动力磷酸铁锂电池梯次利用在通信基站当中的应用

2017年4月24-26日，第七届中国国际储能大会在苏州香格里拉酒店圆满召开，来自中、美、英、德、澳、日、韩等国家的1400余位嘉宾到场参会。大会共邀请140余位行业专家与企业代表，围绕产业热点话题，发表了一系列精彩演讲，中国储能网将向读者传递本次大会最具价值的声音。

大会期间，中国铁塔股份有限公司通信技术研究院教授级高级工程师巩欣，在“通信储能专场”，以《动力磷酸铁锂电池梯次利用在通信基站当中的应用》为题发表演讲，现将演讲主要内容发布，以飨读者。

中国铁塔股份有限公司通信技术研究院教授级高级工程师巩欣

巩欣：各位来宾，大家好！我是中国铁塔股份有限公司通信技术研究院巩欣，我演讲的题目是《动力磷酸铁锂电池梯次利用在通信基站当中的应用》。在前两年我们对此就有所涉猎，我们对这些内容进行了尝试和研究，可以说动力磷酸铁锂电池梯次利用在铁塔来说开了一个头，将来能否广泛应用还要看我们今后如何去操作和运用这个方式。

我的演讲分四个部分。第一是梯次利用与再生利用的社会价值。这是一个宏观的主题，从低碳经济的需求，李克强总理6月30日召开气候大会时在法国宣布了中国的减排承诺，目前来看磷酸铁锂电池在全国汽车行业大规模开始应用，在这种情况下将来磷酸铁锂电池淘汰下来之后该如何使用成为了一个大的问题。循环经济从目前来说我们国家相应的贵重金属以及相应的能源并不乐观，所以从几方面来说加上我们将来大量的退役电池报废可能会对环境造成极大的污染，所以如何利用和使用这些报废的电池和淘汰下来的电池使，使它能发光发热甚至利用它的残余价值为我们做事情是我们的目的和目标。

我讲的第二部分是梯次利用的技术方案。这是铁塔在相关领域当中做的尝试，尤其是基站领域做出技术方案和使用方式的探索，在这个过程当中我们大概目前已经走了1-2年的时间。我们所说的梯次动力电池的利用是指在电动汽车上退役的磷酸铁锂电池的二次使用。从使用上来讲，刚才主持人已经介绍过了，磷酸铁锂电池在使用当中和铅酸电池有一些区别，那么它有它的优势。从右边的表来看它的循环寿命是远远高于铅酸电池的，目前通信行业所使用的铅酸电池它的循环次数往往在200次以内，铁塔目前检测的指标达到符合铁塔使用要求的铅酸电池100%DOD充放循环次数是100次。我们的磷酸铁锂电池从单只的循环放电次数来说目前很多厂家可以做到四五千次，成组来说虽然有一个比较大的下降，这个规模也就是循环的次数来说也是在千次级的1000-2000次的水平，所以循环寿命次数是要远远高于铅酸电池的。铁锂电池相应的能量密度比以及大电流放电特性还有绿色环保方面也优于铅酸电池，相对来说它的质量比能量、体积比能量、功率等等这些指标要远远高于铅酸电池，也就造就了它能够在空间狭小的环境当中快速布放，因为体积小同时重量也相对轻很多。同时由于使用温度上来说它相对比铅酸电池要宽一些，所以使用的场景受限性小一些，这也就是它的优势所在。

