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基于應用需求的退役電池梯次利用安全策略

鉅大LARGE  |  點擊量:1303次  |  2020年09月15日  

本研究以退役鋰離子動力鋰離子電池梯次利用的細分應用場景需求為導向,以我國新能源汽車推廣應用歷程為基礎,結合政策、技術、產業與市場發展的實際,闡述了梯次利用關鍵環節的安全問題及其應對策略。介紹了退役動力鋰離子電池梯次利用模式,總結了不同正極材料動力鋰離子電池報廢與梯次利用現狀及趨勢,指出了面對的挑戰與機遇,分析了動力鋰離子電池在生產和車用環節的安全隱患,以及退役后在四種不同應用場景下進行梯次利用的安全需求與風險,研究了與動力鋰離子電池類型、車載應用安全基礎等優化匹配的梯次利用安全策略框架,并提出了創新動力鋰離子電池開發設計模式、發展梯次利用關鍵技術、加快商業模式創新、加速培育梯次利用市場等綜合策略。


關鍵詞:動力鋰離子電池;梯次利用;需求導向;安全性;綜合策略


退役車用動力鋰離子電池梯次利用是我國執行新能源汽車強國戰略的重要任務,也是實現電池全生命周期價值最大化的重要途徑。安全性和經濟性是梯次利用的兩大關鍵性挑戰,其中安全性是前提和根本。為確保續航能力與運行安全,動力鋰離子電池當容量衰減至額定容量80%時,通常要從車上退役[1]。預計到2029年,全球新能源汽車每年將約有108GW·h(3百萬個電池包)動力鋰離子電池退役[2]。按照新能源商用車(含客車和專用車)電池平均3年、乘用車電池平均5年的最佳在役時間計算[3],2018年開始,我國動力鋰離子電池進入規模化退役期。2015年末至今,我國持續位居全球新能源汽車第一產銷大國,當前動力鋰離子電池退役后的安全、高效處置,將迎來空前的市場機遇,同時也面對巨大的風險挑戰。對此,我國高度重視,早在2012年國務院公布的《節能與新能源汽車產業發展規劃》就對動力鋰離子電池回收利用做出了部署,近年來又密集出臺了從指導意見到具體執行的多項政策。2018年初,我國工業與信息化部等七部委聯合公布的《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》八月一日起執行,強調以“推進資源綜合利用、保護環境和人體健康,保障安全,促進新能源汽車行業持續健康發展”等為目標,對退役動力鋰離子電池先進行梯次利用,再進行資源化回收利用。


從我國形勢和最新政策要求以及大量研究[5]結果看,梯次利用在當前和今后一段時期,比直接拆解、回收利用材料等資源,更具市場和環保價值,是電池回收利用的重要方向。但從產業實踐看,我國動力鋰離子電池梯次利用起步較晚,推進也較慢。2014年起,我國開始布局開展動力鋰離子電池梯次利用示范研究項目。2016年,我國梯次利用電池量不到0.15萬噸[6];在2017年報廢的約8萬噸動力鋰離子電池中,只有不到5%進入梯次利用環節[7]。從研究進展看,目前有關廢舊電池拆解回收及其安全性問題已有較多研究[],而有關退役電池梯次利用的研究不多,且重要集中在電池單體性能研究[11]、儲能示范應用[]、經濟性研究[15]、電池健康特點參數提取[16],或某一技術方法[17]等,對安全性問題的研究較少;基于新能源汽車應用的復雜性,充分結合梯次利用商業化應用需求的針對性研究更少。為此,本研究以退役動力鋰離子電池的梯次利用的安全性為重點,與2017年底以來已快速呈現的多元化、市場化梯次利用場景需求為導向,結合對電池退役前和退役后兩條生命線的安全風險分析,提出了具有現實指導意義的梯次利用安全綜合策略,以期促進我國梯次利用從示范應用加快向規模化、商業化轉型。


