淺析梯次鋰電池在太陽能路燈中的應用

朱明海，吳戰宇，黃 毅，周壽斌，姜慶海

(華富(江蘇)鋰電新技術有限公司，揚州 225600)

0 引言

太陽能路燈作為可再生能源的一種典型應用，其電能來源于取之不盡的太陽能，以低壓直流的方式供電，具有節能、安全等優點[1]。與太陽能路燈配套的儲能系統的電壓等級在DC 12～24 V，容量為10～100 Ah，需考慮為3～5天的陰雨天備電；放電時率低于20 h率；日放電深度不足30%DOD。這類儲能系統屬于典型的低壓、低容量、低倍率、淺放電型，主要采用鉛酸膠體蓄電池、磷酸鐵鋰電池(下文簡稱“鋰電池”)等。鉛酸膠體蓄電池由于比能量低，適合地埋式安裝，這樣不僅增加了電纜成本和線路損耗，安裝施工復雜、運輸費用高，還存在電池被盜、進水等風險。而鋰電池由于價格原因，市場推廣進程緩慢。

電動汽車產業作為我國重點發展的七大戰略性新興產業之一，具有重要的戰略意義。而與電動汽車配套的動力電池的性能會隨著使用次數的增加而衰減，當其性能下降到初始性能的80%時，續行里程已不能滿足消費者的出行需求，將達不到電動汽車的使用標準。此時若直接報廢，既會造成資源浪費，又會給社會帶來環境和安全隱患。但按照“先梯次利用后再生利用”的原則，將電動汽車的退役電池進行拆解、分容后，重組成梯次鋰電池，可應用于對鋰電池性能要求低的場合，如儲能系統、備電系統等領域，開展蓄電池的再利用，可實現資源綜合利用和效益最大化[2]。因此，本文依據上述原則，通過實驗對退役的電動汽車鋰電池應用于太陽能路燈儲能系統的可行性與經濟性進行了研究。

1 實驗

1.1 實驗材料

1.1.1 電芯的選取

本實驗采用電動汽車退役的32650磷酸鐵鋰圓柱電芯(下文簡稱“32650電芯”)。

1)電芯需無漏液、無生銹，外表的PVC膜應包覆完整、無破損。

2)在50%SOC荷電態下，電芯的交流內阻為7～10 mΩ，開路電壓≥3.20 V。

3)電芯的10 h率容量≥5.0 Ah[3]。

1.1.2 電池管理系統

4串電池管理系統(BMS)保護板的工作電流≤10 A，其單體均衡電壓為3.60 V±30 mV，導通內阻≤12 mΩ，單體過充保護電壓為3.80 V±30 mV，單體過充恢復電壓為3.60 V±30 mV，單體過放保護電壓為2.50 V±30 mV，單體過放恢復電壓為2.70 V±50 mV，充放電過流保護為15±2 A，充放電保護延遲時間為1.0±0.5 s，工作狀態自耗電≤40 μA。

1.1.3 其他

實驗中涉及到的印刷電路板PCB、外殼等材料均是根據華富(江蘇)鋰電新技術有限公司(以下簡稱“華富公司”)原材料技術標準的要求采購的。

1.2 梯次鋰電池的制作

梯次利用的核心技術環節包括電池包拆解、余能檢測和狀態評估，以及匹配再集成等，所需的技術含量較高。這樣做是為了提高電池模塊梯次利用的安全性和一致性，以達到再利用的標準。

1.2.1 電芯配組

1)單體電芯的外觀需整潔，無明顯變形，無機械損傷，正負電極便于連接和緊固。

2)組成同一組的電芯需來自電動汽車的同一鋰電池模組，且化學成分、類型、結構、規格尺寸皆應相同。

3)需滿足的靜態標準為：同組電芯內的電芯交流內阻差≤1 mΩ、開路電壓差≤10 mV，單體電芯間容量差≤1%標稱容量。

4)需滿足的動態標準為：充放電測試過程中，同組電芯充電末端最高電壓與最低電壓差ΔV充≤50 mV；放電末端最高電壓與最低電壓差ΔV放≤100 mV[4]。

1.2.2 電芯重組

再次檢查電芯的外觀是否無異常，將32650電芯按照“6只并聯再4組串聯”的方式組裝在專用塑料支架上，并壓平整。將整形好的電池模組裝在扣好鎳帶的焊接模具上，采用自動點焊機焊接。根據HFGZ-1230-3電池裝配圖的要求，采用PCB電路板、無鉛焊錫工藝焊接主電路，再接插BMS保護板控制電路。電池模組經粘貼青稞紙、EVA膜、PVC熱收縮膜等絕緣和包裝處理后，得到2塊12.8 V、30 Ah的太陽能路燈用梯次鋰電池，將其編號為1#和2#電池[5]。

將華富公司現行量產的全新儲能型32650電芯，采用與上述電池相同的技術標準和工藝路線生產2塊12.8 V、30 Ah的太陽能路燈用鋰電池作為對比電池，將其編號為3#、4#電池。

1.3 性能測試方法

采用由深圳市恒翼能科技有限公司生產的高精度HYN-10A/12V-24V動力電池綜合檢測柜對鋰電池進行性能測試。

1)完全充電方法：在環境溫度為25±2 ℃的條件下，限流6.0 A進行充電；當鋰電池充電電壓上升至14.4 V時，保持14.4 V恒壓充電；直到充電電流逐漸下降到0.6 A時，停止充電。

