钜大LARGE | 点击量：837次 | 2022年08月18日
梯次利用动力锂电池在电力储能的应用研究有什么进展
在近日召开的“第八届中国国际储能大会上，中国电力科学研究院有限公司储能电池本体技术研究室主任杨凯在储能电站专场，发表了题为“梯次利用动力电池在电力储能的应用研究”的精彩演讲。
演讲内容如下：
杨凯：大家好，我是来自中国电力科学研究院有限公司的杨凯，今天跟大家交流一下我们在梯次利用电池方面做的一些工作。因为梯次利用电池现在是一个比较热门的话题，中国电科院从2012年开始一直到现在，大概做了五六年的工作，今天主要是就这个专题跟大家交流一下。首先了解梯次利用的技术背景，这个背景大家从各个领域了解的比较多了，因为我们国家的电动汽车现在进入了快速发展时期，2017年销售了77.7万辆，2018年预计将超过100万辆，伴随而来的是电动汽车电池退役量逐渐增大，到2020年退役量将达到20GWh，到2025年预计将达到90GWh。如此大量的退役的动力电池，梯次利用是非常有必要的。
所谓梯次利用就是将退役的动力电池经过重新的适配，在一些相对来说利用率比较低的场合再次利用，目前梯次利用有三个应用场合，第一是梯次电动车，第二是电网储能，第三是通讯基站的应用。
对于梯次利用的意义，我们总结主要有三个方面，一是它能延长整个电池的使用寿命，提高全寿命周期使用的价值，如果在梯次利用这个阶段中电池仍然能够获利，它也可以变相降低在电动汽车这个领域应用的时候采购电池的成本；第二方面就是在储能方面，如果梯次利用能够应用于电网储能，与新电池相比，它就会降低储能工程的造价，也就降低在储能这个环节中用户用电的成本；第三方面是体现了对资源的充分利用，具有比较好的环境效益。
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%
目前在梯次利用这个行业当中，国内和国际上做了不少的示范工程，在国内主要有比亚迪、北汽新能源、铁塔集团，还有国家电网公司、南网等等都做了一些示范工程，国外主体是车厂为主的，比如说通用、尼桑、宝马等等。目前在梯次利用方面主要开展的技术，主要的技术环节包括电池状态的评估，电池从电动车上退下来以后，它的健康状态是什么样的，还有多少的可以应用的价值，再一个是分选重组，还有一个是梯次利用的电池安全性是有所降低的，在安全管理方面还要做一些工作。分析国内和国际在技术发展趋势上来讲，基本上可以判断有两个发展趋势，第一是梯次利用电池从最初期的将电池拆解为单体的应用，发展到目前主流的技术趋势是整模组的应用。第二个趋势是示范工程的规模从最开始的千瓦级到现在的兆瓦级。
目前我们认为在电力储能的应用是大规模消纳退役电池应用的一个有效的手段，目前新能源发电大概可以消纳120GWh的退役电池，梯次利用电池给电力低成本化带来了机遇。目前对于梯次利用电池在电力储能方面还有一个比较显著的优势，就是因为电力储能的场景非常丰富，可以为不同性能曾经的退役电池提供一些应用的场景。这里列了5个主要的场景，我就不再细说了。
第二方面介绍一下我们在这几年当中，在梯次利用电池方面做的部分工作。
我们依托2016年获批的新能源储能并网运行控制国家重点实验室，我们在梯次利用方面做了状态评估、寿命预测、系统集成、经济性评价等等的研究工作，我们在张北储能实验基地当中也做了几个示范的工程，今天我介绍部分的工作。
我们主要是针对三类电池做了研究，一种电池是2008年奥运会电动汽车上退役下来的电池，这是锰酸锂的电池，是2012年退役的。第二类是是深圳K9电动车上用的电池，这是2015年退役的电池，第三是青岛薛家岛电动车上退下来的电池，这是2016年退役的。
退役的锰酸锂电池，就是2012年退役的这类电池，我们经过测试这些电池的主体容量是55安时左右，理论上电动车上用到80%就会退役，但是这个电池到我们这里只有50%—60%的容量。从内阻上也可以看到它的分散比较大，初始内阻，新电池是0.5—0.6，退役下来分散的比较大，最大的都到1.5豪欧，所以我们把它分成了大概6个档位。从容量的保持率来讲，应该讲大概一半以上的电池容量保持率还是比较不错的，大概能占到95%以上。
我们测了这个电池的倍率和温升特性，从发热量来看，在50安培电流下，温升大概在5度左右。我们根据这个电池测算了它的实际使用寿命，我们选了其中一个场景，是UPS工况下，我们做了适应性的评测，我们算了容量保持率和搁置的公式，在UPS工况下，这个电池预期的使用寿命大概是3年。而作为移峰填谷应用的测评，如果这个电池在移峰填谷的情况下，它的使用寿命大概1500次。作为平滑的工况来讲，我们选了四个电池，一个是容量大概相同，内阻不同的，二是内阻差不多的，容量有所变化的，在平滑工况下做了预测，可以看到这个电池在平滑工况下的表现性能不太好，从这个图上可以看到容量的保持率比较差。