1我國退役動力鋰離子電池梯次利用的背景


退役動力鋰離子電池梯次利用,一般指在新能源乘用車上使用5年或在商用車上使用3年,由于電池組整體容量不足額定容量的80%,無法滿足動力鋰離子電池性能要求而從新能源汽車上退役的電池,經過拆解和“適配再造”,繼續應用于性能要求低于新能源汽車的其它領域;繼續使用到容量低于40%以后,再進入報廢拆解和材料回收等資源化再利用環節。由于梯次利用的技術趨勢,已從初期拆解為單體,發展到對整個模組的應用[18],本研究以拆解到電池模組級的“再造”利用為重點。退役動力鋰離子電池利用的重要流程如圖1所示。


圖1退役動力鋰離子電池利用流程示意圖


退役的動力鋰離子電池仍具有高能量密度,屬于高能量載體,安全性是梯次利用中首要考慮和解決的問題[19]。電池梯次利用的安全性問題貫穿電池退役前后的生命周期,首先要結合我國新能源汽車的發展歷程與趨勢,深刻理解我國電池梯次利用的形勢與特點。


1.1 退役動力鋰離子電池梯次利用的形勢


據估算,2014—2024年的10年間,我國動力鋰離子電池累計報廢量約100萬噸[20],而1個0.02kg的鋰離子電池可使1平方公里土地污染50年左右[21]。因此,我國退役動力鋰離子電池的環保處置刻不容緩,迫切要加快發展梯次利用產業。從市場前景看,退役動力鋰離子電池梯次利用的經濟性不斷提高,我國儲能及低速車等領域有巨大需求。到2025年,我國年新增的梯次利用電池潛在規模約33.6GW·h[22],若安全性得到保障,市場巨大。我國近年來密集公布動力鋰離子電池回收利用標準,制定相關政策,2018年啟動動力鋰離子電池溯源管理平臺,確定京津冀地區、江蘇、上海等17個試點地區以及我國鐵塔股份有限公司(以下簡稱“鐵塔公司”)作為試點公司,在梯次利用商業模式構建、關鍵技術研發、標準規范研究及信息化平臺建設等方面加強創新,將使梯次利用更加安全、規范,有利于產業快速發展。


1.2 基于我國新能源汽車應用背景的動力鋰離子電池退役特點


我國新能源汽車產業化起步于2009年,2011年保有量首次進入萬輛級,規模化推廣應用從2013年第二輪示范城市開始。2018年退役的動力鋰離子電池,重要來源于2015年左右開始使用的新能源客車和專用車,以及2013年左右開始使用的乘用車。表1簡要回顧了我國新能源汽車推廣應用進程[23],可知當前要處置的退役動力鋰離子電池,基本來自于其中第二階段的新能源汽車。從電池集中退役、回收并處置的現實可行性看,在公共領域“集體”運行的新能源汽車,比產權分散、使用差異大的私人購買、家庭使用類新能源汽車高得多,更具備梯次利用條件。而在第二階段公共領域服務的新能源汽車,其動力鋰離子電池基本為鋰離子電池,正極材料以磷酸鐵鋰為主,當前這些退役電池的梯次利用可行性和緊迫性都非常高。對這些使用車輛的運行工況、運營特點,及其電池材料體系、設計與制造工藝、供應商水平等的分析,是提高電池梯次利用安全性的基礎,也是梯次利用應用需求優化匹配的重要前提。雖然近年來我國新能源汽車補貼向高能量密度電池傾斜,三元材料動力鋰離子電池裝機量不斷上升,特別是在乘用車領域,但從分析[4]和2020年后鋰離子電池汽車補貼政策將退出看,磷酸鐵鋰離子電池仍將在退役電池中占重要地位,磷酸鐵鋰離子電池也是公認的最適合梯次利用的電池類型。梯次利用未來仍將是主流,規模遠大于報廢拆解再生利用。


表1我國新能源汽車推廣應用進程(2009—2020年)


