锂离子动力电池梯次利用的研究与应用进展*

来文青，王永红，石海鹏，燕思潼，张倩然

(1 国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010；2 国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010000)

近些年，全球的新能源汽车市场突飞猛进。据第一电动网数据，2019年全球销量221万辆。能取得如此突出成绩，中国市场扮演着至关重要的角色。2019年中国市场销量达120万辆，全球占比超5成。但由于2020年初的全球新型冠状病毒疫情的影响及国家补贴政策的逐步减少，新能源汽车销量或将发生断崖式下跌。

据中国新能源汽车网数据，如图1所示，2019年中国动力电池装机量62.2 GWh，同比增加9.3%。正极材料类型中三元材料和磷酸铁锂材料仍占主体地位，三元电池将成为主流动力电池。

图1 近几年我国动力电池装机量Fig.1 Installed capacity of power batteries in China in recent years

按照乘用动力电车电池使用寿命为8年和商用使用寿命5年来估算，之前装机的动力电池陆续在2018-2025年进入退役期，预计2022年将达到32.94 GWh[1]。由此带动动力电池回收市场高速发展，乐观估计，我国动力电池回收利用市场规模，2020年将达到110亿元，到2025年将达到380亿元[2]。

此外，新能源汽车动力电池的各项性能随着日常的使用而衰减[3]。为保证新能源汽车日常安全使用，当动力电池性能衰减到原动力电池的80%时必须进行退役，但退役动力电池仍具有较高的剩余价值。

退役动力电池回收再利用分为梯次利用和拆解回收，如图2所示。梯次利用是指将退役电池，进行回收、筛选、再利用于其他领域。典型用于储能领域，如风光储能、削峰填谷、备用电源、家庭电能调节等[4]。目前70%以上回收的退役动力电池用于梯次利用，这样可以缓解回收压力、降低环境污染、提高资源利用，提升经济效益，是目前最有前景、潜力巨大的新兴行业[5-6]。

图2 退役动力电池回收过程Fig.2 Recovery process of retired power battery

因此，本文拟对退役动力电池梯次利用国内外技术研究进行阐述，从电池评价和应用角度分析了电池梯次利用技术的可行性，指出其中仍存在的问题并进行展望。

1 动力电池退役标准

通常将初始剩余容量的70%～80%设置为电池首次寿命的安全阈值，并将其作为动力电池的通用退役标准[7]。然而，从电池在二次利用后，报废标准是否符合这样的标准仍不确定，其适用性仍存在疑问。

对于消费者而言，对电池使用具有合法权益，为了保证利益最大化，电池退役很可能会依据电池退役标准或者保修日期来进行退役。这意味着电池退役时会处于某特定健康状态或特定时期。倘若动力电池的所有权是新能源汽车生产厂家，很可能在电池不能满足客户需求或新能源汽车报废等情况更换电池。这将导致退役电池具有不同的实际容量和内部电阻值，其循环圈数也不同。

另外，通用的汽车寿命为10～12年，年平均行驶距离是12.5～20×103公里，大多数电动汽车可能会以12～24×104km的行驶距离退役。对于电池容量在20 kW时范围内的电动汽车，实际行驶里程为100 km，这意味着电动汽车在执行1200～2400次全循环后电池将报废。如果是更先进的电动汽车，电池容量在40～60 kW时(如特斯拉Modle S)，实际行驶里程大于300 km，需400～800次全循环，才可满足上述行驶距离。当然，日历寿命老化也会对10～12年电动汽车使用期间的电池寿命产生重大影响，这比纯循环导致的老化更为严重，但大多数最先进的电池目前能够在达到20%的容量损失之前满足全循环要求。

退役动力电池的健康状态，决定着其剩余使用价值和市场价格。考虑到电池梯次利用的实际情况，需要对二次电池进行可行性技术评估。

2 动力电池梯次利用技术现状

与新电池相比，退役动力电池在性能和安全性上都有一定幅度下降，且每个单体电池在退役后的使用程度不同，性能差异较大。所以在梯次利用前，必须开展相关的技术研究。如图3所示，首先评估退役动力电池状态和剩余价值，判断能否梯次利用；其次进行寿命评估及安全性能研究，考虑其合适的使用领域；进一步分析梯次利用各环节成本，进行经济性技术评估；最后研究梯次利用电池的报废条件，以确保电池能在不发生安全事故的前提下，发挥最大的电池性能。本工作主要从图3中的“能否用”和“怎么用”两个角度，即电池评价和应用角度，来对动力电池梯次利用技术进行详细阐述。

