鋰離子動力電池梯次利用的研究與應用進展*

來文青，王永紅，石海鵬，燕思潼，張倩然

(1 國網內蒙古東部電力有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010；2 國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010000)

近些年，全球的新能源汽車市場突飛猛進。據第一電動網數據，2019年全球銷量221萬輛。能取得如此突出成績，中國市場扮演著至關重要的角色。2019年中國市場銷量達120萬輛，全球占比超5成。但由于2020年初的全球新型冠狀病毒疫情的影響及國家補貼政策的逐步減少，新能源汽車銷量或將發生斷崖式下跌。

據中國新能源汽車網數據，如圖1所示，2019年中國動力電池裝機量62.2 GWh，同比增加9.3%。正極材料類型中三元材料和磷酸鐵鋰材料仍占主體地位，三元電池將成為主流動力電池。

圖1 近幾年我國動力電池裝機量Fig.1 Installed capacity of power batteries in China in recent years

按照乘用動力電車電池使用壽命為8年和商用使用壽命5年來估算，之前裝機的動力電池陸續在2018-2025年進入退役期，預計2022年將達到32.94 GWh[1]。由此帶動動力電池回收市場高速發展，樂觀估計，我國動力電池回收利用市場規模，2020年將達到110億元，到2025年將達到380億元[2]。

此外，新能源汽車動力電池的各項性能隨著日常的使用而衰減[3]。為保證新能源汽車日常安全使用，當動力電池性能衰減到原動力電池的80%時必須進行退役，但退役動力電池仍具有較高的剩余價值。

退役動力電池回收再利用分為梯次利用和拆解回收，如圖2所示。梯次利用是指將退役電池，進行回收、篩選、再利用于其他領域。典型用于儲能領域，如風光儲能、削峰填谷、備用電源、家庭電能調節等[4]。目前70%以上回收的退役動力電池用于梯次利用，這樣可以緩解回收壓力、降低環境污染、提高資源利用，提升經濟效益，是目前最有前景、潛力巨大的新興行業[5-6]。

圖2 退役動力電池回收過程Fig.2 Recovery process of retired power battery

因此，本文擬對退役動力電池梯次利用國內外技術研究進行闡述，從電池評價和應用角度分析了電池梯次利用技術的可行性，指出其中仍存在的問題并進行展望。

1 動力電池退役標準

通常將初始剩余容量的70%～80%設置為電池首次壽命的安全閾值，并將其作為動力電池的通用退役標準[7]。然而，從電池在二次利用后，報廢標準是否符合這樣的標準仍不確定，其適用性仍存在疑問。

對于消費者而言，對電池使用具有合法權益，為了保證利益最大化，電池退役很可能會依據電池退役標準或者保修日期來進行退役。這意味著電池退役時會處于某特定健康狀態或特定時期。倘若動力電池的所有權是新能源汽車生產廠家，很可能在電池不能滿足客戶需求或新能源汽車報廢等情況更換電池。這將導致退役電池具有不同的實際容量和內部電阻值，其循環圈數也不同。

另外，通用的汽車壽命為10～12年，年平均行駛距離是12.5～20×103公里，大多數電動汽車可能會以12～24×104km的行駛距離退役。對于電池容量在20 kW時范圍內的電動汽車，實際行駛里程為100 km，這意味著電動汽車在執行1200～2400次全循環后電池將報廢。如果是更先進的電動汽車，電池容量在40～60 kW時(如特斯拉Modle S)，實際行駛里程大于300 km，需400～800次全循環，才可滿足上述行駛距離。當然，日歷壽命老化也會對10～12年電動汽車使用期間的電池壽命產生重大影響，這比純循環導致的老化更為嚴重，但大多數最先進的電池目前能夠在達到20%的容量損失之前滿足全循環要求。

退役動力電池的健康狀態，決定著其剩余使用價值和市場價格。考慮到電池梯次利用的實際情況，需要對二次電池進行可行性技術評估。

2 動力電池梯次利用技術現狀

與新電池相比，退役動力電池在性能和安全性上都有一定幅度下降，且每個單體電池在退役后的使用程度不同，性能差異較大。所以在梯次利用前，必須開展相關的技術研究。如圖3所示，首先評估退役動力電池狀態和剩余價值，判斷能否梯次利用；其次進行壽命評估及安全性能研究，考慮其合適的使用領域；進一步分析梯次利用各環節成本，進行經濟性技術評估；最后研究梯次利用電池的報廢條件，以確保電池能在不發生安全事故的前提下，發揮最大的電池性能。本工作主要從圖3中的“能否用”和“怎么用”兩個角度，即電池評價和應用角度，來對動力電池梯次利用技術進行詳細闡述。