2梯次利用應用場景分析


我國報廢動力鋰離子電池在開展梯次利用時,考慮電池包、模組、電芯等動力鋰離子電池系統多級結構,結合不同應用場景對電池容量以及安全性、經濟性等方面的要求,可分別采用電池包級應用、模組級應用和電芯級應用等模式。這些模式在國內外的典型實踐案例中已有體現。例如,德國使用寶馬i3純電動汽車退役電池包設計家庭儲能應用;日本利用12個尼桑Leaf電動汽車退役電池模組梯次利用于家庭儲能,美國通用汽車公司利用其5個雪佛蘭Volt增程式電動汽車退役電池模組,重組后構建成小區備用電源裝備;我國相關環保公司把電池包拆解后,得到18650單體電池,經測試后售出,作為五金工具電源[1]。當電池性能進一步降低到不適合梯次利用后,再進入回收拆解的材料級資源化回收再利用階段。不同梯次利用場景的安全問題不同,對電池性能要求不同[24]。研究表明,退役動力鋰離子電池可梯次利用于固定場站儲能和移動電源等多個領域[12,14,25]。國外梯次利用實踐以家庭和商業儲能為主,我國早期和近年來均以電網公司的儲能示范項目為主(一般電池容量較大、對安全性要求較高),實質性的市場化推廣應用較少[1]。本文重點研究以下4種使用電池容量相對較小、使用環境對安全與可靠性等要求相對易于滿足、經濟性較好、市場總體規模較大、商業化前景好且市場成長較快的應用場景,包括固定場站儲能領域的電動汽車充(換)電站和通信基站,以及移動電源應用領域的純電動電源車和快遞電動三輪車。


2.1 充(換)電站


充(換)電站既是新能源汽車能量補充的重要基礎設施,同時也是不斷成長的退役動力鋰離子電池梯次利用儲能的大市場。研究[26]指出,在相同配置情況下,在快速充電站采用退役動力鋰離子電池儲能,比常規使用同類新電池儲能的經濟性好。此外,采用退役動力鋰離子電池儲能,還具有在充電站不增容擴容的條件下,改變充電設備的接入方法,即可滿足直流快充負荷控制需求的優勢。我國2017年已成為全球投運公共充電樁數量最多的國家,并制定了到2020年滿足500萬輛新能源汽車充電需求基礎設施建設目標,其中集中式充電站將建成1.2萬個。這些充電站重要供應快速充電服務,單站儲能系統要的電池在百千瓦時以上。


我國很早就開展了充電站使用梯次利用電池儲能的示范,近年來城市公共充電站商業化梯次利用在加快實踐。2014年,國家電網公司等在北京大興出租車快速充電站梯次利用示范[18],采用了2012年退運電動汽車上的錳酸鋰離子電池,為功率為175kW的直流智能化充電機配置梯次利用儲能系統。示范發現,測算的使用壽命在削峰填谷情況下約為1500次,但實際運行后,循環不到100次,即電池出現性能急劇降低、一致性分散過大過快等問題。這反映我國早期(2012年以前生產)的動力鋰離子電池,尤其是錳酸鋰動力鋰離子電池,退役后難以滿足大功率儲能梯次利用需求。近兩年來,國家電網公司在城際快充站,加快建設退役動力鋰離子電池梯次利用于“光儲充”一體化示范站,如2018年四月在南京六合服務區投運江蘇省首個基于退役動力鋰離子電池的100kW·h光儲充示范站[27]。


除電網公司外,如云杉智慧公司等有“車樁網”一體化運營條件的新能源汽車運營商,在利用其運營車隊規模化退役的動力鋰離子電池,重構基于舊電池的使用控制策略,探索基于退役電池利用的新型商業模式,結合自有的城市快充場站,打造新的充儲一體綜合利用充電站。云杉智慧不僅將利用自有分時租賃運營車隊2000多輛電動汽車的退役電池,還將發揮其“駕唄”共享汽車車聯網系統的數據平臺優勢,基于這些電池的車載使用數據,對其性能與健康狀態等做出評估,更安全地選擇參數差異較小的電池模組,適配“再造”成梯次電池,用于充電站儲能。


相比在道路上運行的新能源汽車動力鋰離子電池,充電站梯次利用電池的使用環境更為寬松,一般為陸上靜止環境,場地一般足夠大,因而對電池的重量、大小和能量密度要求相對要低,但由于電池容量略高于車用,使用的電池模塊數量多,因而對一致性要求較高。另外要大電流高電壓快速充電,對充放電安全性要求較高。


