退役电池拆解研究现状与展望

刘建利，张 虬，王颖超，吕超辉，朱宵阳

（天津力神电池股份有限公司，天津 300384）

0 引 言

截至2022 年底，全国新能源汽车保有量达1 310 万辆，占汽车总量的4.10%，扣除报废注销量比2021 年增加526 万辆，增长67.13%。同时，各类新能源汽车动力电池也逐渐进入规模化衰减期、退役期。2021 年，我国退役电池累计约为33.95 GW·h。

目前，当人们谈论动力电池能量密度、电池性能、电池原材料、电池衰减以及续航里程等有关问题时，不得不密切地关注到相应产生的梯次电池回收利用市场。由于退役产品拆解过程环节繁杂、环境和物料等监管难度大，缺乏柔性高效拆解装备，导致拆解仍存在很多问题。本论文针对新能源汽车动力电池拆解方法进行研究。

退役电池一般指车用动力电池或储能电池容量低于80%或与客户签订的技术协议约定的寿命，电动汽车的续航里程已经不能满足要求，达不到使用标准的电池组件将会退役，大部分退役电池剩余容量仍相对较高，具有较大梯次利用价值，可以通过拆解后对电池包、电池模组、单体电池进行重新配组的方式，用于低速车、通信基站、灯杆储能或其他储能等领域[1]。

1 退役电池梯次利用方式

通过离线数据与在线检测相结合的方式，检测退役电池剩余容量、电压、内阻等关键参数，对其剩余寿命进行估计，根据电池状态进行快速分级并制定不同的梯次利用方案研究，可分别实现电池包级别、电池模块级别或单体电池级别的循环再利用，对于无法梯次利用的电池可通过回收电池材料的方式实现循环再利用， 锂离子电池主要由正极片、负极片、隔膜以及电解液等4 个部分组成[2]。电池包快速分级流程如图1 所示。

图1 电池包快速分级流程

2 退役电池拆解流程

2.1 拆解线体注意事项

（1）线体应配备专业防护罩、专用起吊工具、起吊设备、专用拆解工作台、专用取模器条码专用模块拆解设备等。

（2）整线考虑绝缘安全；电池堆放存储要符合环保部要求。

（3）箱体码、模组码、电芯码联网上传，遇到模糊或损坏的条码，联网工信部进行关联比对获得。

（4）拆解作业人员需持有相应的职业资格证书，如电工证等，首个工位需要进行绝缘检测，操作人员需做好个人高压安全防护，用绝缘垫将动力电池与操作台隔开，穿戴好绝缘手套、耐压绝缘鞋、防护眼镜以及防静电服等，使用专用绝缘工具操作时周围应布置隔离栏或者警戒线，同时摆放高压触电危险标识，操作间配备相应的消防器材[3]。

（5）线边规划物料缓存区、不良检修区。

2.2 拆解流程

（1）退役电池包数据筛选，查电池系统的客户端运行数据，包括电池系统的容量、电量、单体电压以及温度等信息及故障记录，将问题进行识别。

（2）将电池包外观进行开盖检查，标准为无变形、裂纹、表面平整干燥、无外伤、部件外观良好、无扭曲、变形、开裂、电池包底部无明显凹坑以及划伤等问题，如有异常需要将电池包拆解成模组。

（3）电池包进行功能测试、绝缘耐压测试，绝缘阻值至少应该有500 Ω/V，具体标准参考各项目绝缘标准，绝缘不过的排出返检区，单独进行拆解。

（4）将数据无问题、外观合格、功能正常以及绝缘OK 的电池包组成电池系统后，进行电连接及容量测试。将容量大于等于80%标称容量的电池包进行扣盖、气密性测试；将容量小于80%标称容量的电池包将其拆解成电池模组。

（5）拆除电池包手动维护开关（Manual ServiceDisconnect，MSD）、外接导线及脱落的附属件。

（6）拆除高压线束、线路板、高压安全盒等安全部件。

（7）根据电池模块的位置和固定方式，拆除相关固定件、冷却系统等部件，采用专用取模器移除模块。

（8）将电池模组外观进行开盖检查，标准为无变形、裂纹、表面平整干燥、无外伤、部件外观良好、无扭曲、变形、开裂、电池模组底部无明显凹坑以及划伤等问题，如有异常需要将电池包拆解成电池单体。

（9）将外观合格、电压及内阻正常、绝缘OK的电池模组串联后进行电连接及容量测试，将容量≥80%标称容量的电池模组按照电压、荷电状态（State of Charge，SoC）、容量等参数配组电池包；将容量＜80%标称容量的电池模组将其拆解成电池单体。

（10）将单体电芯外观进行检查，标准为无变形、裂纹、表面平整干燥、无外伤、部件外观良好、无扭曲、变形、凹坑、划伤以及开裂等问题，如有异常需要进行单体电芯拆解。

（11）将单体电芯进行电压内阻测试，将电压、内阻超规格的需要进行单体电芯拆解。

（12）电压、内阻在规格内的进行容量测试，将容量大于等于80%标称容量的单体电芯组成电池模组；将容量小于80%标称容量的单体电芯将其进行拆解。

（13）将容量大于等于80%标称容量且绝缘膜存在损伤的单体电芯，需对蓝膜进行清洁，然后重新测量电芯静态电压，根据静态电压对电芯进行分组，以保证模组的一致性，并将电芯包膜后组装成电池模组。