这张表是锂离子电池容量倍率特性的曲线表，实际上从我们整个的表来看它放出的容量是要远远高于铅酸电池的，而且使用的环境温度也要优于铅酸电池，这也就是我们通信行业在近十年当中一直摸索使用想在某些场景当中用磷酸铁锂电池替代铅酸电池的思路。毋庸置疑的是磷酸铁锂电池包括其他类型的锂电池也有它相应的问题，首先从安全性上讲高低温对电池的安全性是有很大影响的。低温性能在低温环境下锂离子电池的容量会急剧降低电池内阻增大，电池充放电时负极材料折出形成了金属单体锂，形成了锂枝晶。随着在低温下循环次数的不断增加，锂枝晶的范围不断扩大，有可能会穿刺电池内部的正负极，使电池发生内部短路现象导致电芯熔化电池着火和爆炸等安全问题。这是低温下的情况。高温环境下高于55度时锂离子电池的容量衰减速度非常快，也就是说我们的锂离子电池实际上并不是在所有的高温情况下都是耐适用的，它的耐适高温也是有一个范围的。在55度下的场景当中衰减相对慢一些，但是超过55度那么相应的电池内部一旦温度大于90度固体电解质发生分解加速了化学反应会导致电池热失控发生，因此铁锂电池在高低温的环境当中是要有适用的温度范围的。

过充点对电池安全性的影响也是毋庸置疑的。锂离子电池在过充电过程中大量的锂从正极材料当中脱离出来，电池的电压和温度在很短的时间内快速上升释放出大量的热，当电池达到一定的电压时电解质溶液就会发生氧化分解反应，剧烈的化学反应放出大量的热量可能会产生热失控现象进而发生燃烧和爆炸的安全事故。而且在行业内，这种事故也是有些发生的，只是因为影响面不是太大所以没有造成大规模的影响。

同时过放电对电池安全性的影响也在我们研究的范围之内。锂离子电池过放电是指在放电过程中放电电压超过了电池额定放电的截止电压，电池过放电可能会导致电池容量的衰减，电池发生内短路，电池温度出现异常出现热失控等安全问题；而外部短路这个就是意外情况下造成的，那么在使用过程当中比如运输中电池组线路老化、振动和碰撞等情况下发生的短路，发生外部短路的时候电池处于持续大电流放电状态内部温度快速上升可能造成电池失效，严重时会导致电池的热失控。

这是我们当时和很多业内厂家一起研究和发掘的技术应用方案。梯次利用的方案目前来说可以分为两大方案。第一种方案是将退役动力电池进行集中拆解电芯集中筛选重新组成标准化模块，上面这个模式。第二个方案是在退役动力电池基础上直接改造使用，下面的模式。我们下面这个模式拿来的电池不拆，在电池的前端加装相应的DC或者AC转换器，DCDC转换器或者DCAC转换器把它直接接入开关电源当中使用作为备用电源。

这是对两种技术方案流程的分析，。大家可以看到，实际上对这两种方案来说其实我认为要求都不低。第一个方案来说我们要首先进行拆解，拆解之后筛选合格的电池把它再进行容量分组之后制作成模块组成常规使用的铁锂电池，而下面这个方案出厂之后直接连接我们的DCAC或者DCDC作为输出电源来使用，这个方案看上去简单其实前一步的要求非常高，也就是大数据选配这一点要求电池整个的使用生命周期当中数据可追溯，所以实际上从这一点来说对整个生产工艺和整体流程要求也是非常高的。

这是我刚才说到的两个方案分析和对比的优劣势。从目前来说，方案一质量是能够得到保证的，因为它是经过二次筛选的，但是存在拆分之后单体人工成本会增加，对我们的预期是有影响，我们考虑是梯次利用希望产品便宜是我们的出发点。这个产品可能大型的配组相对困难一些。方案二从生产的角度来说，就是从梯次利用的角度来说的确方案相对简单容量也高可以直接把它作为储能电池用，但是就是我刚才强调的问题因为需要做相应的筛选对前期铁锂电池厂家的要求是很高的，我的出厂入厂包括动力汽车上的应用情况是要有大数据作为基础才能使用的。同时这个东西我们生产出来的模组都是不统一的，因此安装的空间包括体积大小没有办法做严格的标准化规定，所以这种产品可能生产出来会千差万别，不适宜我们在今后的发展。为什么呢？今后的发展可能就是小型化了，很多的设备都在柜子里或者箱子里空间很受限，这种情况下如果这种产品体积又大、使用空间和环境又又没有办法标准化的情况下这种产品可能只能用在传统的宏站当中空间比较大的情况下使用，小的场景这种方案就不适合了。