2.2 通信基站


實踐和研究結果顯示,通信基站是最適合退役動力鋰離子電池梯次應用的場景,且市場需求巨大。鐵塔公司現有近200萬座基站,對退役動力鋰離子電池有長期穩定的需求,按單站電池容量需求約30kW·h(相當于1輛新能源汽車約62kW·h動力鋰離子電池退役后可梯次利用容量)計算,僅該公司未來即可消納近200萬輛新能源汽車退役的動力鋰離子電池[]。作為我國目前選列的唯一一家動力蓄電池回收利用試點公司,鐵塔公司已提出將逐漸使用梯次“再造”電池,并加快探索提高安全及經濟性的應用方法。


近3年來,鐵塔公司在全國12個省(市)的3000多個基站,開展退役動力鋰離子電池替代現有鉛酸電池試驗,涵蓋備電、削峰填谷、微電網等不同工況,初步得出了梯次利用動力鋰離子電池在循環壽命、能量密度、高溫性能、放電特性等方面的各項性能指標均優于鉛酸電池,技術上完全能滿足運行要求,未出現安全問題的結論。云南某基站的試點結果顯示,該站梯次電池的年使用成本只有鉛酸電池的31.4%[29],反映了梯次利用退役動力鋰離子電池的經濟性優勢,通信基站儲能電池的需求特點為,梯次利用退役動力鋰離子電池安全性風險相對較低,在一致性、充放電安全和能量密度等方面的要求相對寬松。單座基站要的備用電池一般是30kW·h,接近一輛新能源汽車動力鋰離子電池退役后的可用容量,只需同一輛車退役下來的動力鋰離子電池“再造”即可,降低了用不同車源導致電池一致性差的風險。基站一般不采用高電壓大電流的方式對電池充電,降低了電池在充電過程中發生爆炸燃燒的幾率。此外,通信基站與充電站環境類似,相對空曠,對電池的能量密度的要求不高。


鐵塔公司通過已有的試點實踐,提出了通信基站梯次利用電池應遵循小模塊低電壓、小電流、高冗余、非移動等原則,以及電池選型要適當,應盡量采取在同一站點內優先選用同初始標稱容量、同標稱容量、同廠家、同規格的梯次電池;對確有不同容量、不同廠家梯次電池混用需求的,采用電池共用管理器等措施,最大程度消減安全性風險。鐵塔公司已達成合作意向的車企選擇顯示,將選用磷酸鐵鋰退役動力鋰離子電池進行梯次利用。


2.3 純電動電源車


移動補電車因具有高度靈活性,可以彌補固定充電樁的應用短板,同時可利用峰谷電價差獲得巨大經濟效益,近年來逐漸成為市場熱點。我國從2015年開始,即出現了專門供應移動充電的運營服務商。2018年,英國石油公司(BP)向美國電動汽車車用移動式快速充電系統制造商FreeWire投資500萬美元[30];我國則在2018年第310批新車型通告中,出現了根據移動充電要求,正向開發的純電動電源車,如東風牌EQ5046XDYTBEV。


這種新型純電動電源車,相比此前常用的兩種移動充電設施(一種是手推、牽引或車載式的充電寶,另一種是配備儲能電池或柴油發電機的違規改裝型移動補電車),更為高效、安全,但目前全部容量采用新電池,成本高、售價高,市場需求激增但接受度不高。如采用退役動力鋰離子電池作為儲能備用電源,則可大幅降低成本,提高市場競爭力。據調研分析,以前述車型為例,現搭載218kW·h磷酸鐵鋰新電池,其中一半容量(109kW·h)為儲能電池,如使用同類梯次電池,整車成本可下降25%以上。


移動充電車一般只供應快充服務,其本身的安全風險較高,包括在給其它電動汽車充電時、從電網充電的過程以及行駛中的安全問題都非常突出,尤其是后兩種情況。移動充電車攜帶的鋰離子電池容量高,在接受充電過程中的安全要求較高,充電時要高功率充電樁,若電壓沒有嚴格把控,易因過充、過熱而使產品安全性受到嚴重影響。此外,對大容量電池包的管理和新舊電池間一致性的保持也是難點,在行駛中要防止易引發安全事故的濫用。