图3 动力电池梯次利用的技术体系架构Fig.3 Technical architecture of power battery echelon utilization

2.1 梯次利用电池评价研究

电池的健康状态决定着梯次利用的技术或经济可行性，通过二次电池进行评价，使得二次电池相比于新电池，具有更大的使用空间[8-9]。

Tong等[10]监测了电网中磷酸铁锂退役动力电池的容量衰减情况，电池在1C倍率，80%DOD的放电深度条件下，进行充放电循环，在达到二次寿命终止时，进行了1400个循环，这相当于在离网光伏新能源充电站上运行将近5.5年。Omar等[11]对两块40 Ah LiFePO4电池的第二寿命老化性能进行了分析。两个电池都在1C-100%DOD的条件下经历了首次生命周期，直到达到其初始容量的80%(约350次循环)。在首次循环寿命终止时，两块单体电池容量及其功率容量保持相似。对于第二次生命周期测试，两个电池均以1C恒流充电，以2C恒流放电，放电深度80%DOD。容量衰减的演变呈现出其第二寿命的不同阶段。在前1000个周期中，两个电池均显示出非常相似的线性容量下降趋势。然后，一个电池的容量衰减显着加快，而另一个保持稳定的趋势。通过评估Peukert数的演变，往返效率和两个电池的内阻，进一步研究了电池之间的这种差异，但是没有获得的结果显示出容量衰减不均等的结论性原因。Baumhofer等[8]对48块三元电池进行老化循环，条件是2C-60%DOD，直至其剩余容量到达约43%。在第一生命周期中，大约循环1000次后，剩余容量为85%。之后老化行为加速，又进行约750个循环后，剩余容量到达43%，这种现象通常称为容量跳水现象。

Andoni等[12]解释了发生容量跳水现象的原因，由于主要的老化机制发生了变化，出于安全原因应立即停用，这些电池既不能用于汽车用途，也不能用于第二次使用。在发生容量跳水后，电池会胀气鼓包，这种电池安全事件的危险后果甚至在实际应用中更为显着，在实际应用中，电池在压力下堆叠以形成电池模块。同时，电池的二次使用并没有减慢容量快速下降的趋势，在这种退化阶段的电池几乎不可能提供稳定且持久的第二次使用性能。在二次电池测试中若考虑退化程度不同的电池，则电池在达到容量跳水前，及时对其重新评价，可以重新使用。

Mohamed等[13]对退役后的EIG公司7 Ah电池单体和18650磷酸铁锂电池模组进行了全面的性能分析。结果表明，电化学阻抗谱测试可用于描述锂离子健康状态和深度老化机制，可以通过软件建立等效电路来模拟退役电池，模拟后误差精度小于2%。此外，Mohamed对退役电池模组运用电池管理系统(BMS)来构建梯次利用实验装置，该系统通过监测单体电压、电流和温度来保护平衡电池使用。工作原理是使用15欧姆电阻器来均衡电池组电压，使用低精度精密分流欧姆电阻器(0.25%的精度)测量电池模组电流。

王绥军等[14]研究了退役动力电池的低温安全性能。该实验在-10 ℃、0 ℃和25 ℃环境中进行充放电循环。结果-10 ℃循环后负极极片的表面有锂枝晶出现，极易刺破隔膜，造成内部短路，导致低温性能衰减、安全性能降低。因此，不建议在低温条件进行梯次利用。赵光金等[15]为使退役电池保持一致，利用电池均衡管理技术，提出一种智能分时主动被动协同均衡技术，该技术融合主被动均衡的优点，通过对硬件电路的修改，在不同使用情况下运用不同均衡方式。

