下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
我国电动汽车在近几年里使用规模快速扩大，动力电池退役的期限已经到来。根据目前相关数据进行推算，预计未来几年的动力电池将要进入退役高峰期：2022年退役新能源汽车可提供动力电池包约50万吨（折合装机量45GW·h），2023年动力电池的回收量将达到44万吨。到2025年我国退役动力电池将达到150GW·h，需要回收的废旧电池将达到100万吨左右，动力电池梯次利用以及回收市场规模有望达到370亿元。按照中国汽车产业中长期发展规划，到2025年，新能源汽车销量占总销量比例达到20%以上 ［1-3］ 。
退役动力电池虽然不能再执行高性能的驱动任务，但仍然可以在其他领域和应用中发挥重要作用，仍有很大的使用空间。对退役动力电池进行大规模回收，可以有效弥补我国锂、钴、镍等电池材料的资源短缺现况，若采用梯次回收的方式对电池进行再利用，使其在不同应用场景下继续供电，可以节约和高效利用大量的资源。由于退役动力电池中含有大量有害重金属，将退役动力电池梯次利用，避免了大规模废旧动力电池的随意搁置和废弃，减少了废弃电池对人体和环境的污染，很大程度上保护了我国本土的生态环境。此外，退役动力电池在使用一定周期或发生剧烈碰撞后，锂电芯内部正负极隔膜就会容易发生错位，使得电池内部正负极直接相连，产生短路，进而引起电池自燃。加强退役动力电池梯次回收利用工作，有利于实现废旧动力电池的规范、安全处置，消除安全隐患 ［4-7］ 。
另一方面，由于新能源汽车市场的迅速发展，对退役电池梯次利用的使用空间巨大，退役动力电池的梯次利用行业一直备受关注。截至2022年10月，国家已颁布多个退役电池梯次利用相关政策。但是，退役动力电池梯次利用一直处于一种难以实施、难以管控的情况，若退役动力电池梯次利用相关政策能够细化至全国各地，可以逐步规范化，由相关示范工程牵头，带领更多的试点企业参与动力电池梯次利用项目，并将退役动力电池梯次利用的范围逐步推广，必能在退役动力电池梯次利用方面节约更多的资源，更有效地保护环境。我国自2018年开始进入动力电池大规模退役时期，2020年有25.6GW·h的动力电池退役，2025年动力电池退役将达174.2GW·h，约100万吨的规模。
用于梯次利用的退役电池总量包含退役梯次利用及拆解回收的电池总量，根据相关数据测算，预测未来用于梯次利用的电池退役量及其价值如图1—1、图1—2所示。
图1—1 动力电池退役规模预测图
图1—2 退役动力电池梯次利用预估图
退役动力电池的全寿命周期约为20年，但退役动力电池在新能源汽车中使用的平均寿命只有5～8年。在退役动力电池回收过程中，电池的再次利用为重点研究部分，应通过梯次利用策略形成退役电池的多批次使用。由图1—1可看出，未来动力电池退役规模正在逐渐扩大，这也意味着动力电池退役的管控问题越来越严峻。若没有强有力的政策标准对如此大规模的动力电池退役情况进行制约，将会导致退役动力电池市场秩序混乱 ［8-10］ 。
从经济性的角度分析，退役后进行梯次利用的动力电池在之后的利用价值越来越高，预计2025年梯次利用价值将达到数十亿美元的规模。从实用性的角度分析，其使用成本约为1000元/（kW·h），性价比远超过铅酸电池，因此退役动力电池梯次利用具有很大的市场竞争力。正因为看到了梯次利用的广阔前景，一些企业发现了此领域的机遇并已经开始在此领域逐步探索。如北京匠芯电池研发了梯次利用光储系统，深圳比亚迪等企业生产用于备电领域的梯次利用电池等。
我国在电池梯次利用的技术研究方面处于起步阶段，技术难点有重组技术、寿命预测和热管理技术等。梯次利用技术的核心要求是保证目标产品的品质和安全。具体而言，一是来料的品质安全控制，二是目标产品的生产过程控制，还有目标产品的控制和设计。目前，国家把梯次利用检测技术作为重点研究，检测技术要求对退役电池包进行健康指数评价，包括电芯评估、电池包电性能检测、电池包的可靠性检测、电池包/模组外观检测。
