老化機制發(fā)生了變化，出于安全原因應(yīng)立即停用，這些電池既不能用于汽車用途，也不能用于第二次使用。在發(fā)生容量跳水后，電池會脹氣鼓包，這種電池安全事件的危險后果甚至在實際應(yīng)用中更為顯著，在實際應(yīng)用中，電池在壓力下堆疊以形成電池模塊。同時，電池的二次使用并沒有減慢容量快速下降的趨勢，在這種退化階段的電池幾乎不可能提供穩(wěn)定且持久的第二次使用性能。在二次電池測試中若考慮退化程度不同的電池，則電池在達到容量跳水前，及時對其重新評價，可以重新使用。

Mohamed等[13]對退役后的EIG公司7 Ah電池單體和18650磷酸鐵鋰電池模組進行了全面的性能分析。結(jié)果表明，電化學阻抗譜測試可用于描述鋰離子健康狀態(tài)和深度老化機制，可以通過軟件建立等效電路來模擬退役電池，模擬后誤差精度小于2%。此外，Mohamed對退役電池模組運用電池管理系統(tǒng)(BMS)來構(gòu)建梯次利用實驗裝置，該系統(tǒng)通過監(jiān)測單體電壓、電流和溫度來保護平衡電池使用。工作原理是使用15歐姆電阻器來均衡電池組電壓，使用低精度精密分流歐姆電阻器(0.25%的精度)測量電池模組電流。

王綏軍等[14]研究了退役動力電池的低溫安全性能。該實驗在-10 ℃、0 ℃和25 ℃環(huán)境中進行充放電循環(huán)。結(jié)果-10 ℃循環(huán)后負極極片的表面有鋰枝晶出現(xiàn)，極易刺破隔膜，造成內(nèi)部短路，導致低溫性能衰減、安全性能降低。因此，不建議在低溫條件進行梯次利用。趙光金等[15]為使退役電池保持一致，利用電池均衡管理技術(shù)，提出一種智能分時主動被動協(xié)同均衡技術(shù)，該技術(shù)融合主被動均衡的優(yōu)點，通過對硬件電路的修改，在不同使用情況下運用不同均衡方式。

綜上所述，對于所研究的鋰離子電池參考，二次使用的技術(shù)可行性在很大程度上取決于第一次使用期間的電池老化歷史，電池汽車報廢的時間點以及目標第二次使用的要求。

2.2 梯次利用電池應(yīng)用研究

早在2011年，Viswanathan等[16]進行了在電力系統(tǒng)中動力電池梯次利用的經(jīng)濟性研究，該研究分析了梯次利用時不同工況對經(jīng)濟效益的影響，并提出經(jīng)濟性收益評估方法。Reinhard等[17]開發(fā)了一個具有集成光伏存儲系統(tǒng)的家庭仿真模型，用來研究退役動力電池在住宅應(yīng)用中負荷轉(zhuǎn)移和調(diào)峰的經(jīng)濟可行性。Lih等[18]從環(huán)保角度研究了退役動力電池梯次利用工藝及成本，估算使用產(chǎn)生的效益率，提出一種用于電網(wǎng)儲能的新型模式。

Machuca等[19]運用數(shù)學模型對德國2030年之前事故和報廢車輛的動力電池中可用于梯次利用的電池數(shù)量進行了預(yù)測，該模型的數(shù)據(jù)來自德國2010年至2030年新登記的新能源汽車的估計數(shù)量、德國汽車的事故率以及汽車的平均壽命，結(jié)果表明2030年可用的梯次使用電池總量將在130000節(jié)/年至500000節(jié)/年之間。若將該模型運用到中國梯次利用市場中，其結(jié)果將會帶來極大參考價值。