我们对这个电池参照2006年的标准做了7项安全性的测试，这个电池在7项安全性测试下都是能够通过的，能够做到不起火、不爆炸。因为这款电池我们做了一个储能的系统，装在大兴电动出租车充换电站，这一款产品在参与运营以后，循环了不到100次，电池性能急剧降低，就是电池的一致性分散过大，快速分散，这个电池我们在组装的时候，是把它拆成了单体，经过了非常细的分选、重组，又组成了新的模块和系统，即便是这样，它的性能也急剧下降。因此我们可以基本判断，大概在2012年以前生产的咸吃，因为本身生产能力所限，所以当年生产的电池梯次利用的价值是不大的。
下面再看第二款电池，200安时的磷酸铁锂电池，这是K9公交车上退役的电池。初始的时候是200安时，到我们手上大概是150到160，可以看到这个电池的分散性很小，一致性还比较好，容量基本上是在145到160之间，内阻增大幅度也不大，容量保持率也是很好的，80%的电池容量保持率还能在97%到98%。
可以看到这个电池在充放电过程中的性能还是不错的。从望升特性来讲，在0.5C、1C和2C我们测了一下，在0.5C状态下大概温升2度，1C升温超过5度，2C温升超过10度，因此我们建议考虑到它的安全使用性，温升应该控制在5度以内。
在安全性测试当中，电池也出现了鼓胀的现象，但是通过这些安全性测试，都没有问题。
我们重点关注电池的寿命分析，这个电池我们做过百分之百的DOD，全充全放的，80%DOD和20%DOD，可以看到这个电池在百分之百DOD的情况下，测了4000次的循环，容量仍然有93%，80%DOD测试5000次，容量还有91%。
针对这款电池我们建设了一套250千瓦/1兆瓦时的储能系统，这套系统安装在国家电网张北储能实验基地的储能实验室当中。这个主要是用于平滑风电，做一些调频，这个系统从2016年3月份安装到现在将近一年半的时间，系统运行还是比较稳定的。
第三款电池是磷酸铁锂电池，是青岛退下来的电池，这个电池初始容量是22安时，退役下来以后，60%的电池容量在19安时以上，分散度也不算高，有将近70%的电池列组是在3到4之间。同样我们也测了它的倍率和温升情况，可以看到基本上这个电池在0.5C下面温升在1度左右，1C温升也不超过3度，在这样的情况下，0.5C、1C使用都没问题。
再一个是高低温的充放电特性。可以看到这个电池的充电在0度状况下也能充到必90%。同样气象的安全性测试也没有问题。
寿命特性，这个电池百分之百DOD循环1400次以后，容量保持率大概在93%，80%的DOD循环2000次，容量保持率大概在90%左右，28天的自放电的搁置性能也是不错的，大概在98%。
这款电池现在由许继集团负责工程建设，电科院提供技术支持，做一套3MW/9MWh的系统，目前计划安装在国家风广储输示范工程二期，主要做风电平滑、光伏消纳、跟踪计划，这个系统目前正在安装调试当中。
最后根据我们这几年做的工作做一些总结。首先我们认为并不是所有的动力电池都适合做梯次利用，像我们前面介绍到的第一个示范工程，可以看到基本上在年份比较早(2012年以前)的电池，因为当时的电池本身的技术水平和制备水平不高，经过电动汽车应用阶段以后，梯次利用价值比较低，而且安全隐患比较大。第二是梯次利用国家当中，一些关键技术还有待突破，像快速的性能评估技术，包括健康状态的评估和残值的评估。第二是低成本的分选重组，在梯次利用这个阶段当中，低成本我们认为是最关键的一项指标，因为本身就是要实现它的低成本，如果在各个环节中的成本降不下来的话，很难跟弃电竞争。再一个是由于它的安全隐患有可能比新电池增加，所以在梯次利用当中，安全的预警，包括后期的安全的防护比新电池更要考虑得周全一些。第三是对不同状态的退役动力电池，应该选择合适的应用场景，在电力储能这个领域当中，可以根据不同性能的梯次利用电池给它一定的场景，保证电池安全使用的情况下，尽可能发挥各个阶段梯次利用的剩余价值。
对于这个技术的展望来讲，首先对于退役电池来讲，它的性能肯定是越来越好，从刚才我们做的示范工程可以看到，像我们介绍的后面两个示范工程还是很不错的，性能会越来越好，同时价格会不断地降低。第二方面，动力电池整个这套历史数据、通讯协议、梯次利用电池再退役的环节现在考虑的越来越完善，现在很多企业已经有意识，在做动力电池应用之时就考虑好将来退役后的梯次利用阶段，所以相对来讲可以降低梯次利用整个环节的成本，提高它的经济性。国家这两年对梯次利用的扶持力度也很大，从2016年到2018年，国家各个部委相继出台了将近15项政策，提到了梯次利用，可以说国家层面对这个事还是很重视的，另外国家的重点研发计划也部署了相关的内容。也就是说现在从技术层面和在政策层面上的支持，我们认为梯次利用技术在电力储能方面还是很有发展前景的。
