退役動力電池的梯次利用技術及經濟效益分析*

蘇慶列，林金海

（福建船政交通職業學院汽車學院，福建 福州350007）

近年來，在關于純電動汽車動力鋰電池的退役回收梯次利用的領域內，取得了大量研究成果。鐘雪虎等[1]列舉了一些典型的廢舊鋰離子電池回收過程，并在研究相對薄弱的電解液回收處理領域做了一些工作。朱國才等[2-3]總結了動力電池在回收利用方面面臨的問題，對退役鋰離子電池回收技術進展進行了綜述，包括預處理、機械化學處理技術、材料修復技術、濕法工藝等。黎華玲等[4]介紹了國內外主要回收工藝技術和傳統技術的困境，著重講解了鋰離子電池精細化拆解流程。夏重凱[5]對動力電池回收拆解市場行情、拆解流程、工藝路線和產線布局進行了依次講解，根據調研回收工藝中的各項生產成本以及產生的收益數據，對獲得的經濟利潤進行了計算分析。

課題組將結合國內退役電池的梯次利用現狀及案例，對退役電池梯次利用過程中的電池分類、篩選、重組、安全性評估以及儲能電池回收等關鍵技術進行綜合闡述，對動力電池退役之后的經濟效益以及不同電池利用特點進行分析。

1 國內關于退役電池的梯次利用現狀

退役動力電池的梯次利用會涉及節能減排、能源安全、國家民生等方面，所以國家高度重視，政府部門相繼出臺一系列的管理政策文件，以推動動力電池回收再利用管理體系、動力蓄電池回收利用標準體系建設不斷完善，為這一項技術應用開辟綠色通道。雖然我國退役動力電池梯次利用發展比較晚，但是有國家的政策支持、企業的社會責任感，國內多家動力電池制造企業先后開展了電池梯次利用技術研究，并取得一定的成果。北京匠心電池和北汽新能源“擎天柱計劃”，打造光儲換電平臺；基于大數據分析的梯次電池監控和新能源車輛評估平臺開展了基于整包級及模組級梯次動力蓄電池應用的項目開發；中航鋰電在電池的梯次利用方面也已經有了系統性解決方案。隨著動力電池梯次利用技術在國內的發展以及國家政策的引導，一些非動力電池制造企業也開始研究退役動力電池的梯次利用技術。

2 退役動力電池分類、安全性評估、篩選及重組

2.1 退役動力電池分類

退役動力電池模塊或電池組必須經過外觀分類、安全檢查、外部特性分類、耐久性測試和其他評估分類過程后，才能進入級聯利用。

常見以梯次利用電池電壓和內阻分類，在非工作狀態下電路無電流流過時，用電表測量所得電池兩接線柱間的電壓值，可將測定電池不同時間的荷電變化狀態作為參考。根據電池的開路電壓，可以判斷電池的荷電狀況，將開路電壓分類放在分類過程的前面可以顯著提高分類效率，為梯次利用分類作一個參考依據。在梯次使用之前手動分類退役的電池時，由于電池開路電壓測試只需要很短的時間，要求儀器調試和數據處理沒有問題，因此，在外觀分類之后，可以淘汰顯然不適合梯次回收利用的電池，先對電池執行開路電壓測試，以消除由于異常開路電壓而明顯不適合用于梯次利用的電池。

2.2 退役動力電池的安全性評估和抽檢

在梯次利用開始之前，必須要完成退役動力電池的安全性評估，評估退役電池的安全性是能否將其用于級聯電池的關鍵因素之一。與新電池相比，退役電池的安全性將不可避免地發生變化，只有通過安全評估，電池才能進入梯次利用領域。

安全評估實驗通常包括過度放電、過度充電、加熱、短路、掉落、針刺、擠壓等。退役電池的安全性測試會永久損壞電池本身，因此，通常采用以下方法：進行安全性評估的抽樣測試。分組采樣：對每一個排序的充電電池取樣，拆卸充電電池，利用掃描儀透射電鏡和核磁共振等方式判斷充電電池內部是否存在析鋰行為或別的過渡元素、膈膜缺點等。抽檢過濾掉循環系統周期短，工作中標準適應能力差，安全性測試不過關的退役動力電池。

2.3 梯次利用電池的篩選

新能源汽車的動力電池退役后，電池能量特性及功率特性衰減，總體一致性差，為了確保退役電池梯次利用的安全性，必須對退役的動力電池進行篩選，以實現更安全梯次利用電池的目標。針對不同的退役動力電池，要根據實際情況采用合適的篩選方法，主要考慮到技術和成本兩個方面，這里篩選通常是對電池單體，不過也適用于電池模組。

