車用動力電池梯次利用相關標準及技術的研究

劉學文 何飛宇 黃盈盈 巴鑫

摘 要：隨著新能源汽車產業的快速發展，我國已成為世界第一大新能源汽車產銷國，截至2023年1月，新能源汽車保有量已超過1000萬輛。動力電池作為電動汽車的關鍵部件之一，遵循其生命周期規律，即將進入大規模退役期。基于環境保護、資源利用等因素，國家和社會層面對動力電池的回收和梯次利用都投入了極大的關注。本文對動力電池的梯次利用實際過程中存在的問題進行了探討。通過梳理產品回收過程中的主要流程，確定了各階段的主要工作，主要討論了梯次利用產品余能、循環壽命、安全性等基本性能的標準要求及相應檢測技術的發展。

關鍵詞：新能源汽車，動力電池回收，梯次利用，檢測標準，檢測方法

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.11.011

0 引 言

我國新能源汽車銷量已連續8年位居全球第一。2022年，我國新能源汽車銷量超預期，全國新能源汽車銷量累計約688.7萬輛，新能源汽車占有率達25.6%，銷量及占有率均創下歷史新高。其中私家車占比持續提升，并呈現向三四線城市和農村市場加速滲透的特征，這為新能源汽車的長遠發展奠定了充實的基礎。2015年是我國新能源汽車產銷量爆發的關鍵一年，當年新能源汽車產量突破40萬輛。新能源汽車動力電池的使用壽命大多在5～8年，這意味著有大量的動力電池自2023年將進入淘汰期。如果電池直接報廢拆解，將產生大量的資源浪費和環境污染，基于這方面的考慮，動力電池的回收利用問題引起了廣泛的關注和研究。新能源汽車行業的發展，是我國實現雙碳目標的重要組成部分，研究動力電池梯次利用相關標準及檢測技術，有利于新能源汽車行業的健康和可持續發展，對推動新能源汽車及相關行業的發展具有重要的意義。

1 動力電池余能檢測

一般來講，動力電池組容量衰減到80%或達到使用年限才會考慮更換，此時動力電池不再適用于汽車，但其剩余容量可以滿足儲能、應急電源等應用場景的需求。退役電池的實際容量是評價其可利用領域的一個重要指標，因此必須建立一套適用于動力蓄電池剩余容量檢測的統一標準，以保障其二次使用安全性和科學性。2017年7月12日，國內首個關于回收利用檢測動力電池的國家標準GB/ T34015-2017《車用動力電池回收利用余能檢測》[1]批準發布。

該標準的主要目的是從電池梯次利用的角度，規范了鋰離子電池和鎳氫電池在電池模塊和電池單體級別上的余能檢測，并不適用于電池包組的余能檢測。其內容主要包括檢測要求、檢測流程及檢測方法，屬于試驗方法標準。

該標準有兩個重要的定義。一是余能，表示動力蓄電池從電動汽車上移除后剩余的實際容量；二是I 5放電容量，表示蓄電池在室溫下，以1I 5（A）電流放電，達到終止電壓時所放出的容量（A·h）。其中I5是5h率放電電流，與標準GB/T 31486-2015《電動汽車動力蓄電池性能要求及試驗方法》[2]中I1對應，表示蓄電池在5小時充進/放出其額定容量時所需要的電流值， 其值按公式I 5=C f/5來確定，C f為以首次充放電電流恒流放電測得的電池容量。一般來講，單體蓄電池的余能即為其在室溫（25℃±2℃）下的I 5放電容量。而蓄電池模塊的余能應分為三個部分，分別是室溫（25℃±2℃）、低溫（-20℃±2℃）和高溫（55℃±2℃）條件下的I 5放電容量。

