动力锂离子电池退役后不宜在电动自行车上实施梯次利用

郭春裕 卢骋 李伟权 王瑾 邹建华

摘要：我国新能源汽车市场已经快速发展了十多年，汽车用动力电池迎来第一波规模化的退役潮，锂电回收利用成为重要课题，但回收动力锂离子电池不宜在电动自行车上使用。此文将新能源汽车和电动自行车锂离子电池使用环境进行对比，并对新能源汽车退役动力锂离子电池应用在电动自行车上产生的风险点进行分析。

关键词：风险;电动自行车;动力锂离子电池;梯次利用

1    概述

随着新能源汽车行业的蓬勃发展，动力锂离子电池得到了广泛应用。但是，由于动力锂离子电池使用寿命有限，随着产业发展，越来越多的动力锂离子电池面临退役问题。根据中国汽车技术研究中心有限公司的测算，2020年累计退役的动力锂离子电池将超过20万t [1]。而退役的锂离子电池还具有很大的剩余容量，直接报废会造成极大的资源浪费和环境问题[2] 。退役的动力电池梯次利用符合国家战略需求[3]，工业和信息化部、科技部、生态环境部、商务部、市场监管总局联合印发《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法》  （工信部联节〔2021〕114号）[4]，标志着国家开始鼓励梯次利用产业化，梯次利用将成为各新能源汽车生产等相关企业相互竞争的新赛道。

动力电池的梯次利用通常是将退役后还具有60%～80%原始容量的动力电池筛选出来，由企业根据梯次利用指标对电池包、模组和电芯进行评估以确定是否可以直接梯次利用，或者根据其健康状况分为若干等级后将其应用于其他对电池性能要求较低的场景[5]，如储能、备用电源、低速车等。电动自行车作为一种低速运行的交通工具，在目前是梯次利用电池的主要去向之一。但是，电动自行车上使用的锂离子电池从广泛意义上来说也是动力电池，将新能源汽车上退役下来的锂离子电池使用在电动自行车上會带来很多安全隐患。

2    电动自行车与新能源汽车锂离子电池使用环境对比

在日常生活中，我们一般会认为新能源汽车经常高速行驶，而电动自行车行驶速度相对较低，因此电动自行车对作为动力的锂离子电池比新能源汽车的使用要求要低一些。表1从研发投入、使用环境、产品设计以及后期保养等几个方面，对电动自行车和新能源汽车上的锂离子电池使用环境做了对比：

通过电动自行车和新能源汽车锂离子电池的使用环境的比较，我们可以发现，虽然电动自行车的行驶速度低于新能源汽车，但是与新能源汽车锂离子电池相比，电动自行车锂离子电池的使用环境较为恶劣。从设计上看，电动自行车用锂离子电池则受产品生产工艺及投入的影响，往往不能得到更好的保护;从使用上看，电动自行车受众更广泛，使用过程中受外部环境影响更大，且充电和放电环境较混乱，易带来安全风险。

电动自行车锂离子电池在使用过程中易发生因过充电、外部短路、振动冲击等引起的自燃、自爆安全事故，并呈现逐年增长态势。据消防救援部门统计，2021年1月—6月，全国发生电动车火灾事故6 462起。从起火原因看，电气故障和自燃是造成电动车火灾的主要原因，分别占电动车火灾总数的62.1%和23.5%;而过充电、电池单体故障、电气线路短路是导致电动车电气火灾的根本原因[6] 。

3  锂离子电池安全风险分析

安全性能是动力锂离子电池梯次利用最需关注的性能。锂离子电池在经过长时间的使用后，电池内部特性会发生显著变化，并导致其安全性能随着使用过程逐步降低[7]。因此，国家发布多项规定，严格要求确保退役电池用于梯次利用的安全性[8]。

经过长期使用的锂离子电池，其内部结构物质会发生明显变化，进而导致容量衰减、内阻增大、热稳定性降低、耐过充性能降低等现象[9]。此外，锂离子电池在循环过程中，尤其在低温环境下充电，锂离子无法进入电极材料而在电极表面沉积，形成析锂的现象[10]。析锂会带来锂枝晶的生长，一旦锂枝晶刺破隔膜就有可能导致锂离子电池发生内短路，进而引发热失控、起火甚至爆炸。在现阶段，析锂一般要依靠拆解电芯才能够发现，仅对电池做电性能检测很难发现相关问题，存在很大的安全隐患。