Martinez等[20]從鎳鈷錳三元鋰電池健康狀態(tài)和老化歷史兩個角度，研究在住宅需求管理應(yīng)用和電源平滑可再生整合應(yīng)用對電池性能的影響。該研究證明通用的動力電池退役標準(容量保持率在80%以下)不適用于三元鋰電池，在電池達到老化階段后重新使用該電池時，老化趨勢沒有得到減緩。該研究評估了電池老化歷史和健康狀態(tài)對電池性能和退化行為的影響，分析了均相和非均相電池組的性能曲線。結(jié)果顯示，第一壽命電池老化歷史對第二壽命電池的性能和退化產(chǎn)生強烈影響，所以監(jiān)控和篩選電池對于梯次利用技術(shù)可行性至關(guān)重要。

國內(nèi)研究機構(gòu)對梯次利用也開展了研究。謝英豪等[21]研究動力電池梯次利用時容量和安全性變化，發(fā)現(xiàn)無論是否重組，電池梯次利用時的一致性均比退役前衰退的更快。李建林等[22]采用數(shù)學方法對退役電池梯次利用循環(huán)測試進行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明在平抑波動、削峰填谷領(lǐng)域，退役電池容量保持率大于60%時更具有成本優(yōu)勢；在接近80%時的備用電源場景成本較低。因此考慮退役電池商業(yè)化，必須合理應(yīng)用退役電池梯次利用適用領(lǐng)域。

在梯次利用研究過程中，電池管理系統(tǒng)對整個電池模組的安全運行、控制策略及充電模式的選擇、監(jiān)測電池荷電狀態(tài)、運營成本意義重大。劉璐等[23]針對儲能動力電池梯次利用時容量衰減不一致的特點，提出100 kWh梯次利用儲能電池安全管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用離線主動均衡方式進行容量補償，建立系統(tǒng)級安全策略和多級報警策略，對儲能電池多項關(guān)鍵參數(shù)進行保護。

總之，從國內(nèi)外多個研究機構(gòu)從事的梯次利用技術(shù)研究工作中可以看出，動力電池梯次利用最關(guān)鍵的技術(shù)在于電池管理系統(tǒng)和應(yīng)用經(jīng)濟性研究。因此，如何高效的進行電池梯次利用，并根據(jù)不同電池模組的性能、循環(huán)壽命等數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)集成為主要突破點。

3 結(jié) 語

本文綜述了新能源汽車鋰離子動力電池梯次利用的研究與應(yīng)用進展，從電池評價和應(yīng)用角度分析了電池梯次利用技術(shù)的可行性，詳細的探討了國內(nèi)外研究者的梯次利用研究工作，指出其中仍存在的問題并進行展望。

需要指出的是，退役電池梯次利用領(lǐng)域主導市場以電池企業(yè)居多，多數(shù)汽車企業(yè)投入力度較小，因此很多學者以固定的計算模式來評估梯次利用的可行性，這個方法具有不確定性，應(yīng)呼吁更多的企業(yè)來參與其中，整體行業(yè)需要相應(yīng)大型用戶和高新科技企業(yè)做引導研究，才能實現(xiàn)行業(yè)產(chǎn)業(yè)化突破。

學者對電池老化及容量跳水的機理研究不深入且研究較少，需進一步研究梯次利用動力電池的老化機理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，以滿足實際使用需求。同時，實驗室研究技術(shù)應(yīng)用到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中較困難，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化還有待進一步研究。

總體來看，梯次利用雖然已經(jīng)引起政府部門、科研機構(gòu)、部分企業(yè)的關(guān)注和研究，但還沒有引起大量的資源投入，屬于“藍海”市場。隨著退役動力電池總量的爆發(fā)，這一領(lǐng)域所潛藏的巨大商業(yè)機遇，必將引起眾多企業(yè)積極參與和激烈競爭。新的產(chǎn)品、技術(shù)和商業(yè)模式在未來都會層出不窮，未來退役動力電池的梯次利用利用產(chǎn)業(yè)勢必成為一個新興產(chǎn)業(yè)，具有極大發(fā)展空間。