第三部分是铁锂电池梯次利用我们做相关应用评估和分析。这是初期高总组织的在一些省份和厂家参加试点的情况，大概组织了57个测试站点有10个厂家进行了参与。实话实说，因为这个数据是后来测试出来的结果，然后包括我们也请了我们泰尔实验室（音）的同志帮我们进行了相应的样品测试分析。测试出来的数据颠覆了我的三观，为什么这么说呢？感觉它比我当时2014年离开铁塔之后电池的水平一下上升了飞跃的台阶，因为我理解这是已经用过的动力电池，有这么好的表现甚至超过了原来大部分行业内新电池的水平，这一下颠覆了我的三观，所以我一开始对这个数据很惊讶，经过分析之后我认为可能有两种情况。一种情况是动力电池没使多长时间铁塔需要就拿来给我们做测试了，另一个是不是新电池我不知道，所以从目前来看不管试验数据是不是有一定的水分在里面，但是我认为从二次利用的价值来说铁塔需要的是千次左右的循环，从这个曲线来看70%容量衰减到50%的阶段循环次数在千次左右还是可以实现的，从放电曲线的趋势来看。因此我还是认为这个方案是可用的，就是说我们在电动车上报废下来的电池在基站当中还是大有可为的。

这是我们在黑龙江地区使用的一种方案，这个方案是我刚才说到方案二的情况。也就是说我们在前端装了一个转换装置而使用的大电池包，也就是说我们在前期加DCDC转换设备直接把它引到了开关电源的交流侧，把它作为一种备份油机或者备份市电的方式接入当中，实际效果的确比较好。从实际效果来看这组电池的使用寿命很长，当时有一个测试数据来看当时基站断电之后坚持了20个小时，之后油机才上站对它进行了补发电。这是梯次回收的渠道和费用分析，目前来说我们初步尝试和分析大概有这么几种方式。第一种回收方式是统一招标的回收方式，优点是集中处理发挥铁塔的规模效益获得较好的性价比服务，同时采购梯次电池成本会比较低。但是缺点是会受下游回收市场变化影响大，定价能力偏低。第二种方式像我们现在跟行业内的铅酸电池厂家签的协议是一种情况，我们要求提供电池的厂方做相应的回收，我们用完了之后仍由这些提供电池的厂家把这些电池收回去。初始阶段确定了回收消除了我们的顾虑，这是从我们的角度来说。但是对于电池厂家来说他的实力要求包括回收成本还有等等一系列的问题可能会对厂家有很大的影响。最后一种方式以租代售产权不转移，分期付款、资金压力小、产品所有权不在铁塔无回收压力，缺点就是改变原有采购体系内部要协调资源需要适应新型的服务，这个方案实际上很多的厂家也跑到我那沟通过，跑到高总那也沟通过相应的思路。其实请大家理解的一点，我们是国企，在这个方案上头很多的财务路线和管控路线是不好走通的，实际上这不失为一种选择，但至少目前整个体系来说这条路不太好打通。从目前来看我们所期望的，因为如果将来梯次利用电池利用效果好我们所期望的价格是希望它能够成本价格降到至少和铅酸电池骑平，这个铅酸电池既包括现在常规使用普通的铅酸电池也包括将来要采购的高温铅酸电池这种种类的电池，希望它的价格能够控制在铅酸价格以下，否则我们认为利用率就不是太高，为什么呢？因为如果这样可能在某些场景我采用新的铅酸电池会更理想一些，因为那样减少了我们的维护成本。

从技术方面总结业内的专家们已经有所共识，实际上在基站当中使用磷酸铁锂电池在很多场景当中是有应用场景的，只是在管控和安全性方面需要加强，让他们在一个可控的范围内进行操作。经济性方面刚才我已经介绍了，我们希望能够把它做到又便宜又好，这样可能铁塔的采购规模会逐步扩大这方面的适用。因为这样来说对于铁塔来说是一个重资产公司，那么这方面会使公司整体得利。我今天的介绍就是这些，谢谢大家。