鉅大LARGE | 點擊量：584次 | 2019年05月21日
動力電池梯次利用是一個偽命題嗎
在政策的引導下中國的新能源汽車市場不斷壯大，隨著電動汽車保有量的不斷提升，我們也要面臨一個嚴峻的考驗：退役后的動力電池的回收。直接進行回收效益較低，特別是對于磷酸鐵鋰電池，直接回收的收益甚至無法覆蓋成本，因此動力電池的梯次利用就成為了挖掘動力電池價值的有效方法。一般來說，我們認為鋰離子電池的容量保持率降低到80%以下時就意味著電池壽命的終止，但是在實際使用中由于不同用戶使用習慣不同，以及電池組內部衰降速度不同，所以最終我們得到的報廢電池的剩余容量并不都是80%，還需要我們對這些電池進行篩選后采用進行梯次利用，這些都會增加電池梯次利用的成本。
那么對退役的鋰離子電池進行梯次利用究竟能否獲得經濟效益呢？最近德國柏林工業(yè)大學的Felipe Salinas（第一作者，通訊作者）等人對淘汰的154組筆記本電池進行回收、再利用，研究回收過程成本與收益之間的關系。
試驗中作者選取了相對較為容易獲取的筆記本電池，筆記本電池通常都是由2-4節(jié)電池通過串并聯(lián)組合而成。相比于全新電池，淘汰電池的容量顯著降低，內阻明顯上升，導致電池容量衰降和內阻增加的主要原因有以下兩個方面：1）界面副反應引起的活性Li損失，界面阻抗增加；2）正負極活性物質損失。
鋰離子電池在壽命末期的衰降模式對于鋰離子電池的梯次利用也有非常重大的影響，例如有研究表明在0.5C充電/2C放電的工作模式下（35℃），鋰離子電池的容量保持率在70%時仍然能夠維持線性衰降，這對于梯次利用是非常有利的，但是如果采用1C充/0.5C放電模式進行工作，同樣的電池在容量保持率90%左右時就會開始跳水，這對于鋰離子電池的梯次利用是不利的。
退役鋰離子電池另外一個常見的問題是過放，這會對鋰離子電池的梯次利用產生不利影響，例如有研究表明LCO電池在放電到0.4V時銅箔開始發(fā)生溶解，LCO電池在0V狀態(tài)下進行存儲后再次進行充電時每7支電池里就會有一只發(fā)生短路，這對梯次利用中鋰離子電池的安全性是極大的挑戰(zhàn)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
淘汰電池的再利用成本分析
廢舊電池再利用主要面臨以下四個方面的問題：1）我們不知道電池的健康狀態(tài)SoH，因此需要對電池的剩余容量等指標進行再測試，這將是一個非常耗費時間和資源的工作；2）缺少電池的使用記錄，某些已經存在安全隱患的電池可能仍然被使用了一段時間；3）由于缺乏電池的基本信息，我們很難對電池在二次利用中的性能表現(xiàn)進行預測；4）我們對廢棄電池的檢測成本可能會高于全新電池的成本。
廢舊鋰離子電池再利用能否取得經濟效益，關鍵在于其與新電池之間的成本比較，廢舊電池再利用的成本主要集中在以下幾個方面，首先我們需要對b個筆記本電池包進行拆解，平均耗時為tb min/battery，獲得n1個單體電池，然后我們還需要對這部分電池進行篩選，獲得n2個有效電池，平均耗時t1 min/cell，第三步是對初步篩選出的電池測量電壓，選擇電壓大于Vmin的電池，獲得n3個電池，第四步是對這部分電池進行容量測試，選擇容量大于Cmin的電池，消耗時間為t3 min/cell，最終獲得n4個電池。
BMS信息讀取
為了提高電池的篩選效率，作者首先讀取了電池BMS中的信息，根據存儲在BMS中的信息，我們可以獲得電池的滿電容量Cc，設計容量Cd，制造商信息，電池的循環(huán)信息。
電池拆解、測試和篩選
電池包拆結構首先測量剩余電池的電壓，然后根據電池的外殼上的廠家等信息分析電池的體系，然后采用新威爾的電池測試設備對電池的剩余容量進行測試，測試制度如下表所示。
結果分析
試驗中作者共對來自宏基、華碩、Dell、聯(lián)想等公司的152個電池包進行了拆解，每個電池包有3-12個18650電池，共計拆出1034個電池，電池共計分為67中，容量從1.6Ah到3.1Ah，操作電壓范圍分別為2.5V-4.2V，以及3-4.35V。
首先作者進行了初步的外觀篩選，22只電池表面有劃痕，20只電池表面的塑料皮被燒毀，三只電池發(fā)生泄漏，因此共計剩余電池n2=989只。
第二步是對989只電池的電壓進行測量，電壓范圍為-0.76V-4.23V，有差不多一半的電池的電壓低于2.5V，因此有相當部分的電池可能存在過放的風險。
接下來對這些電池進行剩余容量測試，其中61只電池無法放電，這其中46只電池開路，14只電池短路。所有電池的剩余容量信息如下圖所示，電池的剩余容量為0.4-104.3%。從下圖a可以看到49%的電池的剩余容量要高于70%，概率最高的為剩余容量80-90%的電池。
下圖為我們設置不同的選擇條件時廢舊電池再利用的成本，可以看到二次利用成本最低可以達到63$/kWh，但是隨著我們篩選條件變的更加嚴格，最終得到的電池數(shù)量更少，因此二次利用的成本也在不斷提升，從88$/kWh到482$/kWh，考慮到目前全新電池的成本為185$/kWh，因此當我們將篩選條件設置為電壓不低于1.5V，剩余容量不低于90%時，二次利用電池的成本就要比新電池更高。
從上面的研究我們能夠看出二次利用電池并非一定比新電池便宜，只有到篩選條件較為寬泛時才能夠獲得較低的成本，值得注意的是這里的計算中并沒有包含廢舊電池再次成組成本，以及再利用電池的銷售成本，因此實際上鋰離子電池梯次利用的成本可能會更高，加之近年來隨著鋰離子電池成本的快速降低，因此二次利用鋰離子電池在經濟上是否合適還需要進行認真的評估。
其次在鋰離子電池二次利用中可能還面臨一些列的風險，首先我們將剩余容量設定在70%以上時二次利用才具有經濟價值，但是在70%-90%容量范圍內鋰離子電池發(fā)生非線性快速衰降的風險將大大增加，對后續(xù)的二次利用形成潛在風險。
當然鋰離子電池梯次利用并非完全沒有前景，例如我們通過開放BMS信息，我們僅選取哪些剩余容量在70%以上的電池，從而降低篩選的成本，有助于降低鋰離子電池再利用的成本。