圖3 動力電池梯次利用的技術體系架構Fig.3 Technical architecture of power battery echelon utilization

2.1 梯次利用電池評價研究

電池的健康狀態決定著梯次利用的技術或經濟可行性，通過二次電池進行評價，使得二次電池相比于新電池，具有更大的使用空間[8-9]。

Tong等[10]監測了電網中磷酸鐵鋰退役動力電池的容量衰減情況，電池在1C倍率，80%DOD的放電深度條件下，進行充放電循環，在達到二次壽命終止時，進行了1400個循環，這相當于在離網光伏新能源充電站上運行將近5.5年。Omar等[11]對兩塊40 Ah LiFePO4電池的第二壽命老化性能進行了分析。兩個電池都在1C-100%DOD的條件下經歷了首次生命周期，直到達到其初始容量的80%(約350次循環)。在首次循環壽命終止時，兩塊單體電池容量及其功率容量保持相似。對于第二次生命周期測試，兩個電池均以1C恒流充電，以2C恒流放電，放電深度80%DOD。容量衰減的演變呈現出其第二壽命的不同階段。在前1000個周期中，兩個電池均顯示出非常相似的線性容量下降趨勢。然后，一個電池的容量衰減顯著加快，而另一個保持穩定的趨勢。通過評估Peukert數的演變，往返效率和兩個電池的內阻，進一步研究了電池之間的這種差異，但是沒有獲得的結果顯示出容量衰減不均等的結論性原因。Baumhofer等[8]對48塊三元電池進行老化循環，條件是2C-60%DOD，直至其剩余容量到達約43%。在第一生命周期中，大約循環1000次后，剩余容量為85%。之后老化行為加速，又進行約750個循環后，剩余容量到達43%，這種現象通常稱為容量跳水現象。

Andoni等[12]解釋了發生容量跳水現象的原因，由于主要的老化機制發生了變化，出于安全原因應立即停用，這些電池既不能用于汽車用途，也不能用于第二次使用。在發生容量跳水后，電池會脹氣鼓包，這種電池安全事件的危險后果甚至在實際應用中更為顯著，在實際應用中，電池在壓力下堆疊以形成電池模塊。同時，電池的二次使用并沒有減慢容量快速下降的趨勢，在這種退化階段的電池幾乎不可能提供穩定且持久的第二次使用性能。在二次電池測試中若考慮退化程度不同的電池，則電池在達到容量跳水前，及時對其重新評價，可以重新使用。

Mohamed等[13]對退役后的EIG公司7 Ah電池單體和18650磷酸鐵鋰電池模組進行了全面的性能分析。結果表明，電化學阻抗譜測試可用于描述鋰離子健康狀態和深度老化機制，可以通過軟件建立等效電路來模擬退役電池，模擬后誤差精度小于2%。此外，Mohamed對退役電池模組運用電池管理系統(BMS)來構建梯次利用實驗裝置，該系統通過監測單體電壓、電流和溫度來保護平衡電池使用。工作原理是使用15歐姆電阻器來均衡電池組電壓，使用低精度精密分流歐姆電阻器(0.25%的精度)測量電池模組電流。

王綏軍等[14]研究了退役動力電池的低溫安全性能。該實驗在-10 ℃、0 ℃和25 ℃環境中進行充放電循環。結果-10 ℃循環后負極極片的表面有鋰枝晶出現，極易刺破隔膜，造成內部短路，導致低溫性能衰減、安全性能降低。因此，不建議在低溫條件進行梯次利用。趙光金等[15]為使退役電池保持一致，利用電池均衡管理技術，提出一種智能分時主動被動協同均衡技術，該技術融合主被動均衡的優點，通過對硬件電路的修改，在不同使用情況下運用不同均衡方式。

