钜大LARGE | 点击量：631次 | 2021年10月16日
来小康：有关动力锂电池梯次利用的一些思考
近年来，在国家政策持续支持和动力锂离子电池技术不断进步情况下，我国电动汽车产业快速发展，2013年电动汽车销量仅为1.76万辆，到2018年电动汽车销售达125.6万辆，5年内销量上升了70多倍。与之匹配的动力锂离子电池装机量也快速新增，2013年动力锂离子电池装机量为0.73GWh，2018年装机量达56.89GWh，5年时间也上升了70多倍。随着电动汽车的使用，动力锂离子电池性能逐渐下降，当其不能满足电动汽车使用要求时，就要从电动汽车上退役下来；随着电动汽车销量的快速上升，未来几年动力锂离子电池的退役量也将快速新增，2020年动力锂离子电池退役量将达20GWh，2025年超过90GWh。
在退役动力锂离子电池中，很多还具有较高的剩余容量（额定容量的70-80%），这些电池经过重新的诊断、分选和重组后，有可能应用于使用工况更加温和的场景（低速电动汽车、电网储能、基站备用等），实现动力锂离子电池的梯次利用。动力锂离子电池的梯次利用，可以让其性能得到充分的发挥，提升动力锂离子电池的全寿命周期价值。退役动力锂离子电池梯次利用符合环境保护的4R原则，即Recycle（循环使用）、Reuse（重复使用）、Reduce（减少使用）、Recover(回收资源或改变环境)，具有潜在的经济价值及良好的社会价值[1-2]。
尽管梯次利用看上去有很好的商业模式，但业内对此有着较为对立的评价，一种观点认为退役动力锂离子电池一致性差、剩余寿命短、安全风险高，不具备梯次利用的价值，应直接进行回收处理；另一种相对立的观点则认为有关退役动力锂离子电池，大多数可进行梯次利用，甚至认为将是电力储能的主力。我国电科院自2010年开始动力锂离子电池梯次利用的研究，对退役的锰酸锂离子电池和多种型号的磷酸铁锂离子电池的电化学和安全性能进行了评测，并进行了不同场景下的梯次利用电池储能系统小规模工程应用。通过技术研究和工程应用发现，在退役电池中，有的电池存在微/内短路，具有较高的安全隐患；有的电池只有几百次的剩余寿命，没有梯次利用的价值；因此，不是所有的退役电池都可以梯次利用，但也有部分退役磷酸铁锂离子电池具有较好的一致性（容量极差小于额定容量的10%），且在室温较低倍率下有较好的循环特性（0.5C、80%DOD下寿命大于3000次），这部分退役电池具有潜在的梯次利用价值[3-6]。而有关近两年装机量快速新增、乘用车重要采用的三元体系电池，业内针对其梯次利用的研究还不够深入，尤其是其在梯次利用过程中的性能衰减和安全状态变化规律还不是很明晰，但从已经取得的试验结果来看，退役三元电池在寿命和安全性上均比磷酸铁锂离子电池差，其梯次利用的前景不容乐观。本文试图从能否梯次利用的判断准则、梯次利用时要考虑的关键问题及当下应该做的工作三方面阐述一下笔者的看法，供讨论。
一
退役动力锂离子电池能否梯次利用的判断准则
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
动力锂离子电池经过长期车载使用后，退役时电池性能明显衰退，存在较高安全风险且剩余价值不明确，因此，在梯次利用前首先要判断什么退役动力锂离子电池可以梯次利用。笔者认为针对退役动力锂离子电池能否梯次利用应该重要从两个方面来进行判断，一是退役动力锂离子电池是否能安全的梯次利用，二是该电池的梯次利用是否具有经济价值。
1.1退役动力锂离子电池梯次利用的安全性