3 退役电池拆解存在问题点与解决措施

3.1 风险点分析

3.1.1 电池包、电池模组绝缘耐压测试

需要使用绝缘耐压测试仪测量电池包/电池模组的绝缘及耐压，绝缘耐压测试的示意如图2 所示，共需要测量4 次，分别为电池包/模组的总正与外壳、电池包/模组的总负与外壳、电池包/模组加热口与外壳以及电池包/模组加热口对总正。每次测试均需要人工将测试夹子夹到对应位置然后进行测试，测试方法如图3 所示。测试完成后将绝缘、耐压结果记在记录表中。该方式过程较为烦琐，测试时间长，车用动力电池系统一般电压都大于250 V，因此操作人员存在触电的风险[4]。

图2 绝缘耐压测试示意

图3 测试位置

3.1.2 取出电池模组

部分项目的电池包箱体底部涂有导热结构胶，导致电池模组底部与电池包箱体粘接在一起，人员使用吊钩无法将电池模组从电池包中抬出，该方案人员劳动强度较大，效率较低。废旧动力电池单体的拆解有很多安全隐患，残余的电量加上不规范的操作，很可能引发自燃甚至爆炸，直接威胁拆解人员和设备的安全[5]。

3.1.3 串并联焊点分离

需要人工使用偏口钳将汇流排撕下，再使用錾刀将焊核砸掉，最后使用打磨器将电池极柱表面磨平。该方案对于员工技能要求高，容易造成电芯损伤，并且效率低。

3.1.4 端侧板分离

需要人工使用錾刀将端侧板焊接处砸开，该方案对于员工技能要求高，人员劳动强度较大，效率较低，并且存在安全风险。

3.1.5 电芯分离

需要人工用手掰2支相邻电芯，将电芯进行分离，人员劳动强度较大，效率较低，并且存在电芯短路的风险。

3.1.6 单体电池电压及内阻测试

首先扫描电芯二维码，然后人工使用电压内阻测量仪将表笔夹在电芯正、负极柱上，将电压、内阻数值记录在Excel 表中，需要人工对确认测试结果是否合格。该方案测试效率较低，并且存在信息录入错误的风险。

3.1.7 电池蓝膜清洁

首先用手将电芯蓝膜撕除，由于蓝膜的胶与电池壳粘接牢固，导致蓝膜无法撕除干净，还需要将剩余部分进行清除，做了各种实验，目前有2 种方式可以清除。

方式1：使用碳酸二甲酯（Dimethyl Carbonate，DMC）溶液浸润含有残胶的电池外壳，将残胶进行溶解，然后使用橡皮膏将残胶粘下来。

方式2：使用DMC 溶液浸润含有残胶的电池外壳，将残胶进行溶解，然后使用聚对苯二甲酸乙二醇酯 （Polyethyl Eneglycol Eerephthalate，PET）打包带或者其他非金属材质的物品将残胶清下来，保证电芯外壳不被划伤。

以上2 种方式清洁时间均很长，清洁1 支电池时间超过1 h，并且会消耗很多材料、清洁难度大、清洁强度高。

3.2 解决措施

3.2.1 电池包、电池模组绝缘耐压测试

搭建绝缘耐压测试站，通过自动化的测试方法替代人工操作环节，提高测试效率及测试数据的准确性，人员操作时需要佩戴绝缘耐压手套将测试夹子夹到电池包/模组的总正、电池包/模组的总负、电池包/模组加热口以及电池包/模组外壳。通过软件控制继电器闭合/断开，分别测试电池包/模组的总正与外壳；电池包/模组的总负与外壳；电池包/模组加热口与外壳；电池包/模组加热口对总正的绝缘耐压值，绝缘耐压数值可以直接上传到制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）。该方案操作简单，测试时间短，并避免出现安全风险。

3.2.2 取出电池模组

搭建龙门吊机构，将龙门吊固定在地面上，在龙门吊上安装电池包固定工装，并在龙门吊上安装电池模组的吊装工装，拆解时人员需要将电池包通过固定工装固定在龙门吊上，然后将吊装工装的吊钩吊在电池模组上，使用操作手柄控制吊装工装上升，将电池模组从电池包中取出。该方式可以解决轻松将电池模组从电池箱中拆出，避免出现安全风险。

3.2.3 并联焊点分离

安装铣床设备，铣床台面上安装电池模组固定工装，铣刀做限位装置。操作人员首先将电池模组摆放在铣床台面上，使用固定工装对其进行固定，其次针对汇流排材质、汇流排厚度、焊接面积选择合适的铣刀并设置转速及限位，再次人员通过摇臂控制铣刀下降速度，铣掉汇流排与电池极柱焊接位置，将电池与汇流排分离，最后检查电池极柱，保证极柱面平整度，如平整度有问题，用打磨器对其进行磨平处理，该方案可保证电芯不会损伤，并且效率高。

