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有關動力鋰電池梯次利用的一些思考

鉅大LARGE  |  點擊量:101次  |  2020年06月23日  

摘要
關于動力電池梯次利用的一些思考,近年來,在國家政策持續支持和動力電池技術不斷進步情況下,我國電動汽車產業快速發展,2013年電動汽車銷量僅為1.76萬輛,到2018年電動汽車銷售達125.6萬輛,5年內銷量增長了70多倍。與之匹配的動力電池裝機量也快速

近年來,在國家政策持續支持和動力鋰電池技術不斷進步情況下,我國電動汽車產業快速發展,2013年電動汽車銷量僅為1.76萬輛,到2018年電動汽車銷售達125.6萬輛,5年內銷量上升了70多倍。與之匹配的動力鋰電池裝機量也快速新增,2013年動力鋰電池裝機量為0.73GWh,2018年裝機量達56.89GWh,5年時間也上升了70多倍。隨著電動汽車的使用,動力鋰電池性能逐漸下降,當其不能滿足電動汽車使用要求時,就要從電動汽車上退役下來;隨著電動汽車銷量的快速上升,未來幾年動力鋰電池的退役量也將快速新增,2020年動力鋰電池退役量將達20GWh,2025年超過90GWh。


(來源:微信公眾號“儲能科學與技術”ID:esst2012作者:來小康)


在退役動力鋰電池中,很多還具有較高的剩余容量(額定容量的70-80%),這些電池經過重新的診斷、分選和重組后,有可能應用于使用工況更加溫和的場景(低速電動汽車、電網儲能、基站備用等),實現動力鋰電池的梯次利用。動力鋰電池的梯次利用,可以讓其性能得到充分的發揮,提升動力鋰電池的全壽命周期價值。退役動力鋰電池梯次利用符合環境保護的4R原則,即Recycle(循環使用)、Reuse(重復使用)、Reduce(減少使用)、Recover(回收資源或改變環境),具有潛在的經濟價值及良好的社會價值[1-2]。


盡管梯次利用看上去有很好的商業模式,但業內對此有著較為對立的評價,一種觀點認為退役動力鋰電池一致性差、剩余壽命短、安全風險高,不具備梯次利用的價值,應直接進行回收處理;另一種相對立的觀點則認為關于退役動力鋰電池,大多數可進行梯次利用,甚至認為將是電力儲能的主力。我國電科院自2010年開始動力鋰電池梯次利用的研究,對退役的錳酸鋰離子電池和多種型號的磷酸鐵鋰離子電池的電化學和安全性能進行了評測,并進行了不同場景下的梯次利用電池儲能系統小規模工程應用。通過技術研究和工程應用發現,在退役電池中,有的電池存在微/內短路,具有較高的安全隱患;有的電池只有幾百次的剩余壽命,沒有梯次利用的價值;因此,不是所有的退役電池都可以梯次利用,但也有部分退役磷酸鐵鋰離子電池具有較好的一致性(容量極差小于額定容量的10%),且在室溫較低倍率下有較好的循環特性(0.5C、80%DOD下壽命大于3000次),這部分退役電池具有潛在的梯次利用價值[3-6]。而關于近兩年裝機量快速新增、乘用車重要采用的三元體系電池,業內針對其梯次利用的研究還不夠深入,尤其是其在梯次利用過程中的性能衰減和安全狀態變化規律還不是很明晰,但從已經取得的試驗結果來看,退役三元電池在壽命和安全性上均比磷酸鐵鋰離子電池差,其梯次利用的前景不容樂觀。本文試圖從能否梯次利用的判斷準則、梯次利用時要考慮的關鍵問題及當下應該做的工作三方面闡述一下筆者的看法,供討論。



退役動力鋰電池能否梯次利用的判斷準則


動力鋰電池經過長期車載使用后,退役時電池性能明顯衰退,存在較高安全風險且剩余價值不明確,因此,在梯次利用前首先要判斷什么退役動力鋰電池可以梯次利用。筆者認為針對退役動力鋰電池能否梯次利用應該重要從兩個方面來進行判斷,一是退役動力鋰電池是否能安全的梯次利用,二是該電池的梯次利用是否具有經濟價值。