退役動力電池的梯次利用篩選涉及的學科比較復雜，我國在這方面起步晚，基礎差，所以篩選的方法比較少，技術有限。現如今，采用比較多的篩選方法主要是利用庫倫效率與電池衰減之間的關系作為根據進行篩選。

2.4 梯次利用的退役動力電池重組

在經過以上分類、安全評估以及篩選之后，退役動力電池基本能滿足梯次利用的條件，接下來將對電池重組。如何實施動力電池的重組取決于所應用的梯次利用方案。首先，不同規格的動力電池存在差異性，所以根據電池的差異而采取不同的重組方案；其次，考慮到成本和收益，通常不首要考慮拆卸電池模組，而電池單元或電池模塊的梯次利用相對容易，因此，通常將它們拆卸到電池模塊級別。串式分配是電池能量存儲級聯利用的核心，幾個退役的電動汽車動力電池模塊串聯連接，一個儲能轉換器串聯連接，并且添加監視單元，最終合并為一個儲能系統，保證分組后動力電池的一致。

3 梯次利用儲能電池的回收

在使用級聯儲能電池時，如果某些電池在某個階段的容量不足40%，并且不再具有使用價值，須經過拆解工藝以提取如鋰、錳和鈷等貴重金屬元素。動力鋰電池包含正極和負極材料，正極材料主要包括相對有價值的磷酸鐵鋰、氧化鈷鋰、三元鋰等，負極材料是價值不高的石墨和其他碳材料，因此，市場上通常只對正極的材料進行回收。現階段，較為流行的梯次利用儲能電池的回收方法包括化學法與生物法兩種。

4 退役動力電池的經濟效益分析

前文已經對退役動力電池的梯次利用的關鍵技術進行了研究，接下來分析退役動力電池梯次利用后的經濟效益。

4.1 計算公式

4.1.1 殘值分析

退役動力電池的好壞程度，一般用健康度Kh作為重要指標：

其中，SOH（健康狀態）為電池可用容量與額定容量之比，η是介于0~1的運用工況系數，由電動汽車正常的運營環境決定，Ys表示電池剩余壽命，Ye表示電池額定壽命。

退役動力電池的殘值用S表示為：

其中，Cnb為同型號、同容量的新電池包價格，Ku為動力電池經使用過的折扣系數（根據文獻[6]，將2018年退役的動力電池包Ku取值為75%）。

4.1.2 投資成本分析

投資成本公式如下：

其中，Tc為投資總成本，Ct為電池測試費用，Co為其他費用（電池儲運、分類、篩選、管理等費用），Cd為電池梯次利用結束后的拆解處理費用。

以磷酸鐵鋰電池為例，由文獻[6]可知，Co=74%×S，Ct=22%×S，Cd=1.575（元/千克）×電池包質量（kg）。

4.1.3 削峰填谷的總收益分析

以退役動力電池用于工商業的小規模儲能為例，利用峰谷電價差來獲得收益，按照兩部制用電，考慮到夏季與非夏季峰谷差的差值，梯次利用結束前總收益I可表示為：

其中，P1代表夏季峰谷差，P2代表非夏季峰谷差，N為電池梯次利用循環次數，λ為充放電效率，一般取值為0.9，X代表退役電池含有的總能量，單位為kW·h。

退役動力電池經梯次利用重組后的利潤為：

重組利潤率為：

4.2 計算案例分析

根據以上公式可以對實際案例進行經濟分析計算，不過實際運用成功案例已經很多，這里就不再詳細計算舉例。

如表1所示，是不同電池利用特點分析，相同的功率條件下，常規鉛酸電池儲能電站的度電成本最高，鋰電梯次利用儲能電站的度電成本最低。單就方案的經濟性而言，鋰電池梯次利用儲能電站最優。一般情況下，退役動力電池的儲能比常規電池的儲能成本更低。

表1 不同電池利用特點分析

5 結束語

新能源汽車行業發展的速度越來越快，退役動力電池越來越多，對退役動力電池梯次利用的技術研究更加具有現實意義。相關部門在電池的大數據領域要建立大數據平臺，從而對退役動力電池進行全面的數據分析，以判斷電池能否進入梯次回收利用階段。動力鋰電池退役后是經過梯次利用還是直接報廢，在考慮電池梯次利用技術研究的成本代價時必須遵循一個原則，那就是讓參與單位得到的利益最大化。如果投入過多的財力，那么退役動力電池梯次利用的經濟效益會大大降低，因此，要研究成本低、效果好、效率高的梯次利用技術。