此外，电芯的一致性也是一个大问题。退役电池被拆解到模组程度进行梯次利用在成本上是最合理的方式[11]。但是，由于在生产过程中，每一个单体电芯都或多或少存在差异，在长期使用中由于电芯的使用顺序、环境温度等的不同，会进一步放大差异。而一旦出现电芯不一致的情况，就会使部分电芯发生过充过放等现象，导致快速衰退;而且，内阻越大的电芯发热量也越大，导致温度不平衡，甚至导致温度过高进而诱发热失控[12]。在拆解过程中，电芯一致性的筛选往往基于容量等电信号信息，然而即使容量相当，经过长期使用的电池内部结构变化也是不同的。因此虽经过简单筛选，但在梯次利用后的使用中，这种不一致性还是会逐渐暴露出来，并增加梯次利用电池的安全隐患。

此外，梯次产品应有商品条码标识，并按GB/T 34014—2017《汽车动力蓄电池编码规则》统一编码，在梯次产品标识上标明（但不限于）标称容量、标称电压、梯次利用企业名称、地址、产品产地、溯源编码等信息，并保留原动力蓄电池编码。我国梯次利用市场的发展处于初级阶段，相关监管尚不完善，导致某些商家会将退役电池以次充好，通过低价销售到没有资质的电池PACK企业进行组装，组装后的电池组没有任何相关梯次利用的标志标识，而一般的消费者无法辨别购买的锂离子电池质量优劣，这将进一步导致安全隐患增加。

4    小结

我国2019年实施的新版《电动自行车安全技术规范》要求，电动自行车最高车速不高于25 km/h、整车质量不大于55 kg等，倒逼制造商采用轻量化设计，电动自行车行业有锂离子电池替换铅酸电池的市场趋势。

锂离子电池随着使用时间增长，其安全性能会逐渐下降，即使通过筛选，梯次利用锂离子电池的安全风险也高于新电池。而电动自行车从设计、使用及维护保养等方面，比新能源汽车对锂离子电池的保护和监控都薄弱一些。将新能源汽车上退役下来的锂离子电池梯次利用在电动自行车上，这将增加电动自行车的自燃、爆燃的安全隐患。因此，退役动力锂离子电池不宜在电动自行车上梯次利用。同时，监管部门应加强退役动力锂离子电池的源头管理，增强对梯次利用锂离子电池组装企业的监管力度，同时向社会发布风险警示，增强消费者的安全意识。

参考文献

[1]郭苑，祁春玉.车用动力电池回收利用政策及标准分析[J].汽车实用技术，2021，46（15）：177-180、194.

[2]徐懋，刘东，王德钊.退役磷酸铁锂动力电池梯次利用分析[J].电源技术，2020，44（08）：1227-1230.

[3]余海军，袁杰，李长东，黎俊茂，张铜柱.电动汽车用动力蓄电池回收利用标准化发展思路研究[J].汽车与配件，2012（41）：20-23.

[4]工业和信息化部，科技部，生态环境部，商务部，市场监管总局.新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法[EB/OL]. （2021-08-19）[2021-08-29]. https：//www.miit.gov.cn/zwgk/zcwj/wjfb/tz/art/2021/art_1f80e80e76414a9698a076c03eac4d0b.html.

[5]周媛，王鋒，信天，周广旭.退役动力电池梯次利用评估标准UL 1974：2018解读[J/OL].电池：1-4[2021-08-29].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1129.TM. 20210602. 1105.002. html.

[6]应急管理部消防救援局.今年以来全国发生电动车火灾6462起[OL]. （2021-07-21）[2021-08-29].https：//www.119.gov.cn/article/441xrAEgvx9.

[7]吴远忠，黄菊文，朱昊晨，贺文智，李光明.废旧锂离子动力电池的性能和梯次利用的可能性研究[J].上海节能，2021（01）：32-37.

[8]刘文婷. 退役电池梯次利用须把好安全关[N]. 新能源汽车，2019-06-03（004）.

[9]任东生，冯旭宁，韩雪冰，卢兰光，欧阳明高.锂离子电池全生命周期安全性演变研究进展[J].储能科学与技术，2018，7（06）：957-966.

[10]刘雨晴，李建林，张剑辉，马速良.退役电池梯次利用安全性分析[J].分布式能源，2021，6（01）：7-13.

[11] 李建林，李雅欣，吕超，赵伟，周京华.退役动力电池梯次利用关键技术及现状分析[J].电力系统自动化，2020，44（13）：172-183.