综上所述，对于所研究的锂离子电池参考，二次使用的技术可行性在很大程度上取决于第一次使用期间的电池老化历史，电池汽车报废的时间点以及目标第二次使用的要求。

2.2 梯次利用电池应用研究

早在2011年，Viswanathan等[16]进行了在电力系统中动力电池梯次利用的经济性研究，该研究分析了梯次利用时不同工况对经济效益的影响，并提出经济性收益评估方法。Reinhard等[17]开发了一个具有集成光伏存储系统的家庭仿真模型，用来研究退役动力电池在住宅应用中负荷转移和调峰的经济可行性。Lih等[18]从环保角度研究了退役动力电池梯次利用工艺及成本，估算使用产生的效益率，提出一种用于电网储能的新型模式。

Machuca等[19]运用数学模型对德国2030年之前事故和报废车辆的动力电池中可用于梯次利用的电池数量进行了预测，该模型的数据来自德国2010年至2030年新登记的新能源汽车的估计数量、德国汽车的事故率以及汽车的平均寿命，结果表明2030年可用的梯次使用电池总量将在130000节/年至500000节/年之间。若将该模型运用到中国梯次利用市场中，其结果将会带来极大参考价值。

Martinez等[20]从镍钴锰三元锂电池健康状态和老化历史两个角度，研究在住宅需求管理应用和电源平滑可再生整合应用对电池性能的影响。该研究证明通用的动力电池退役标准(容量保持率在80%以下)不适用于三元锂电池，在电池达到老化阶段后重新使用该电池时，老化趋势没有得到减缓。该研究评估了电池老化历史和健康状态对电池性能和退化行为的影响，分析了均相和非均相电池组的性能曲线。结果显示，第一寿命电池老化历史对第二寿命电池的性能和退化产生强烈影响，所以监控和筛选电池对于梯次利用技术可行性至关重要。

国内研究机构对梯次利用也开展了研究。谢英豪等[21]研究动力电池梯次利用时容量和安全性变化，发现无论是否重组，电池梯次利用时的一致性均比退役前衰退的更快。李建林等[22]采用数学方法对退役电池梯次利用循环测试进行数据拟合，结果表明在平抑波动、削峰填谷领域，退役电池容量保持率大于60%时更具有成本优势；在接近80%时的备用电源场景成本较低。因此考虑退役电池商业化，必须合理应用退役电池梯次利用适用领域。

在梯次利用研究过程中，电池管理系统对整个电池模组的安全运行、控制策略及充电模式的选择、监测电池荷电状态、运营成本意义重大。刘璐等[23]针对储能动力电池梯次利用时容量衰减不一致的特点，提出100 kWh梯次利用储能电池安全管理系统，该系统采用离线主动均衡方式进行容量补偿，建立系统级安全策略和多级报警策略，对储能电池多项关键参数进行保护。

总之，从国内外多个研究机构从事的梯次利用技术研究工作中可以看出，动力电池梯次利用最关键的技术在于电池管理系统和应用经济性研究。因此，如何高效的进行电池梯次利用，并根据不同电池模组的性能、循环寿命等数据进行系统集成为主要突破点。

3 结 语

本文综述了新能源汽车锂离子动力电池梯次利用的研究与应用进展，从电池评价和应用角度分析了电池梯次利用技术的可行性，详细的探讨了国内外研究者的梯次利用研究工作，指出其中仍存在的问题并进行展望。

需要指出的是，退役电池梯次利用领域主导市场以电池企业居多，多数汽车企业投入力度较小，因此很多学者以固定的计算模式来评估梯次利用的可行性，这个方法具有不确定性，应呼吁更多的企业来参与其中，整体行业需要相应大型用户和高新科技企业做引导研究，才能实现行业产业化突破。

学者对电池老化及容量跳水的机理研究不深入且研究较少，需进一步研究梯次利用动力电池的老化机理及内部结构变化，以满足实际使用需求。同时，实验室研究技术应用到大规模工业生产中较困难，实现经济效益的最大化还有待进一步研究。

总体来看，梯次利用虽然已经引起政府部门、科研机构、部分企业的关注和研究，但还没有引起大量的资源投入，属于“蓝海”市场。随着退役动力电池总量的爆发，这一领域所潜藏的巨大商业机遇，必将引起众多企业积极参与和激烈竞争。新的产品、技术和商业模式在未来都会层出不穷，未来退役动力电池的梯次利用利用产业势必成为一个新兴产业，具有极大发展空间。