2.4 快遞電動三輪車


規模巨大的新增鉛酸電動三輪車和存量燃油三輪車市場,是退役動力鋰離子電池梯次利用可對標替代的重要目標。近五年來,我國快遞業務量年增速持續每年保持高速上升,城內末端運力需求持續大增[31],三輪車以其機動靈活、價格低廉等優點,廣為快遞公司采用。到2018年初,我國三輪車保有量達7000多萬輛,其中2000多萬輛為電動三輪車(其中2017年新增近900萬輛),但大多使用鉛酸電池。國家郵政局在2016年的《快遞專用電動三輪車技術要求》中,規定整車重量<200kg,最高車速<15km/h,建議采用更為環保的鋰離子電池或光伏電池,一般容量為2~3kW·h[32]。電商物流發達的杭州等城市,多家快遞公司已投用數千輛采用梯次利用鋰離子電池的三輪車。實踐顯示,梯次利用的鋰離子電池體積小、循環壽命長,性能可比鉛酸電池,從全生命周期計算,使用成本低于鉛酸電池,且車輛載重能力和使用年限都有提高[6]。


快遞電動三輪車所需電池容量不大,在對退役動力鋰離子電池的重新設計制造中,不要太多模組進行重組;車輛一般低速行駛在較平整的簡單路況,同時電池便于拆卸,加之第三方共享與換電運營商的興起,可供應專業維保、租賃以及物聯網實時定位、監測等服務,車輛不要頻繁、快速充電,因此對電池一致性、重組的復雜性以及充放電循環倍率性等方面的要求不需過高,安全風險較易控制。但在雨水較多的南方地區,淋雨浸水造成電池內部短路的安全風險較大,在梯次利用動力鋰離子電池時,要注意提高防水能力。


3退役動力鋰離子電池梯次利用安全性分析


梯次利用電池的安全性問題貫穿從動力鋰離子電池生產、車載使用到退役后“再造”以及重新利用的全過程,要考慮各關鍵環節的影響因素。如圖2所示,本研究按退役前動力鋰離子電池生命線和退役后的梯次電池生命線兩條主線,進行分析和闡述。


圖2退役動力鋰離子電池梯次利用生命周期示意圖


3.1 動力鋰離子電池生命線的安全性及對策


3.1.1 材料選擇


選擇電芯材料是電池制造的第一步。鋰離子動力鋰離子電池的材料,包括正極材料、負極材料、電解液、隔膜和包裝材料五大類,其中正極材料是決定電芯安全性和電化學性能的關鍵因素[33]。根據正極材料選擇的不同,鋰離子動力鋰離子電池可分為磷酸鐵鋰動力鋰離子電池、三元動力鋰離子電池、錳酸鋰動力鋰離子電池[]。我國近幾年裝機的動力鋰離子電池從使用的正極材料類型看,三元電池和磷酸鐵鋰離子電池占據絕對主體地位,如表2所示。近兩年來因補貼政策向高能量密度、長續航里程車型傾斜,三元電池裝機量呈現上升態勢。2018年以來,受電池安全事故頻發以及補貼退坡提速等因素影響,磷酸鐵鋰離子電池有重歸高占比趨勢。在我國2016年不到0.15萬噸、2017年不到0.4萬噸的梯次利用電池中,以磷酸鐵鋰離子電池為主。


表2我國動力鋰離子電池裝機總量及按正極材料分類數量(2015—2018年上半年)


相對而言,磷酸鐵鋰動力鋰離子電池安全性高、循環壽命長[37],最符合梯次利用的安全等性能要求。三元動力鋰離子電池雖然能量密度高、倍率性能好,但循環壽命和穩定性略遜[38],安全性也有待提升,可基本符合梯次利用要求。錳酸鋰動力鋰離子電池由于循環壽命短[39],梯次利用價值不是很大。為降低梯次利用電池的安全性風險,根據應用場景的具體需求,建議優先選用磷酸鐵鋰離子電池。