綜上所述，對于所研究的鋰離子電池參考，二次使用的技術可行性在很大程度上取決于第一次使用期間的電池老化歷史，電池汽車報廢的時間點以及目標第二次使用的要求。

2.2 梯次利用電池應用研究

早在2011年，Viswanathan等[16]進行了在電力系統中動力電池梯次利用的經濟性研究，該研究分析了梯次利用時不同工況對經濟效益的影響，并提出經濟性收益評估方法。Reinhard等[17]開發了一個具有集成光伏存儲系統的家庭仿真模型，用來研究退役動力電池在住宅應用中負荷轉移和調峰的經濟可行性。Lih等[18]從環保角度研究了退役動力電池梯次利用工藝及成本，估算使用產生的效益率，提出一種用于電網儲能的新型模式。

Machuca等[19]運用數學模型對德國2030年之前事故和報廢車輛的動力電池中可用于梯次利用的電池數量進行了預測，該模型的數據來自德國2010年至2030年新登記的新能源汽車的估計數量、德國汽車的事故率以及汽車的平均壽命，結果表明2030年可用的梯次使用電池總量將在130000節/年至500000節/年之間。若將該模型運用到中國梯次利用市場中，其結果將會帶來極大參考價值。

Martinez等[20]從鎳鈷錳三元鋰電池健康狀態和老化歷史兩個角度，研究在住宅需求管理應用和電源平滑可再生整合應用對電池性能的影響。該研究證明通用的動力電池退役標準(容量保持率在80%以下)不適用于三元鋰電池，在電池達到老化階段后重新使用該電池時，老化趨勢沒有得到減緩。該研究評估了電池老化歷史和健康狀態對電池性能和退化行為的影響，分析了均相和非均相電池組的性能曲線。結果顯示，第一壽命電池老化歷史對第二壽命電池的性能和退化產生強烈影響，所以監控和篩選電池對于梯次利用技術可行性至關重要。

國內研究機構對梯次利用也開展了研究。謝英豪等[21]研究動力電池梯次利用時容量和安全性變化，發現無論是否重組，電池梯次利用時的一致性均比退役前衰退的更快。李建林等[22]采用數學方法對退役電池梯次利用循環測試進行數據擬合，結果表明在平抑波動、削峰填谷領域，退役電池容量保持率大于60%時更具有成本優勢；在接近80%時的備用電源場景成本較低。因此考慮退役電池商業化，必須合理應用退役電池梯次利用適用領域。

在梯次利用研究過程中，電池管理系統對整個電池模組的安全運行、控制策略及充電模式的選擇、監測電池荷電狀態、運營成本意義重大。劉璐等[23]針對儲能動力電池梯次利用時容量衰減不一致的特點，提出100 kWh梯次利用儲能電池安全管理系統，該系統采用離線主動均衡方式進行容量補償，建立系統級安全策略和多級報警策略，對儲能電池多項關鍵參數進行保護。

總之，從國內外多個研究機構從事的梯次利用技術研究工作中可以看出，動力電池梯次利用最關鍵的技術在于電池管理系統和應用經濟性研究。因此，如何高效的進行電池梯次利用，并根據不同電池模組的性能、循環壽命等數據進行系統集成為主要突破點。

3 結 語

本文綜述了新能源汽車鋰離子動力電池梯次利用的研究與應用進展，從電池評價和應用角度分析了電池梯次利用技術的可行性，詳細的探討了國內外研究者的梯次利用研究工作，指出其中仍存在的問題并進行展望。

需要指出的是，退役電池梯次利用領域主導市場以電池企業居多，多數汽車企業投入力度較小，因此很多學者以固定的計算模式來評估梯次利用的可行性，這個方法具有不確定性，應呼吁更多的企業來參與其中，整體行業需要相應大型用戶和高新科技企業做引導研究，才能實現行業產業化突破。

學者對電池老化及容量跳水的機理研究不深入且研究較少，需進一步研究梯次利用動力電池的老化機理及內部結構變化，以滿足實際使用需求。同時，實驗室研究技術應用到大規模工業生產中較困難，實現經濟效益的最大化還有待進一步研究。

總體來看，梯次利用雖然已經引起政府部門、科研機構、部分企業的關注和研究，但還沒有引起大量的資源投入，屬于“藍海”市場。隨著退役動力電池總量的爆發，這一領域所潛藏的巨大商業機遇，必將引起眾多企業積極參與和激烈競爭。新的產品、技術和商業模式在未來都會層出不窮，未來退役動力電池的梯次利用利用產業勢必成為一個新興產業，具有極大發展空間。