2)不同放電倍率時的容量測試方法：在環境溫度為25±2 ℃的條件下，完全充電的鋰電池分別以6.0 A(放電倍率為0.2C)、15.0 A(放電倍率為0.5C)、30.0 A(放電倍率為1.0C)電流恒流放電至終止電壓為10.8 V時，記錄此過程的放電時間。

3)壽命測試方法：①完全充電的鋰電池在環境溫度為25±2 ℃的條件下，以6.0 A電流放電至終止電壓為10.8 V后；②重復①的測試步驟，直至連續3次的容量效率都低于70%時，測試停止；③記錄電池的循環次數。

2 結果與討論

2.1 同組配組率

早期電動汽車用動力電池主要以鋰電池為主，由于無相關行業標準進行規范，導致各廠家產品的規格尺寸、編碼信息各不相同，這給退役電池的拆解分類帶來了困難；而同廠家、同批次退役的鋰電池，由于存在使用環境、車載負重、充放電倍率、放電深度等工況差異，即使單體電芯余能檢測的剩余容量相同，梯次利用的衰減特性也不盡相同[6]。

保證組成梯次鋰電池中的單體電芯的再利用周期的一致性是實現梯次利用的關鍵因素，這將直接影響梯次鋰電池的使用壽命和后期的運行維護成本。以1組退役的鋰電池容量為50 kWh測算，其可以拆解成32650電芯2700只左右。不同能量時梯次鋰電池的配組率如表1所示。

表1 不同能量時梯次鋰電池的配組率Table 1 Matching rate of cascade lithium battery under different capacities

從表1可以看出，梯次鋰電池的能量越高，配組率越低，48 V、100 Ah梯次鋰電池的配組率僅為11.1%；而作為太陽能路燈常用配置的12.8 V、30 Ah梯次鋰電池的配組率高達80.0%，由于太陽能路燈用儲能系統的電池屬于低電壓小容量型，因此很適合采用該規格的梯次鋰電池。

2.2 容量測試

圖1 鋰電池在不同放電倍率時的放電容量、容量保持率及溫升Fig.1 At different discharge rate，discharge capacity，capacity retention and temperature rise of lithium batteries

圖1為1#～4#電池在不同放電倍率時的放電容量、容量保持率及溫升的柱狀圖。由圖可知，在0.2C放電倍率時，1#～4#電池的放電容量、容量保持率及溫升基本一致；隨著放電倍率增大，相較于3#、4#電池，1#、2#電池的放電容量與容量保持率逐漸降低，溫升逐漸升高。這主要是因為隨著梯次鋰電池的正極活性鋰離子和負極表面碳的損失及電解液粘度的增加，其極化內阻增大，且極化內阻和電池的放電倍率呈非線性正相關[7]。測試數據表明，梯次鋰電池的放電倍率在0.3C以內是較為合適的；若太陽能路燈按照每天6 h的亮燈時間、3～5天的陰雨天設計，梯次鋰電池的放電倍率為0.033C～0.056C，遠低于0.3C的放電倍率。太陽能路燈的儲能系統很適合采用梯次鋰電池，因為它的放電倍率小，放電時間較長，對指標的要求不是那么高。

2.3 壽命測試

梯次鋰電池的循環壽命取決于其單體電芯間的均衡性，采取同組配組工藝可以保持單體電芯的使用壽命的一致性，這樣采用梯次利用的鋰電池的生命周期劣化規律才能盡可能保持一致[8]。圖2為1#、2#鋰電池在0.2C放電倍率、100%放電深度(100%DOD)時的循環次數曲線。以鋰電池連續3次的容量效率低于70%作為其壽命終止，圖2中1#、2#電池分別做了460次和490次循環。太陽能路燈通常按照3～5天的陰雨天設計儲能電池容量，儲能電池的日放電深度低于30%DOD，因此梯次鋰電池可以滿足太陽能路燈4～7年的使用壽命。

圖2 1#、2#鋰電池在0.2C放電倍率、100%DOD時的循環次數曲線Fig.2 Cycle times of 1#，2# lithium battery under 0.2C and 100% DOD conditions

2.4 性價比

梯次鋰電池能量密度高，可以直接安裝在太陽能路燈的光伏組件背面，與搭配鉛酸膠體蓄電池的太陽能路燈相比，梯次鋰電池縮短了供電距離，減少了線材成本及線路電量損耗；避免了繁瑣地組裝工作，節省了昂貴的安裝施工和運輸費用；避免了電池被盜及受潮等風險。

太陽能路燈用梯次鋰電池的市場價格約為0.69元/Wh，綜合考慮1.1倍的設計裕量、10%的報廢殘值，梯次鋰電池的價格約為0.68元/Wh，該價格僅約為市場上常規鋰電池價格的一半。按照相同的電池容量和利潤，考慮1.5倍的設計裕量和25%的報廢殘值，太陽能路燈用鉛酸膠體蓄電池的綜合價格約為0.70元/Wh。綜上，在太陽能路燈用儲能系統中，與常規鋰電池、鉛酸膠體蓄電池相比，梯次鋰電池的綜合性價比最高。

3 結論

退役的電動汽車動力蓄電池的回收再利用，事關我國新能源汽車產業的健康持續發展，從國家到地方層面，在政策、制度和標準上進行了頂層設計，已開始布局閉環產業鏈。太陽能路燈用儲能系統，由于單個能量小、充放電倍率低、放電深度淺，非常適合應用梯次鋰電池；通過容量測試、壽命測試及性價比等分析，充分驗證了梯次鋰電池應用于太陽能路燈儲能系統的技術及經濟可行性。