电池安全性是其工程应用中最重要的关注点，目前电化学储能和电动汽车采用的基本都是锂离子电池，这种电池以有机物为溶剂，即使是新电池，也可能由于制造过程的缺陷或使用不当而发生安全事故。有关退役动力锂离子电池，由于其内部枝晶生长、电解液消耗、晶体结构变化、界面阻抗新增等原因，其发生安全事故的风险变大；同时电池在电动汽车阶段的使用环境、工况不同，电池的容量保持率也不一致，这就造成退役动力锂离子电池安全事故的诱发因素和薄弱环节与新电池存在差异，使退役动力锂离子电池的安全性评估变得更加复杂。
目前针对退役动力锂离子电池安全性评估尚无成熟标准化的方法，通常按照以下步骤来进行：首先对电池的外观进行检测，观察是否存在极耳断裂、鼓胀等物理缺陷；然后针对无明显物理缺陷的电池，依据动力或储能电池相关标准，抽样分析电池在极限条件下的状态；最后对不同状态的退役电池，抽样分析其自产热起始温度、热失控引发温度等特性。现有方法虽然可以剔除一些具有明显安全问题的电池（如鼓胀电池），但不能有效识别电池内部的安全隐患，同时抽样检测的比例也不好确定，比例过小不能准确反映整批次电池的安全状态，而比例过大使退役动力锂离子电池安全性评估的成本大幅度新增。
退役电池在梯次利用过程中因其内部状态继续劣化，其安全隐患也在持续新增，因此，有关退役动力锂离子电池的安全性评估，不能只关注电池当前的安全状态，还应兼顾在梯次利用过程中电池安全状态的变化。
1.2退役动力锂离子电池梯次利用的经济性分析
动力锂离子电池梯次利用的经济性分析应采用替代法，即采用退役动力锂离子电池替代铅酸电池或新的锂离子电池后，其净收益是否有所新增，其中净收益指梯次利用过程中的收益减去整个梯次利用过程中的成本。
1.2.1梯次利用成本分析
梯次利用的成本重要包括电池采购成本、运输和储存成本、拆解成本、状态诊断成本、重组成本、运行维护成本、电池再回收成本等[7-8]；
（1）电池采购成本；受多种因素的影响，如电池退役的剩余残值、退役动力锂离子电池的市场供应量、国家的相关政策等，目前没有统一的定价机制。
（2）运输和贮存成本。退役动力锂离子电池回收、运送至电池梯次利用检测、重组中心的运输和贮存费用。
（3）电池拆解成本：不同应用场景下的电池容量和电压等级不同，同时部分退役动力锂离子电池中一致性较差，因此要对电池进行拆解所出现的费用。
（4）状态诊断成本：电池容量、内阻、寿命等参数测试费用，设备折旧费用，场地费用等。
（5）重组成本：电池箱体、电池管理系统、连接线、变流器、电池防护、消防器材等成本。
（6）运行维护成本：包括梯次利用电池系统运行期间的维护，检修、更换故障部件等。
（7）电池再回收成本。梯次利用后要对废旧动力锂离子电池交由专业结构进行回收处理，目前磷酸铁锂离子电池回收价值较低，可能还要支出一定的回收处理费用；三元电池由于含有贵金属，具有较高的回收价值，可以从回收环节中获利。
目前梯次利用过程的成本存在较大的不确定性，重要体现在以下几个方面：电池采购成本受市场、政策、剩余容量和寿命等多种因素影响，价格相差较大；退役电池的成组方式不同、性能差异程度不相同造成在拆解环节的成本各不相同；受历史数据的完整程度、性能诊断方式等因素影响，在电池状态诊断环节的成本也会有所差异；由于电池之间的差异度不同、应用场景不同、管理策略不同等原因，造成退役电池的重组成本也不相同；最后，针对梯次利用电池储能系统的高效运维技术缺失，系统的运维成本不确定。因此，要明确梯次利用过程的成本，需健全电池梯次利用和回收的相关政策法规，构建完善的电池历史数据体系，突破电池状态诊断和寿命预测、高效重组和运维等关键技术，建立退役电池采购以及梯次利用后再回收市场机制。