1.1退役動力鋰電池梯次利用的安全性


電池安全性是其工程應用中最重要的關注點,目前電化學儲能和電動汽車采用的基本都是鋰離子電池,這種電池以有機物為溶劑,即使是新電池,也可能由于制造過程的缺陷或使用不當而發生安全事故。關于退役動力鋰電池,由于其內部枝晶生長、電解液消耗、晶體結構變化、界面阻抗新增等原因,其發生安全事故的風險變大;同時電池在電動汽車階段的使用環境、工況不同,電池的容量保持率也不一致,這就造成退役動力鋰電池安全事故的誘發因素和薄弱環節與新電池存在差異,使退役動力鋰電池的安全性評估變得更加復雜。


目前針對退役動力鋰電池安全性評估尚無成熟標準化的方法,通常按照以下步驟來進行:首先對電池的外觀進行檢測,觀察是否存在極耳斷裂、鼓脹等物理缺陷;然后針對無明顯物理缺陷的電池,依據動力或儲能電池相關標準,抽樣分析電池在極限條件下的狀態;最后對不同狀態的退役電池,抽樣分析其自產熱起始溫度、熱失控引發溫度等特性。現有方法雖然可以剔除一些具有明顯安全問題的電池(如鼓脹電池),但不能有效識別電池內部的安全隱患,同時抽樣檢測的比例也不好確定,比例過小不能準確反映整批次電池的安全狀態,而比例過大使退役動力鋰電池安全性評估的成本大幅度新增。


退役電池在梯次利用過程中因其內部狀態繼續劣化,其安全隱患也在持續新增,因此,關于退役動力鋰電池的安全性評估,不能只關注電池當前的安全狀態,還應兼顧在梯次利用過程中電池安全狀態的變化。


1.2退役動力鋰電池梯次利用的經濟性分析


動力鋰電池梯次利用的經濟性分析應采用替代法,即采用退役動力鋰電池替代鉛酸電池或新的鋰離子電池后,其凈收益是否有所新增,其中凈收益指梯次利用過程中的收益減去整個梯次利用過程中的成本。


1.2.1梯次利用成本分析


梯次利用的成本重要包括電池采購成本、運輸和儲存成本、拆解成本、狀態診斷成本、重組成本、運行維護成本、電池再回收成本等[7-8];


(1)電池采購成本;受多種因素的影響,如電池退役的剩余殘值、退役動力鋰電池的市場供應量、國家的相關政策等,目前沒有統一的定價機制。


(2)運輸和貯存成本。退役動力鋰電池回收、運送至電池梯次利用檢測、重組中心的運輸和貯存費用。


(3)電池拆解成本:不同應用場景下的電池容量和電壓等級不同,同時部分退役動力鋰電池中一致性較差,因此要對電池進行拆解所出現的費用。


(4)狀態診斷成本:電池容量、內阻、壽命等參數測試費用,設備折舊費用,場地費用等。


(5)重組成本:電池箱體、電池管理系統、連接線、變流器、電池防護、消防器材等成本。


(6)運行維護成本:包括梯次利用電池系統運行期間的維護,檢修、更換故障部件等。


(7)電池再回收成本。梯次利用后要對廢舊動力鋰電池交由專業結構進行回收處理,目前磷酸鐵鋰離子電池回收價值較低,可能還要支出一定的回收處理費用;三元電池由于含有貴金屬,具有較高的回收價值,可以從回收環節中獲利。


目前梯次利用過程的成本存在較大的不確定性,重要體現在以下幾個方面:電池采購成本受市場、政策、剩余容量和壽命等多種因素影響,價格相差較大;退役電池的成組方式不同、性能差異程度不相同造成在拆解環節的成本各不相同;受歷史數據的完整程度、性能診斷方式等因素影響,在電池狀態診斷環節的成本也會有所差異;由于電池之間的差異度不同、應用場景不同、管理策略不同等原因,造成退役電池的重組成本也不相同;最后,針對梯次利用電池儲能系統的高效運維技術缺失,系統的運維成本不確定。因此,要明確梯次利用過程的成本,需健全電池梯次利用和回收的相關政策法規,構建完善的電池歷史數據體系,突破電池狀態診斷和壽命預測、高效重組和運維等關鍵技術,建立退役電池采購以及梯次利用后再回收市場機制。


