退役動力蓄電池梯次利用現狀、問題及對策

文/中國汽車技術研究中心有限公司 數據資源中心 吳 蒙

1 引言

為促進汽車產業轉型升級，培育發展新動能，我國高度重視新能源汽車產業發展。2009-2012 年，我國新能源汽車共推廣1.7 萬輛，裝配動力蓄電池約1.2GWh，2013 年以后新能源汽車大規模推廣應用。在政策和市場環境的雙重因素作用下，我國已成為全球新能源汽車產銷大國，市場也由“培育期”逐漸進入“成熟期”。截至2018 年底，我國新能源汽車累計總產量超300 萬輛，累計總銷量超290 萬輛。2019 年1-9 月，新能源汽車產銷分別完成88.8 萬輛和87.2 萬輛，同比分別增長20.9%和20.8%，全國新能源汽車保有量超340 萬輛。新能源汽車產業的快速發展，帶動動力蓄電池裝配量的快速上升。據行業專家從企業質保期限、電池循環壽命、車輛使用工況等方面綜合測算，2019 年新能源汽車的動力蓄電池將進入規模化退役，預計到2020 年累計將超過20 萬噸（24.6GWh），如果按70%可用于梯次利用，大約有累計6 萬噸電池需要報廢處理[1]。

圖1 2011-2018 年中國新能源汽車產量及銷量規模

新能源汽車的動力蓄電池性能要求較高，當電池容量衰減至初始容量的80%以下時，將難以滿足車輛的動力需求，但仍然可以滿足其他的性能要求較低的應用領域。對退役動力蓄電池（以下簡稱“退役電池”）進行梯次利用，一方面可以實現動力蓄電池全生命周期的價值利用最大化利用，創造更多經濟價值，在一定程度上降低新能源汽車產業鏈的總體成本，有利于更好地培育新能源汽車市場發展；另一方面，延長了退役電池的回收及處置周期，減少了廢棄物的排放，大幅降低了退役電池回收處置的環境壓力，更加符合國家綠色環保、循環、低碳生產方式的總體要求。

2 梯次利用研究進展

2.1 梯次利用技術研究進展

近年來，退役電池梯次利用已成為業界研究焦點，國內外研究機構、企業等在多個方面開展了相關研究，主要集中在構建退役電池梯次利用殘值計算框架、退役電池重組成本計算、退役電池電網儲能應用經濟性及市場潛力評估以及退役電池梯次利用技術測試等方面。

Tong 等將退役鋰離子動力蓄電池用在光伏離網電動充電系統中，并通過數值模擬和實驗驗證來分析系統的性能。美國阿貢國家實驗室（ANL）研究量化評估了退役鎳氫動力蓄電池的儲能容量衰減規律，并發現退役的鎳氫動力蓄電池在公共事業公司負荷管理、工商業非道路特種車輛、不間斷電源（UPS）等三類梯次利用場景下較鉛酸電池有更好儲能效果；美國Sandia 國家實驗室（SNL）的研究分析了退役電池的再應用成本，并構建了相應的經濟性分析模型，并分析梯次利用效果的關鍵要素包括電池模組的標準化、重組電池模塊的人力成本、電動汽車用戶參與電池二次利用的激勵機制、電池容量保持率預測精度因素，而電網運行支撐、工商業/居民負荷跟蹤及通信基站備用是電池梯次利用在近期有望實現應用場景。美國電力科學研究院（EPRI）的研究對比了鉛酸、鎳氫、鋰離子及鋰聚合物電池在電力系統、通信基站、UPS 電源等領域的應用前景。美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）分析認為退役電池的回收及運輸環節所導致的成本可達100 美元/kWh，在梯次利用總成本中占比最高[3]。

2.2 退役電池梯次利用流程

退役電池一般存在一致性較差、性能衰減等問題，需要對退役電池進行篩選，通過容量、內阻、自放電率、荷電狀態等調整，確保參數一致再進行重組，將有助于保證梯次利用電池的性能。

2.2.1 單體電池篩選

目前，梯次利用行業對于退役電池的篩選主要測試篩選和大數據篩選兩種方式。

測試篩選：主要包括外觀篩選、靜態開路電壓測試、內阻篩選以及自放電率篩選，包括使用納米CT 技術對電池單體內部三維結構進行定性和定量分析，并通過電池的外部化學參數來分析電池內部性能狀態。近年來，也有發展出一些新技術，如接觸式的超聲無損檢測技術，可通過超聲信號與化學性能的關聯或者直接掃描，實現對電池單體荷電（SOC）和健康狀態（SOH）的快速高精度實時檢測。