1.2.2梯次利用收益分析
对电池梯次利用阶段收益影响最大的是其剩余寿命，电池的剩余寿命可以分为日历寿命和循环寿命，在不同应用场景下对电池寿命的关注点不相同。目前在电网储能中退役电池较适合的应用场景是备用电源和调峰，备用电源重要关注电池的日历寿命，而调峰场景下更关注电池的循环寿命。我国电科院在研究中发现，有关生产年份较早（2012年以前）的动力锂离子电池，由于当时电池制造水平不高，退役后电池的剩余寿命不高，且一致性较差。2012年国内一线电池厂家制造的磷酸铁锂离子电池退役后，在电网调峰、容量备用等模拟工况下具有较好的寿命特性，在电网调峰模拟工况（室温0.5C、80%DOD）下电池寿命超过3000次；在容量备用模拟工况下依据衰退趋势推测，电池的使用寿命超过6年。
1.2.3梯次利用经济性分析
动力锂离子电池梯次利用的经济性分析是在采用退役电池替代铅酸电池或新的锂离子电池后，分析替代前后的系统成本以及使用寿命，在此基础上评估梯次利用的经济性。在备用电源场景下，目前梯次利用电池系统成本（0.5-0.7元/Wh）略高于铅酸电池（0.4-0.5元/Wh），但在该场景下梯次利用电池的日历寿命更长，目前采用退役电池的经济性和铅酸电池相差不大；未来随着退役电池的成本下降和梯次利用阶段的寿命提升，在备用电源场景下采用退役电池的经济性会更好。在调峰场景下，由于近几年锂离子电池价格的快速下降，目前新电池储能系统的成本已降至1.8-2.0元/Wh，且在未来几年还会持续下降，因此，有关梯次利用电池，必须不断降低其状态评估、分选重组、系统集成等再制造过程的成本，同时在梯次利用阶段有良好的寿命特性，这样才能与新电池在经济性上具有竞争力。
二
梯次利用时要考虑的关键问题
退役动力锂离子电池在梯次利用前，首先要对其状态进行诊断，评估电池是否存在安全隐患，评测当前的容量（SOH）、内阻等参量，同时还要对电池在梯次利用阶段的衰退趋势进行预测，判断电池的剩余寿命；在此基础上依据电池的状态进行分选重组，同时为其选取合适的应用场景，最大化电池在梯次利用阶段的价值。
2.1退役动力锂离子电池状态的诊断
退役动力锂离子电池的状态诊断包含三部分内容，一是评估电池当前的容量、内阻等参量，二是判断电池有无安全隐患，三是预测电池在梯次利用过程中的衰减趋势；其核心是以一种经济性的方式实现上述诊断。
目前退役的动力锂离子电池依据历史运行数据的完整程度可分为两大类：一类是具有完善的电池在车载使用的阶段的运行数据，称之为“白箱”。针对这类电池，首次可通过历史数据分析来评估电池的剩余容量、内阻等当前状态，其次根据电池在车载使用过程中有无过充电、过放电、过热等滥用情况的发生以及退役时是否有鼓胀等问题来判断电池的安全状态，最后依据电池车载阶段充放电过程中的参数变化规律，来预测电池的衰减趋势。这种诊断方法速度快、成本低，对动力锂离子电池容量的评估比较准确，同时对电池的剩余寿命预测也很有帮助；但该方法目前在电池内部安全隐患的识别上还不是很有效。
另一类是退役动力锂离子电池的历史运行数据不完整或完全缺失，称之为“黑箱”。针对这类电池的状态，目前有两种诊断方法：一是对电池模块或电池包进行几次完整的充放电，记录电池的电压、温度等参量的变化情况，分析单体之间的一致性；然后对退役动力锂离子电池进行抽样，分析电池在滥用条件下的安全性能和储能工况下的衰退特性；这种方法虽然能准确掌握退役动力锂离子电池的容量、内阻等状态以及单体之间的状态差异，但这种方法周期长、占用设备多，同时安全试验还破坏了电池，因此诊断成本较高。另一种方法是选取几个可快速测量的电池特点参量（开路电压、交流内阻等），通过对这些参量的快速评测来诊断电池的状态；这种诊断方法速度快、设备成本较低，但由于选取的特点参量与电池状态之间的关系尚不完全明确，通常诊断结果误差较大。