通常情况下，电芯的性能评估分为寿命评估、安全性评估和可靠性评估，包括电池包的可靠性、电池包连接件可靠性以及管理系统硬件的可靠性等；而电池包电性能检测则能够排除安全隐患；此外，直流内阻的变化、电压差的变化以及电池包外形的变化等，都在健康指数的评估内容中，比如电池包的外形为例，在车载过程中难免会发生意外，比如车祸、内涝，都会引起一系列外部构件的变化，需要通过评测来反映电池所处的状况 ［11-15］ 。
1.退役动力电池应用场景
由图1—3可看出，对于退役梯次电池应用的场景来看，通信基站备电、电网储能和低速车这三个应用得最为广泛。这些应用场景只是退役动力电池潜在的一部分用途，随着技术的发展和创新，更多的应用场景将被开发出来。有效利用退役动力电池有助于延长其使用寿命，减少资源浪费，并为可持续发展做出贡献。
图1—3 电池梯次利用主要应用场景图
通信基站是我国退役动力电池梯次利用主要应用场景之一。中国铁塔已在约12万个基站中使用梯次电池约1.5GW·h，替代了约4.5万吨铅酸电池。中国铁塔目前约有200万个基站，按单站电池容量需求约30kW·h测算，该公司未来可消纳约200万辆新能源汽车的退役电池。杭州某供电公司在通信站中增加了100kW·h的退役动力电池，这些退役动力电池与原有的电池共同出力，保证了信号的稳定传输 ［16］ 。
电网储能领域中，国内首个退役电池梯次利用电网侧储能电站在南京开建，利用退役电池的余电继续为变电站和数据中心等设施供电，大幅提升了储能电池的经济性和可利用性，随后国内其他地方纷纷效仿：浙江省某微网储能项目为创造新的经济价值和起到削峰填谷的作用投运了电网储能电站，深圳市某两家公司合作合建了2.15MW/7.27MW·h退役电池储能项目，用于工业园区，以实现削峰填谷的功能和为电网提供辅助服务。
在低速车领域中，某公司将退役动力电池安装在低速电动车上使用，也有其他公司在低速快递物流车上使用退役动力电池。根据统计，退役电池应用成本约为650元/（kW·h），其收益要比铅酸电池用于低速车上的收益大很多。根据已有数据预测，在2023年年底，预计低速车用退役电池成本低于300元/（kW·h），收益在450元/（kW·h）以上。其中，电网储能、通信基站和低速车等领域是大规模消纳退役电池的有效手段。梯次利用给电网储能等领域的低成本化带来重大机遇，有望最大化发挥电池全寿命周期价值，因此有必要出台梯次利用政策，来把握住此机遇。
在换电站应用领域，由于梯次利用电池一致性差，大规模串并联运行仍会降低EUBESS整体效率，缩短电池使用寿命，而退役动力电池应用在低应力储能场景中更能使其性能得到更充分的发挥。由于中小型电动汽车换电站或换电柜储能运行需求与梯次利用电池额定容量等级更为接近，因此被视为EUBESS规划的重要场景 ［17，18］ 。与此同时，配送行业兴起，使得换电柜充电需求大。参与有序充电不仅能满足用户需求，也可获得更大收益。
目前，退役电池梯次利用应用领域丰富，不同类型的退役电池依据其特性可应用于不同功率等级的储能领域，目前梯次电池的应用场景以用户侧居多，集中在为移动式充电设施提供灵活的充电服务，例如，电动车续航补电换电、备用电源、临时应急救援等低功率应用场景。在发电侧的应用以梯次电站示范应用为主，功率等级在10MW左右。具体应用场景分类如图1—4所示。
2.退役电池场景评价体系
退役电池梯次利用应用场景适用性评价是多指标、多维度、过程复杂的多属性决策问题。评价退役电池梯次利用的场景适用性需要考虑电池的初始状态、运行环境、配置储能的目标和需求，并对退役电池在应用场景下的技术性能、安全性进行评估。在退役动力电池梯次利用之前，定量评价其关键特征参数，是对其不同应用场景适应性进行评价的前提条件。各场景下对应用环境的定性评价，是准确评价退役电池梯次利用场景适应性的重要依据。因此应统筹定性与定量评价指标，在技术层面与安全层面进行综合评价。目前，常用的评价方法有综合指数法、函数模型法、BP人工神经网络模型法、决策树分析法、面向对象分析法、空间多准则评估法等，具体如表1—1所示。