大數據篩選：新能源汽車生產或電池生產企業一般都會對運行的新能源汽車進行實施監測，對單體電池電壓、SOC 等指標進行監控和分析。根據監控數據分析即可發現問題單體電池或問題單體電池所在的模組，將其篩除后，可不需要再根據電壓、內阻、自放電率重新分選，能夠大幅降低退役電池的處理時間和處理成本[2]。從國內外技術發展趨勢來看，通過大數據進行篩選和評估是較為科學、經濟的方式，也是行業努力的方向。

2.2.2 電池重組

電池重組包括單體、模組及整包重組。單體電池重組方式是根據分選后的單體電池容量、荷電狀態、內阻、自放電率進行重新配組，保證整組電池的一致性。模組重組方式是將退役電池拆解至模組狀態，通過大數據篩選方式篩除包中一致性差或含有故障單體的模組，剩余的一致性較好模組可直接組合為模組。由于退役電池包、模組無損拆解難度大、耗時長，目前行業也在重點研究整包級別的重組梯次利用。

2.2.3 梯次利用電池安全保障

不同類型的退役電池的單體、模組、系統等在不同工況下運行，性能劣化程度不相同，對梯次利用電池要在產品篩選、設計及控制策略策略等方面均做好安全保障。

在檢測分選方面。通過檢測或大數據分析等方式對退役電池的外觀、電壓、內阻、容量、自放電率等多項技術指標進行篩選，并對同一批次、同一狀態退役電池或電池模塊進行安全性抽檢，保障梯次利用電池的安全性。

在產品設計方面。要充分考慮退役電池管理系統系統的復雜性，因此在梯次利用電池成組設計方面，要充分考慮模組整體的安全性設計，重點考慮模組的絕緣強度、防護等級、元器件選型、阻燃性設計、BMS 帶載能力等關鍵技術因素，搭載溫度預警系統，以及增加熱量管理和高壓監控等安全性組件。

在控制策略方面。如在通信基站應用時，電池組長期處于無人值守的浮充狀態，并且BMS 和開關電源等直流電源之間沒有通信，一旦BMS 保護失效，梯次利用電池將面臨充放電保護失效的風險。因此，應根據梯次利用電池組運行的實際工況，制定合理有效的充放電控制及故障保護策略。

3 梯次利用現狀

3.1 國內梯次利用進展

目前，包括中國鐵塔公司、國家電網、汽車及電池生產企業等在梯次利用研究與應用方面取得了一定進展，但仍然屬于探索階段，尚未形成完整的產業鏈。

通信基站備電：通信基站備電是目前梯次利用主要領域之一，已經初具規模。中國鐵塔公司已在全國31 個省市約12 萬個基站使用梯次電池約1.5GWh，替代鉛酸電池約4.5 萬噸[7]。中國鐵塔公司目前有約200 萬個基站，按單站電池容量需求約30kWh 測算（1 輛新能源汽車退役電池約62kWh 可梯次利用容量），該公司未來可能消納約200 萬輛新能源汽車的退役電池。

電網儲能：國家電網在北京大興建設了100kWh 梯次利用錳酸鋰電池儲能系統示范工程，在張北建設了1MWh 梯次利用磷酸鐵鋰電池儲能系統示范工程，組建了退役電池分選評估技術平臺，制定電池配組技術規范，研制了高效可靠的電池管理系統[7]。國網河南公司聯合南瑞集團、電池生產企業等單位，建成梯次利用儲能示范工程，在全國率先打造了一套退役動力鋰電池從分選、重組到儲能利用的規范化流程。

低速車等：國網浙江公司等企業探索將梯次利用電池應用于電動自行車或低速車領域，并于2013 年編制完成了《動力鋰電池電動自行車梯次利用技術方案》，對新能源汽車退役電池進行重組，用于48V 電動自行車的動力電源。無錫格林美與順豐公司探索將梯次利用電池用于城市物流車輛，中天鴻鋰等通過“以租代售”模式推動梯次利用電池在環衛、觀光等車輛應用[7]。

3.2 國外應用情況

歐美日等國家和地區的退役電池梯次利用探索起步較早，但是由于退役電池數量較少等瓶頸性問題，大多數處于小規模試驗應用階段，少部分實現商品化。當前，這些地區梯次利用的特點是以汽車生產企業牽頭為主，應用領域側重于儲能領域。

日產汽車與住友集團合資成立了4R Energy 能源公司，開發了家用和商用儲能梯次利用產品；豐田公司將凱美瑞的退役電池用于黃石國家公園設施儲能供電，重新設計了儲能電池管理系統，將電池使用壽命延長2 倍。通用汽車與ABB 開始合作試驗如何利用雪佛蘭Volt 沃藍達的電池組采集電能，回饋電網并最終實現家用和商用供電。2015 年，博世集團、寶馬和瓦滕福公司就動力鋰電池再利用展開合作項目，該項目利用寶馬ActiveE 和i3 純電動汽車退役的電池建造2MW/2MWh 的大型光伏電站儲能系統[2]。韓國政府、汽車生產企業近年也在積極介入梯次利用領域，韓國貿易、工業和能源部支持在濟州島新建動力蓄電池回收中心，并計劃于2020 年啟動回收利用研究及測試等工作。現代汽車集團與芬蘭能源企業瓦錫蘭集團合作共同開發梯次利用電池儲能系統（ESS），并正在現代制鐵唐津工廠利用現代汽車和起亞汽車的退役電池試點建設1MWh 儲能系統設備[4-6]。