3.1.2 電芯制造


電芯制造包括混料、涂布、裁片等十多個步驟,工序繁多,工藝復雜,電阻升高或短路等造成的安全風險,在每一道工序中都可能存在,涉及生產工藝、設備質量、過程控制以及生產管理、環境控制等多方面。例如在混料過程中,正負極的容量配比錯誤,易導致大量金屬鋰在負極表面沉積而造成內短路;漿料混合不均勻,可能會導致充放電負極體積變化大析鋰造成內短路;涂布要保證極片厚度和重量一致,否則會影響電池的一致性,同時還須防止灰塵混入極片導致電池放電過快而出現安全隱患。涂布質量控制不好可能會造成活性物質剝落或內短路[40]。焊接過程中的虛焊、料塵、隔膜紙太小或未墊好、隔膜有洞、毛刺未清理干凈等,也會形成安全隱患。不同電池供應商的制造水平有較大差異,為確保梯次利用電池的安全性,宜盡量選用優質電池供應商的產品。


3.1.3 電池封裝集成


鋰離子電池按電芯封裝形式重要有方形、軟包和圓柱三種。2015年以來,方形電池在我國動力鋰離子電池市場裝機量中一直占比最高,且總量遙遙領先,并因國家政策和市場有關動力鋰離子電池能量密度、輕量化有更高要求,而有繼續上升之勢,在2018年上半年動力鋰離子電池總裝機容量中占比高達76%[41]。三種封裝形式的電池近幾年的市場份額,如圖3所示。這幾種電池各有優勢和不足,有各自的主導市場和應用領域。相比而言,方形電池結構較簡單、能量密度較高、抗沖擊能力強,但型號多、工藝難統一,重要用于客車和乘用車;軟包電池重量輕、能量密度高、內阻小、循環性能好,但一致性較差、易發生漏液,三種車型都有使用;圓柱形電池工藝成熟、良品率高、一致性好,但較重且比能量低,重要在乘用車和低速電動汽車上應用。方形電池中磷酸鐵鋰的較多,軟包和圓柱形電池中三元材料的更多。在要快充的應用場景,由于方形電池溫升較易控制,比軟包電池更加有優勢。再合理的電芯設計與制造都無法防止使用中的意外,還要合理的電池集成設計和先進的電池管理系統,減少因電芯出問題時的安全風險和損失[39]。


圖32013—2018年上半年我國三種封裝形式動力鋰離子電池裝機量占比


3.1.4 車載使用


我國動力鋰離子電池重要搭載使用的車型有商用車(客車、專用車)和乘用車,其中專用車重要為城市電動物流車。車型不同、使用工況和環境不同,退役時動力鋰離子電池的安全性和性能有所不同。過充過放、環境溫度、機械濫用(針刺、擠壓、內短路)以及海水浸泡等濫用,都對退役后的電池安全性有影響[42]。此外,還需考慮我國各類新能源汽車的應用領域、運營模式等,對電池退役后再利用的影響。


3.2 退役電池生命線的安全性及對策


3.2.1 拆卸儲運環節


從整車上收集退役下來的動力鋰離子電池,首先要把電池包從車上整體拆卸下來,再拆開獲得電池模組或電芯。由于電芯之間一般以焊接方式相連,如要拆解到電芯,極易造成安全問題或電芯損傷甚至報廢,難以確保無損拆解,而電池模組之間是軟性連接設計,因此對電池包拆解一般建議只拆到模組。


電池包一般有幾百伏的高壓,拆解前須做好放電處理。針對不同車型的PACK在結構設計、模組連接方式以及工藝技術等方面的差異,要注意在拆解中進行柔性化配置,安全操作;在拆解后,要做好分類、標識、存放、信息錄入和追溯管理等。


在儲存運輸環節,注意環境安全,如遠離火源,使外端處于絕緣防護狀態,防止儲存時間過長(儲存超過三個月要及時進行充電)和長距離運輸,防止暴曬、雨淋及強外力碰撞等,也是減少安全隱患的重要舉措。


3.2.2 篩選分組環節


退役電池模組的安全缺陷和風險點多,如漏液、脹氣、內短路、外殼破損、絕緣失效、極柱腐蝕等。篩選出健康狀態好、剩余壽命長、一致性好的電芯或模組,是提高梯次利用產品安全性的最為關鍵環節。篩選要對每個電芯或電池模組的壽命、安全性和可靠性等進行檢測、評估,對內阻的變化、電壓差的變化等指標,進行檢測、評判。包括經過環境沖擊、車載振動等的正負極保護蓋、線束隔離板等零部件狀態以及電池模組外觀,也應檢測、評估。