退役动力锂离子电池的内部安全隐患隐蔽性强，无论是针对“白箱”的历史数据分析法，还是针对“黑箱”的充放电法或特点参量法，对电池内部安全隐患的判断都不够准确；同时由于退役动力锂离子电池与新电池的状态有较大差异，还要分析充放电倍率、充放电深度、充放电温度、环境温度等使用条件对电池性能的影响，明确电池在梯次利用阶段的使用边界条件。未来随着历史数据的日趋完善以及数据分析技术的不断进步，基于“白箱”的数据分析法加上电池安全、寿命等关键性能的抽样分析有望以较低成本来实现退役动力锂离子电池状态的准确诊断。
2.2退役动力锂离子电池重组和应用场景界定
退役动力锂离子电池之间的差异明显大于新电池，在重组时要根据电池之间的差异采取有效的均衡策略；相比新电池，退役动力锂离子电池的内阻显著增大，同样使用条件下的产热量也更大，低温下的充放电性能变差，在重组时要根据环境温度采用有效的温度控制策略，防止电池长期在高温（40℃以上）或低温环境下（0℃以下）运行；退役动力锂离子电池安全失效风险增大，在重组时要结合应用场景采取必要的安全防护和消防措施。
电池梯次利用存在多种潜在应用场景，不同应用场景对电池的状态以及一致性要求也不相同，电池在不同应用场景下的衰退规律也有明显的差异，因此，在进行退役动力锂离子电池重组时，要根据电池的状态、电池之间一致性以及不同场景的衰退趋势，为其选取合适的应用场景[9]。
三
应该做的工作
虽然未来几年动力锂离子电池退役量将快速新增，且梯次利用时具有多种潜在应用场景，但目前尚不能对大规模开展动力锂离子电池梯次利用给予明确的定论，这是因为：一是退役动力锂离子电池的状态评估、分选、管理等关键技术研究还不够深入，造成梯次利用过程中的再制造成本较高；二是新电池成本的持续下降使采用梯次利用电池的低成本优势变小。因此，有关动力锂离子电池的梯次利用，未来应在以下几个方面重点开展工作。
一是突破退役动力状态评估、安全隐患识别、剩余寿命预测、电池重组和管理、系统集成和运维等关键技术，其中重点是电池安全隐患识别；分析梯次利用过程中状态评估、分选重组、系统集成和运维等环节的投入，利用上述关键技术降低梯次利用全过程的费用，其中重点是明确各环节的成本；掌握电池在梯次利用阶段的性能衰退趋势和安全状态演变规律，明确不同状态电池适用的应用场景以及边界使用条件，其中重点是根据电池状态为其选取合适的场景。
二是完善动力锂离子电池数据采集、存储体系，使其在退役时是一个历史数据完整的“白箱”，同时优化基于历史数据的电池状态诊断方法，提升电池状态、安全隐患以及剩余寿命评估的准确度。
三是在不同应用场景下开展梯次利用电池的小规模工程应用，分析在实际工程应用中电池的状态以及性能变化规律，完善和优化动力锂离子电池梯次利用的关键技术。
四是开展退役三元电池的寿命、安全等性能的评价，掌握三元电池在梯次利用过程中的性能演变规律，研判退役三元电池的梯次利用的可行性，防止在三元电池梯次利用的决策上出现失误。
待上述几项重点工作基本完成后，才宜开展梯次利用动力锂离子电池的大规模工程应用。
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