4 當前存在的主要問題

4.1 經濟性優勢不明顯

當前，梯次利用的一個主要問題是退役電池數量少。市場上的退役電池大多來源于2012 年“十城千輛工程”期間推廣的新能源汽車，由于當時回收體系還不完善，企業也沒有規范的處理方案，存在電池退役后企業庫房擱置待處理或者不規范處理等情況。此外，由于前期的部分動力蓄電池質量不穩定，也使其退役后缺乏梯次利用價值。可梯次利用電池數量較少，導致梯次利用難以形成規模效益。由于新能源汽車以及動力蓄電池設計中并未考慮梯次利用，如動力蓄電池之間多為鎳條激光焊接連接，增加了退役電池的拆解、分選和成組的難度，這些都推高了梯次利用成本。

4.2 技術問題有待解決

梯次利用當前在電池拆解、剩余壽命預測、系統集成及安全可靠性保障等方面均有存在問題需要解決，這些瓶頸問題如果不能有效解決，梯次利用產業化將難以實現。

4.3 產業鏈商業模式還未形成

梯次利用產業鏈是新能源汽車產業的延伸，涉及到的產業鏈各方面主體非常多，包括新能源汽車用戶(個人或商業運營單位)、汽車生產企業、動力蓄電池生產企業、報廢機動車回收拆解企業、梯次利用企業、再生利用企業以及梯次利用電池的用戶，其中的價值分配是十分復雜的問題。如果梯次利用僅有梯次利用企業獲利，則新能源汽車用戶、汽車生產企業、動力蓄電池生產企業及報廢機動車回收拆解等企業均缺乏動力去參與和推動梯次利用，將導致在退役電池的回收階段就無法形成商業渠道。對于梯次利用電池，由于其是退役電池“再造”形成的產品，其性能、壽命、可靠性、安全性等尚未經過市場考驗，銷售和使用方面需要有更多商業模式上的探索，如分期付款、分時租賃等。梯次利用企業作為梯次利用電池生產企業，也需要承擔生產者責任，對報廢梯次利用電池進行回收，保障其安全、環保處置。從目前探索的方向看，梯次利用場景有通信基站、電網儲能、電動三輪車、電動摩托車等，也有移動電源、車載冰箱等較為零散的消費領域，這就導致梯次利用電池的回收勢必會存在更加復雜的情況，回收體系和模式需要多樣性，對梯次利用企業的能力提出更高的要求。

表1 梯次利用關鍵技術問題

4.4 政策標準保障尚有不足

對于退役電池梯次利用，國家有關主管部門已陸續發布的《電動汽車動力蓄電池回收利用技術政策（2015 年版）》、《廢電池污染防治技術政策》、《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業規范條件》及公告管理暫行辦法、《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》等政策，不同程度對于梯次利用提出了原則性要求，但是尚未有針對性的管理措施。在技術標準方面，目前已發布的涉及梯次利用的國家推薦性標準有三項，涉及拆解、梯次利用電池編碼以及余能檢測，梯次利用要求等相關國家、行業及團體標準的研制、發布工作也在加快推進中，但是梯次利用不同領域的產品性能、檢測等其他類型標準還遠未對規范梯次利用構成完善的體系化支撐。

5 對策思考

退役電池梯次利用發展潛力較大，市場前景廣闊，受到行業的關注。但是，從行業發展環境、技術成熟度、產業鏈商業模式及政策保障等現狀來看，梯次利用產業發展還存在一些問題亟待解決。要實現梯次利用產業的可持續發展，需要在管理制度、政策引導和發揮市場機制作用方面采取相應舉措：一是需要政府層面加強制度設計，推動完善相關管理制度和標準體系，培育公平、健康的市場環境；二是需要產業鏈各環節相關企業能夠加強合作，通過成立產業聯盟等方式探索、打通行業數據信息壁壘，形成新型商業模式；三是通過試點等充分發揮中國鐵塔公司、國家電網等企業在通信基站、電網儲能等規模化梯次利用領域的帶頭作用，引導梯次利用企業開發面向以上領域的梯次利用電池產品，培育規范化、規模化、高值化發展的梯次利用產業；四是通過專項資金渠道等多種方式支持行業技術服務機構等第三方發揮平臺作用，推進產學研用合作，加強關鍵共性技術的研究與推廣應用。