1.2.2梯次利用收益分析


對電池梯次利用階段收益影響最大的是其剩余壽命,電池的剩余壽命可以分為日歷壽命和循環壽命,在不同應用場景下對電池壽命的關注點不相同。目前在電網儲能中退役電池較適合的應用場景是備用電源和調峰,備用電源重要關注電池的日歷壽命,而調峰場景下更關注電池的循環壽命。我國電科院在研究中發現,關于生產年份較早(2012年以前)的動力鋰電池,由于當時電池制造水平不高,退役后電池的剩余壽命不高,且一致性較差。2012年國內一線電池廠家制造的磷酸鐵鋰離子電池退役后,在電網調峰、容量備用等模擬工況下具有較好的壽命特性,在電網調峰模擬工況(室溫0.5C、80%DOD)下電池壽命超過3000次;在容量備用模擬工況下依據衰退趨勢推測,電池的使用壽命超過6年。


1.2.3梯次利用經濟性分析


動力鋰電池梯次利用的經濟性分析是在采用退役電池替代鉛酸電池或新的鋰離子電池后,分析替代前后的系統成本以及使用壽命,在此基礎上評估梯次利用的經濟性。在備用電源場景下,目前梯次利用電池系統成本(0.5-0.7元/Wh)略高于鉛酸電池(0.4-0.5元/Wh),但在該場景下梯次利用電池的日歷壽命更長,目前采用退役電池的經濟性和鉛酸電池相差不大;未來隨著退役電池的成本下降和梯次利用階段的壽命提升,在備用電源場景下采用退役電池的經濟性會更好。在調峰場景下,由于近幾年鋰離子電池價格的快速下降,目前新電池儲能系統的成本已降至1.8-2.0元/Wh,且在未來幾年還會持續下降,因此,關于梯次利用電池,必須不斷降低其狀態評估、分選重組、系統集成等再制造過程的成本,同時在梯次利用階段有良好的壽命特性,這樣才能與新電池在經濟性上具有競爭力。



梯次利用時要考慮的關鍵問題


退役動力鋰電池在梯次利用前,首先要對其狀態進行診斷,評估電池是否存在安全隱患,評測當前的容量(SOH)、內阻等參量,同時還要對電池在梯次利用階段的衰退趨勢進行預測,判斷電池的剩余壽命;在此基礎上依據電池的狀態進行分選重組,同時為其選取合適的應用場景,最大化電池在梯次利用階段的價值。


2.1退役動力鋰電池狀態的診斷


退役動力鋰電池的狀態診斷包含三部分內容,一是評估電池當前的容量、內阻等參量,二是判斷電池有無安全隱患,三是預測電池在梯次利用過程中的衰減趨勢;其核心是以一種經濟性的方式實現上述診斷。


目前退役的動力鋰電池依據歷史運行數據的完整程度可分為兩大類:一類是具有完善的電池在車載使用的階段的運行數據,稱之為“白箱”。針對這類電池,首次可通過歷史數據分析來評估電池的剩余容量、內阻等當前狀態,其次根據電池在車載使用過程中有無過充電、過放電、過熱等濫用情況的發生以及退役時是否有鼓脹等問題來判斷電池的安全狀態,最后依據電池車載階段充放電過程中的參數變化規律,來預測電池的衰減趨勢。這種診斷方法速度快、成本低,對動力鋰電池容量的評估比較準確,同時對電池的剩余壽命預測也很有幫助;但該方法目前在電池內部安全隱患的識別上還不是很有效。