動力蓄電池作業流程如圖1所示，其中，Ya為動力蓄電池滿足企業技術規范條件中的外觀條件；Na為動力蓄電池不滿足企業技術規范條件中的外觀條件；Yb為動力蓄電池滿足企業技術規范條件中的電壓限值條件；Nb為動力蓄電池不滿足企業技術規范條件中的電壓限值條件。該流程主要是用來判別蓄電池是否有必要進行余能檢測，并確定余能檢測時放電電流I 5。

在測試蓄電池C f值時，需要首先對蓄電池的類型進行判定，從而可以按照標準確定首次充放電電流。目前新能源汽車的動力電池主要為鋰離子電池和鎳氫電池，其中鋰電池主要為三元鋰和磷酸鐵鋰電池。當電池的標簽上可以獲取電池的類型、標稱電壓、容量等信息時，可以直接采用以進行充放電試驗。當電池無標簽或標簽上信息不全時，也可以通過電化學性能測試進行區分。最便捷的是測量電池的開路電壓，可以初步判斷是鋰電池還是鎳氫電池，三類電池的電壓參數見表1。對于三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，由于其充放電平臺存在重疊部分，在電池電量不滿的條件下，可能存在開路電壓無法直接判斷材料類型的情況，此時可以通過循環伏安法繪制電池材料的CV曲線來判斷其類型。

在相同的測試條件下，磷酸鐵鋰電池的氧化還原峰（3.3/3.5V vs. Li/Li+）與三元鋰電池的氧化還原峰（3.6/3.8V vs. Li/Li+）的位置[3-4]會有較大差別，可以輕易區分。

動力蓄電池通過檢測流程確認I 5數值及材料后，余能檢測的試驗方法的充電和放電規程按GB/T31486-2015[5]中6.2.5執行。鋰電池以1I 5恒電流充電至充電終止電壓，后以恒電壓充電至電流降至0.05I 5時停止充電，隨后擱置1h；鎳氫電池則以1I 5的電流恒電流充電5h，再以0. 2I 5充電1h，隨后擱置1h。放電過程均是以1I 5的電流放電，直到達到放電終止電壓。單體蓄電池僅考察室溫下的放電容量記作電池余能，蓄電池模塊還需要在高溫（55℃±2℃）及低溫（-20℃±2℃）下采集其余能數據并記錄。

值得一提的是，2022年6月29日，國家能源局綜合司發布了關于征求《防止電力生產事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）》意見的函，其中提到：中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池；選用梯次利用動力電池時，應進行一致性篩選并結合溯源數據進行安全評估。這意味著對動力電池回收利用的門檻進一步提高，不僅是容量合格就可以進入市場，還需要有其他的標準來規范整個動力電池梯次利用的整個過程，做好安全評估和建立健全的追溯體系。

2 動力電池梯次利用

車用動力電池的梯次利用為系列標準，共分為6個部分，已發布實施4個部分。其中第1部分余能檢測，第2部分拆卸要求是梯次利用產品材料準備階段的要求；第3部分梯次利用要求，第4部分梯次利用產品標識則是在這兩項標準的基礎上，規定了梯次利用實際操作的要求。其對應的標準為GB/ T34015.3-2021《車用動力電池回收利用 梯次利用 第3部分 梯次利用要求》[6]和GB/T 34015.4-2021《車用動力電池回收利用 梯次利用 第4部分：梯次利用產品標識》[7]，這兩項標準制定的目的是指導梯次利用企業對退役電池開展可梯次利用的判斷和規范梯次利用產品的標識。

GB/T 34015.3-2021《車用動力電池回收利用梯次利用 第3部分 梯次利用要求》中對梯次利用給出了具體的定義：車用動力電池退役后，整體或經過拆解、分類、檢測、重組與裝配等相關工藝，能夠以電池包或模塊或單體的形式再次應用到包括但不限于基站備電、儲能、低速動力等相關目標領域的過程。該標準規定了車用動力電池梯次利用實際操作的要求，包括總體要求、外觀及性能要求和梯次利用產品一般要求。

