评估退役动力电池能否梯次利用简易装置的设计

杨洛书 魏嵊峰 余义杰 杨建锋

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨150000）

全球能源危机日益加剧，同时传统化石能源粗放式应用造成的环境污染严重威胁着人类的健康生存，而电动汽车在缓解能源危机、解决城市雾霾方面具有很大优势。目前电动汽车广泛采用磷酸铁锂型动力锂离子电池作为动力源，主要考虑到这种类型动力锂离子电池正极材料安全性较高、价格相对较低以及对环境友好等优点。

正因为电动汽车在解决城市环境危机方面优势明显，近年来行业整体发展迅猛。动力电池作为电动汽车的动力电源仍然是制约电动汽车行业发展的瓶颈，尽管锂离子电池的研究一直是各大高校及科研院所的研究热点，但电池成本仍然居高不下。锂离子动力电池价格高昂固然与电池行业整体生产水平、电池材料价格高有关，但是将电动汽车上退役下来的锂离子动力电池经过筛选重组，重新梯次利用到其他对电池性能要求相对较低的场合，这将大大降低锂离子动力电池的实际利用价格，更有利于废弃物资源节约化的发展方向。本文通过研究退役电池电化学性能，分析退役锂离子动力电池梯次利用可行性，为退役锂离子动力电池资源化、合理化利用提供技术依据。

1 实验

实验中采用磷酸铁锂型软包锂离子动力电池作为研究对象，电池容量大小为20Ah，生产厂家为河南环宇赛尔新能源科技有限公司。实验中用到设备包括：电池内阻测试仪（日本日置，HIOKI-3554），锂电池充放电仪（杭州可靠性仪器厂），高低温箱（北京雅士林设备有限公司），热成像仪（FLIR）。电池高低温环境下放电性能实验是在高低温箱中模拟进行，高低温箱具备防爆排气功能。

文中退役锂离子动力电池（退役电池）都定义为电池在电动汽车上运行一定年限后，由于电池组整体容量无法满足动力电池性能要求而退运，且经过内外特性分选后的合格单体电池；报废锂离子动力电池（报废电池）是指从电动汽车上卸载下的电池被筛选以后，其外部形态或者容量、内阻等电化学性能不再适合梯次利用的电池。

2 结果讨论

2.1 电池分选

将电动汽车上退役下来的锂离子动力电池组进行拆解，首先根据电池外部形态初次筛选，筛选标准包括电池极耳是否完好，电池是否发软、鼓胀以及表面起皱。

2.2 退役动力锂离子电池电化学性能分析

2.2.1 额定容量测试

锂电池的额定容量测试机制如下：

（1）将锂电池进行1C 恒流充电（CC）至电压为3.65V,转恒压充电（CV）至电流为0.05C 时截止；

（2）静置10min；

（3）将电池进行1C 恒流放电（CD），至放电截止电压为2.0V；

（4）静置10min；

按上述步骤，可测得单体电池的额定放电容量。

2.2.2 剩余寿命测试

退役电池的剩余容量测试机制如下：

（1）将单体电池进行1C 恒流充电至电压达到3.65V,转恒压充电至电流为0.05C 时截止；

（2）静置10min；

（3）将电池按照定的条件恒电流放电；

（4）静置10min；

按上述步骤，可测得单体电池在该放电条件下的剩余放电容量。

重复该充电放电步骤，记录下每次充放电结束以后的电池余量，一共测试50 次左右，直达剩余电量是额定电量的70%～80%结束。

2.2.3 电压测量

将单块电池充满后以恒定电流1/5A 放电，在放电时，利用电压电阻测试仪每5 分钟记录一次此时的电压值，直到放电结束。

在一次放电过程时电压随时间的变化都记录下来，包括起始电压，截止电压。

每次充放电时的时间间隔，静置时间保持不变。

进行尽可能多的充放电实验，直到剩余容量为额定容量的70%～80%，将每一次放电时电压随时间的变化都记录下来。

2.2.4 电流的测量

将单块电池充满后以恒定电压放电，在放电时，利用电压电阻测试仪每5 分钟记录一次此时的电流值，直到放电结束。在一次放电过程时电流随时间的变化都记录下来，包括起始电流，截止电流。

每次充放电时的时间间隔，静置时间保持不变。

进行尽可能多的充放电实验，将每一次放电时电流随时间的变化都记录下来。

2.2.5 电阻的测量

将单块电池充满后以恒定电流1/5A 放电，在放电时，利用电压电阻测试仪每5 分钟记录一次此时的电阻值，直到放电结束。

在一次放电过程时电阻随时间的变化都记录下来，包括起始电阻，截止电阻。

每次充放电时的时间间隔，静置时间保持不变。

进行尽可能多的充放电实验，将每一次放电时电阻随时间的变化都记录下来。

2.2.6 SOC-OCV 测试

锂电池的SOC-OCV 测试机制如下：

（1）将电池以一定的倍率恒流充电, SOC 每间隔10%，静置1h，测得电池的开路电压；

（2）重复进行第1 步充电，直至电池的SOC=0；

（3）将锂电池以一定的倍率恒流放电SOC 每间隔10%，静置1h,测得电池的开路电压；

（4）重复进行第3 步放电，直至电池的SOC=0；

按上述步骤，可测得锂电池在该充放电条件下的SOC-OCV曲线。

3 结果与讨论

从电动汽车上退役下来的锂离子动力电池，经过分选重组后，梯次利用价值巨大。从退役电池电化学性能研究发现，与新电池相比经过重组后其在容量、内阻及一致性方面，均满足梯次利用过程中对电池要求，退役电池在低温场合中梯次利用要尤其做好加热及保温防护；退役电池热成像测试结果表明，电池在充放电时表面温度分布均匀，温差小；退役电池安全性测试结果也说明其安全性满足梯次利用要求，退役电池梯次利用价值及潜力巨大。