另一類是退役動力鋰電池的歷史運行數據不完整或完全缺失,稱之為“黑箱”。針對這類電池的狀態,目前有兩種診斷方法:一是對電池模塊或電池包進行幾次完整的充放電,記錄電池的電壓、溫度等參量的變化情況,分析單體之間的一致性;然后對退役動力鋰電池進行抽樣,分析電池在濫用條件下的安全性能和儲能工況下的衰退特性;這種方法雖然能準確掌握退役動力鋰電池的容量、內阻等狀態以及單體之間的狀態差異,但這種方法周期長、占用設備多,同時安全試驗還破壞了電池,因此診斷成本較高。另一種方法是選取幾個可快速測量的電池特點參量(開路電壓、交流內阻等),通過對這些參量的快速評測來診斷電池的狀態;這種診斷方法速度快、設備成本較低,但由于選取的特點參量與電池狀態之間的關系尚不完全明確,通常診斷結果誤差較大。


退役動力鋰電池的內部安全隱患隱蔽性強,無論是針對“白箱”的歷史數據分析法,還是針對“黑箱”的充放電法或特點參量法,對電池內部安全隱患的判斷都不夠準確;同時由于退役動力鋰電池與新電池的狀態有較大差異,還要分析充放電倍率、充放電深度、充放電溫度、環境溫度等使用條件對電池性能的影響,明確電池在梯次利用階段的使用邊界條件。未來隨著歷史數據的日趨完善以及數據分析技術的不斷進步,基于“白箱”的數據分析法加上電池安全、壽命等關鍵性能的抽樣分析有望以較低成本來實現退役動力鋰電池狀態的準確診斷。


2.2退役動力鋰電池重組和應用場景界定


退役動力鋰電池之間的差異明顯大于新電池,在重組時要根據電池之間的差異采取有效的均衡策略;相比新電池,退役動力鋰電池的內阻顯著增大,同樣使用條件下的產熱量也更大,低溫下的充放電性能變差,在重組時要根據環境溫度采用有效的溫度控制策略,防止電池長期在高溫(40℃以上)或低溫環境下(0℃以下)運行;退役動力鋰電池安全失效風險增大,在重組時要結合應用場景采取必要的安全防護和消防措施。


電池梯次利用存在多種潛在應用場景,不同應用場景對電池的狀態以及一致性要求也不相同,電池在不同應用場景下的衰退規律也有明顯的差異,因此,在進行退役動力鋰電池重組時,要根據電池的狀態、電池之間一致性以及不同場景的衰退趨勢,為其選取合適的應用場景[9]。



應該做的工作


雖然未來幾年動力鋰電池退役量將快速新增,且梯次利用時具有多種潛在應用場景,但目前尚不能對大規模開展動力鋰電池梯次利用給予明確的定論,這是因為:一是退役動力鋰電池的狀態評估、分選、管理等關鍵技術研究還不夠深入,造成梯次利用過程中的再制造成本較高;二是新電池成本的持續下降使采用梯次利用電池的低成本優勢變小。因此,關于動力鋰電池的梯次利用,未來應在以下幾個方面重點開展工作。


一是突破退役動力狀態評估、安全隱患識別、剩余壽命預測、電池重組和管理、系統集成和運維等關鍵技術,其中重點是電池安全隱患識別;分析梯次利用過程中狀態評估、分選重組、系統集成和運維等環節的投入,利用上述關鍵技術降低梯次利用全過程的費用,其中重點是明確各環節的成本;掌握電池在梯次利用階段的性能衰退趨勢和安全狀態演變規律,明確不同狀態電池適用的應用場景以及邊界使用條件,其中重點是根據電池狀態為其選取合適的場景。


二是完善動力鋰電池數據采集、存儲體系,使其在退役時是一個歷史數據完整的“白箱”,同時優化基于歷史數據的電池狀態診斷方法,提升電池狀態、安全隱患以及剩余壽命評估的準確度。


三是在不同應用場景下開展梯次利用電池的小規模工程應用,分析在實際工程應用中電池的狀態以及性能變化規律,完善和優化動力鋰電池梯次利用的關鍵技術。


四是開展退役三元電池的壽命、安全等性能的評價,掌握三元電池在梯次利用過程中的性能演變規律,研判退役三元電池的梯次利用的可行性,防止在三元電池梯次利用的決策上出現失誤。


待上述幾項重點工作基本完成后,才宜開展梯次利用動力鋰電池的大規模工程應用。


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