梯次利用前,對退役電池的診斷和篩選是重要環節也是難點。不同類型的電芯、模組、系統在不同工況下服役之后,性能劣變的程度各不相同,一致性的差異較原裝電池更為明顯,因此必須進行診斷,以便篩選出有再利用價值的電池。現有的診斷檢測方法,重要針對單體電池,模組和系統直接診斷的難度較大。常規方法重要是首先直接對其外觀和電化學性能進行測試和評估[11],使用納米CT(計算機斷層掃描)技術可對電芯內部三維結構進行定性及定量分析[43],建立電池的電化學模型,并通過電池的外部電化學參數來分析電池內部性能狀態[44],近期還發展了一些更直觀的新技術,如一種接觸式的超聲無損檢測技術[45],可通過超聲信號與電化學性能的關聯或者直接掃描,實現對電芯荷電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)的快速高精度實時檢測或監測;另一種無損非接觸式的篩選方法也能提高篩選效率[46]。對電池模組的檢測技術要求較高,如在不打開電池模組的情況下,檢測是否有鋰枝晶生長,減少可能導致“死鋰”和電池短路等風險,目前尚缺乏能檢測篩選電池模組的成熟技術和裝備。


電池篩選后要合理分組進行再造,分組需根據運行數據、測試數據以及梯次利用的需求數據等,建立以材料體系、容量、內阻、剩余循環壽命等參數為基礎的數據庫,把健康狀態、剩余壽命等指標在同一級的模組,進行合理分組,梯次再利用。


3.2.3 定容重組環節


梯次利用電池產品“再造”的最后一環,是把篩選分組后一定數量、同一級別的電池模組,進行定容重組。對退役動力鋰離子電池中的“舊”電池模組進行管理,比對新電池面對的問題更復雜,梯次利用電池的電池管理系統(BMS)對安全性問題考慮要更為全面。優化設計模組連接方法,提高系統結構設計柔性化;克服傳統轉移式電池均衡器的缺陷,采用智能分時混合均衡技術[47],搭載合適的電流均衡器,搭配高效溫度預警系統,以及新增熱量管理和高壓監控等安全性模塊,都是削減梯次利用電池離散整合安全風險的重要手段。此外,可采用云存儲、區塊鏈等技術,提高BMS數據的安全性,消減為不當謀利而非法篡改偽造數據的風險。


3.2.4 電池再利用環節


電池熱失控是電池安全事故發生的重要原因[40],在重組電池梯次利用環節要特別加以防患。雖然前述對梯次利用“再造”各環節的一致性保障措施,可以有效降低電池熱失控的幾率,但仍無法防止再利用過程中一致性的再次離散[22]。雖然重組過程中通過溫度預警系統能比較有效地阻止電池熱失控的發生,但在外力干擾、電池內短路[48]等發生時,電池會瞬間大量放熱,使預警系統失效,引起著火爆炸等。配備充足的消防設施,并做好消防預案,以及在較高電池容量的梯次利用場景中,將電池分區域隔離放置,防止電池連鎖失控等,也是提高梯次利用中防護安全的重要措施。


3.3 基于應用場景的電池梯次利用安全保障綜合策略


當前我國動力鋰離子電池回收利用新政策剛開始施行,電池溯源管理平臺也剛開始啟動,退役電池歷史數據嚴重缺失,模組檢測評估與篩選重組等關鍵技術尚存瓶頸,應用市場剛開始起步,針對某種退役電池適合用場景選擇尚無具體評價標準,電池梯次利用面對巨大挑戰。梯次利用必須依據應用場景,采取以需求為導向的優化匹配策略,最大程度地消減安全風險。