3.2.4 端侧板分离

安装切割设备，切割设备台面上安装电池模组固定工装，切片做限位装置，操作人员首先将电池模组摆放在切割设备台面上，使用固定工装对其进行固定，其次针对侧板材质、厚度选择合适的切片，并设置转速及限位，最后人员控制切割与端板贴合处的侧板，将端板与侧板分离，该方案可保证拆解效率高，避免出现安全风险。

3.2.5 电芯分离

人工使用楔形绝缘块分离相邻电芯，可降低人员劳动强度，提升效率，避免出现电芯短路的风险。

3.2.6 单体电池电压及内阻测试

搭建电池电压及内阻测试设备，通过自动化测试方法替代人工操作环节，提高测试效率及测试数据的准确性，人员需要将电池摆放在测试框中，不同型号的电芯需要更换测试框内衬及测试针板，并在测试设备中设定电压、内阻的范围，通过软件控制继电器闭合/断开，分别测试各个电池的电压、内阻，电压、内阻数值可以直接上传到MES 中，并且设备界面中还会显示出每支电池测试是否合格，人员可直接将测试合格的电池与测试不合格电池进行分类处理，该方案测试效率高，不存在信息录入错误的风险。

3.2.7 电池蓝膜清洁

安装电芯蓝膜激光清洗设备，激光清洗台面上需要安装电芯定位工装。首先将电池外壳的结构胶使用錾刀进行清除，保证电芯蓝膜的洁净度。其次将电池摆放在定位工装上，被清洁的一面朝上，激光清洗设备分别对5 个面进行激光清洗。最后对电芯清洁效果进行检查，如每一面清洁不彻底，在该面继续进行一次激光清洗。该方案可保证清除后电芯表面无损伤、清洁效率高，也给操作人员提供了舒适的工作条件。

4 退役电池拆解方法升级展望

4.1 电池包、电池模组绝缘耐压测试

（1）机械手将电池包/模组抓取至绝缘耐压测试工位上。

（2）扫描电池包追溯码，通过国标码识别，与国家系统追溯平台对接，获取拆解拆解电池包初始信息（电压、内阻、体系等）。

（3）通过电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）检测识别，获取电池包/模组尺寸等特征信息。

（4）探针自动按压至测试点位，绝缘耐压测试仪通过软件控制继电器闭合/断开，分别测试电池包/模组的总正与外壳、电池包/模组的总负与外壳、电池包/模组加热口与外壳以及电池包/模组加热口对总正的绝缘耐压值，绝缘耐压数值可以直接上传到MES。

4.2 取出电池模组

（1）线体上配有多轴机器人，并在多轴机器人上配套电池模组兼容性强的抓取机械手。

（2）拆解时由机器人通过视觉识别系统，精准识别电池模组位置。

（3）机械手自动从电池箱内将电池模组抓取至线体。

4.3 并联焊点分离

（1）线体上配有伺服铣削控制系统，实现单体电芯极柱与Basbar 无损分离。

（2）模组流转到工位后，自动对模组进行固定，使用激光视觉识别系统，精准识别模组焊点位置。然后使用铣刀自动清洗焊点位置，保证电池表面无损。

（3）人工将上支架组件取下。

4.4 端侧板分离

（1）线体上配有伺服切割控制系统，实现电池模组端板与侧板自动切割。

（2）使用激光视觉识别系统，精准识别模组位置。

（3）通过精准定位定向定压技术，实现电池模组端板与侧板分离，保证电池表面无损。

（4）机械手将端板及侧板取下。

4.5 电芯分离

（1）线体先进的CCD 识别间隙与伺服切刀控制系统，从而实现单体电芯无损分离。

（2）模组流转到工位后，压头按压被分离的相邻电芯，夹爪抓取被分离的电芯，使用绝缘片切割缝隙处，使两支电池分离，然后夹爪将分离的电芯放于电池电压及内阻测试工位。

4.6 单体电池电压及内阻测试

（1）搭建多轴机器人并在多轴机器人上配套兼容性强的单体电池测试针板，并在测试系统中设定电压、内阻的范围。

（2）由机器人通过MES 系统，精准对单体电池（合格/不合格）进行分选。

4.7 电池蓝膜清洁

（1）搭建多轴机器人，并在多轴机器人上配套兼容性强的单体电池抓取机械手。

（2）由多轴机器人机械手抓取单体电池与激光清洗头协作完成单体电池5 个面的激光清洁。

5 结 论

通过筛选拆解、统一标准、重新组合等流程，针对以上关键工序进行改善，可以更好地解决退役电池系统拆解难题，使退役动力电池系统继续充分发挥电池剩余寿命，进一步降低动力电池全生命周期成本，再利用到储能（电网调峰调频、削峰填谷、风光储能、铁塔基站）及低速电动车等领域。