總體要求包含了對產品生產全生命周期的要求：產品生產前的信息獲得和生產后的管理要求；梯次利用產品生產企業應承擔梯次利用產品的售后、回收等相關責任；梯次利用產品報廢后，應交由符合國家法律法規要求的再生利用企業進行回收處理，不應隨意丟棄處理。另外對于梯次利用產品生產企業，要求必須對被利用電池充分溯源，并進行有效評估。基本信息檢查與登記要求為電池原有生產信息、使用信息和基本參數的登記要求。這樣就可以有效地建立起電池產品全生命周期的追溯系統。

外觀及性能要求為進入梯次利用后的電池相關性能要求，包括外觀要求、余能要求、循環壽命要求、安全性要求和其他性能要求等。該標準規定電池循環壽命的驗證方法以及要求以供需雙方協商的結果為準。關于電池循環壽命的判定方法的試驗標準為GB/T 34015《車用動力電池回收利用梯次利用》系列標準的第6部分：剩余壽命評估規范。對于退役動力電池循環壽命的檢測主要難點在于測試方法的高效、無損及低成本方面，目前國家標準有關電池的循環壽命的測試方法均為直接對電池進行完全的充放電循環，該類方法耗時長，對電池的損傷大，成本過高，不適用于梯次利用電池的循環壽命檢測。所以在電池設計階段，就應當考慮到后期循環壽命的測算問題，以便于降低電池后期的梯次利用成本，這一點可以考慮在GB/T 34015《車用動力電池回收利用梯次利用》系列標準的第5部分：可梯次利用設計指南中做出規范。

GB/T 34015.4-2021《車用動力電池回收利用梯次利用 第4部分：梯次利用產品標識》詳細規定了梯次利用產品標識的樣式、尺寸及位置。退役后的動力電池與新電池的性能差異較大，但在外觀上難以區分，通過梯次利用環節生產的電池與新品電池相比，應該要有所不同，并且在產品上面要有明確的區分標識。通過標準對產品標識的規范，消費者可以清楚地獲取電池的信息、狀態及相關的責任單位，有利于產品的溯源追蹤，對動力電池梯次利用產品的全程監管提供了標準化的依據。

3 結 語

GB/T 34015系列標準的發布實施，將使我國退役動力電池回收利用有章可循，逐步走上標準化、規范化的市場。已發布的4個標準循序漸進，提供了對退役電池的剩余容量進行判斷的方法，開展可梯次利用性的判斷依據，規范了梯次利用產品的標識，為車用動力電池梯次利用提供了層層遞進的技術指導。但現有的標準還不能完全滿足動力電池梯次利用的實際需求，亟需后續標準的補充和規范，從而完善整個標準體系。另外還需要加大標準實施力度，強化監督檢查，同時不斷加強梯次利用的科學研究和標準化隊伍建設，提高該系列標準的修訂質量，以適應不斷發展的新能源市場，開創動力電池梯次利用的新局面。

參考文獻

車用動力電池回收利用余能檢測：GB/T 34015-2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

電動汽車動力蓄電池性能要求及試驗方法：GB/ T 314 8 6 -2015[S]. 北京：中國標準出版社，2015.

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電動汽車動力蓄電池性能要求及試驗方法：GB/ T 314 8 6 -2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

車用動力電池回收利用 梯次利用 第3部分：梯次利用要求：GB/T 34015.3-2021[S].北京：中國標準出版社，2021.

車用動力電池回收利用 梯次利用 第4部分：梯次利用產品標識：GB/T 34015.4-2021[S].北京：中國標準出版社，2021.

作者簡介

劉學文，本科，工程師，研究方向為計算機科學及產品質量檢驗檢測技術。

何飛宇，本科，工程師，研究方向為機械設計制造及產品質量檢驗檢測技術。

黃盈盈，本科，工程師，研究方向為電子信息工程技術及產品質量檢驗檢測技術。

巴鑫，通信作者，博士研究生，高級工程師，研究方向為電化學儲能及產品質量檢驗檢測技術。

（責任編輯：袁文靜）