首先全面分析梯次利用應用場景需求,把涉及電池安全的風險點,根據所需容量、性能、使用環境、經濟性等約束條件,逐一細化,并進行量化標定,形成應用需求安全風險數據庫。其次,對難于追溯原始身份數據和車載使用數據的動力鋰離子電池,強化對電池供應用商、車企和車隊運營商的生產、運營狀況的整體分析,分別對整批電池的材料體系、封裝形式、生產工藝、制造水平和BMS等,以及整批車型的應用領域、整個車隊的運行方式等進行分析,對照應用需求的安全風險指標,建立退役電池安全風險指標及數據庫。在建立上述兩大數據庫的基礎上,形成如圖4所示的安全綜合匹配策略框架,開展建模分析,進行以需求為導向的安全優化匹配決策。


圖4基于應用需求的退役動動力鋰離子電池梯次利用安全優化匹配策略框架


有關充(換)電站和移動充電車的梯次電池安全選擇,考慮其使用電池容量相對較大,對快速充電安全性要求高等特點,建議優先選用從城市公交客車應用領域退役的磷酸鐵鋰方形電池。因為此類應用領域的新能源客車,大多使用磷酸鐵鋰方形電池,重要在城市固定線路、以相對穩定的速度運行,充電方式以夜間利用谷電慢充為主,大多有公交公司或城市交通管理平臺等的數據可參考,相對其他應用領域的退役電池,安全性風險更低。有關新能源專用車退役電池的梯次利用,要充分考慮我國以純電動物流車、在城市配送應用為主的特點。電動物流車產業化相對其他兩種車型起步較晚,從2015年底首次進入年產銷量萬輛級,到2017年底累計應用約20萬輛。這類車輛因生產工具屬性高,應用環節對整車價格高度敏感,近幾年來正向開發的車型很少,電池品質和使用友好程度相對較低,潛在的安全性風險相對較高,充電站、移動充電車等場景不建議選用,其它應用場景盡量選用正向開發車型搭載的磷酸鐵鋰離子電池。乘用車的動力鋰離子電池相對其它車型要求較高,一致性較好,循環性能較好,大多為三元材料電池。出租車領域運營的新能源汽車,日平均使用里程高,常需快速補電,電池衰減快,剩余價值不高,除快遞電動三輪車適當選用外,其它場景慎用。相比出租車而言,近幾年興起的分時租賃(汽車共享)用純電動乘用車,日平均使用里程較短,以慢充為主,此工況退役的電池能量密度總體相對較高,安全性風險較低,梯次利用價值較高,除快遞純電動三輪車外,規模不大的充電站儲能也可選用。


4結語


退役動力鋰離子電池梯次利用的安全性決定了梯次利用市場的發展與未來,也是促進我國新能源汽車以及動力鋰離子電池產業本身健康快速發展,打好生態環保攻堅戰的關鍵。電池梯次利用是復雜的系統性社會化工程,消減安全風險,要綜合施策,基于應用需求,分步驟、有重點地建立確實有效的安全保障體系。在當前條件下,應在繼續開展大容量電網儲能梯次利用示范工程的同時,加快發展民用梯次利用產業。在當前民用市場重要應用場景下,應建立并采取基于應用場景需求的梯次利用電池安全優化匹配策略。同時,還要強化全生命周期安全風險消減與控制的理念,以應用需求為導向,前置融入梯次應用不同場景的需求,創新動力鋰離子電池傳統開發模式,定制化設計既滿足車用要求,又便于退役后拆卸拆解、檢測重組的電芯連接、模組連接和PACK模式;要強化民用市場應用場景產學研用各方合作,加快發展模組級和系統重組的快速無損檢測等技術與裝備。此外,還要大力扶持專業供應梯次利用電池“再造”、共享及維保服務的獨立運營商,以專業運營商為龍頭,構建能真正落實車企和電池廠等生產者主體延伸責任的全產業鏈協同創新應用體系,促進梯次利用民用市場快速成長。


第一作者及聯系人:吳小員(1968—),女,碩士,高級工程師,重要研究方向為新能源汽車(含電池等)產業與應用,E-mail:xywu@tongji.edu.cn。


引用本文:吳小員,王俊祥,田維超,左哲倫.基于應用需求的退役電池梯次利用安全策略[J].儲能科學與技術,2018,7(6):1094-1104.


WUXiaoyuan,WANGJunxiang,TIANWeichao,ZUOZhelun.Application-derivedsafetystrategyforsecondaryutilizationofretiredpowerbattery[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2018,7(6):1094-1104.


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