图1—4 不同功率等级下的退役电池应用场景分类
表1—1 梯次场景适用性评价方法对比
分析退役电池场景适用性评价指标需从技术性和安全性两个方面考虑，技术性指标主要是表征退役电池一致性的参数，目前以容量和内阻两个关键指标居多，同时这两个指标也是影响退役电池衰退特性的充放电倍率和环境温度的关键参考因素 ［19］ 。
目前，常用的评价体系首先是对所述退役动力电池按照预设放电倍率进行放电操作，再根据所述开路电压回升速率，结合预设场景分类策略对退役动力电池的应用场景进行分类评价。通过综合考虑不同类型电池的衰退速率差别，统筹考虑各类型电池的衰退速率、表征参数比重、应用场景技术需求及各影响因素的关联性，分别以通信基站备用、用户侧峰谷套利、平抑波动、电网侧延缓电网扩建、黑启动以及调频依次为工况1至6，考虑不同应用场景下各类型梯次利用电池技术性评价系数设置如图1—5所示。
图1—5 考虑基于应用场景需求的技术性评价系数
图1—5综合考虑不同电池的衰退特性、表征参数比重、应用场景技术需求，设置不同应用场景下的各类梯次电池的技术性评价系数。一般影响电池衰退特性的因素包括充放电倍率、充放电深度以及环境温度，并且不同工况条件下各类电池的参数特征都不相同，具体参数特征如表1—2所示。
表1—2 不同应用场景的电池参数特征
安全性指标可以表征退役电池安全风险，这些指标受到梯次系统运行环境等级以及应用场景条件的影响。因此，考虑退役电池运行于低应力储能工况下，退役电池的安全性评价指标选取以电池安全等级、热失控数（Thermal Runaway Number，TRN）、退役电池类型三个方面考虑 ［20-21］ 。
其中，电池安全等级依据评价指标数值的比例关系评价。考量评价系数设置时，运行环境等级大小与评价系数呈现正相关。根据梯次利用电池的差异化适用倍率，可设置各场景评价系数。设置不同场景评价系数，电池安全等级和TRN都会受到外界影响，需要评价系数；而电池类型不会受到影响，不需要评价系数。分别以通信基站备用、用户侧峰谷套利、平抑波动、电网侧延缓电网扩建、黑启动以及调频依次为工况1至6，这些工况下不同退役电池安全性评价系数设置如图1—6所示。
如图1—6所示，考虑针对退役电池的评价体系设置时，其场景应用工况包括通信基站备用电源、用户侧峰谷套利、低速动力车等应用场景。由于在不同运行环境等级和应用场景条件下，同一种电池的安全性能相同，所以在图1—6中，下方磷酸铁锂、三元锂、钛酸锂三种类型电池在不同运行环境等级和应用场景条件下评价指标相同，设置成基准值为10。
在配置温控设置的前提下，钛酸锂电池的安全性能最高，磷酸铁锂电池次之，三元锂电池最差。如果设置基准值为10，则磷酸铁锂电池的安全系数为10，磷酸铁锂次之为8，三元锂电池由于电池安全性能极差，所以安全系数最低为2 [22，23] 。因此，不同运行环境等级下的电池安全等级系数大小为安全系数与运行环境等级的乘积。由于同一电池在不同工况下的安全性能大致相同，所以不同工况下的电池安全等级=安全系数× n ，（ n 为正整数）。其中，TRN表示电池的热失控系数，其计算公式如式（1-1）所示。
图1—6 考虑基于应用场景需求的安全性评价系数
式（1-1）结合了电池内部热传递 K r 、电池表面散热 μ 1 、电池产热速率参数 β 以及电池半径 R 等参数，而电池的产热速率参数 β 和电池散热以及热导率系数是控制锂离子电池热失控的关键参数，通过增大 β 值，TRN值也相应增大。由于热失控系数电池的安全等级具有相关联性，所以两个指标的评价系数相同。
通过上述方法，根据开路电压回升速率可以对退役动力电池的应用场景进行分类，目前常将主观赋权法用于场景分类，如区间层次分析法，层次分析法是使用最广的一种主观赋权法，可以通过两两比较的形式对决策指标的重要程度做出较准确的判断。