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基于应用需求的退役电池梯次利用安全策略

作者:吴小员等 来源:储能科学与技术 发布时间:2020-08-20 浏览:
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本研究以退役锂离子动力电池梯次利用的细分应用场景需求为导向,以我国新能源汽车推广应用历程为基础,结合政策、技术、产业与市场发展的实际,阐述了梯次利用关键环节的安全问题及其应对策略。介绍了退役动力电池梯次利用模式,总结了不同正极材料动力电池报废与梯次利用现状及趋势,指出了面临的挑战与机遇,分析了动力锂离子电池在生产和车用环节的安全隐患,以及退役后在四种不同应用场景下进行梯次利用的安全需求与风险,研究了与动力电池类型、车载应用安全基础等优化匹配的梯次利用安全策略框架,并提出了创新动力电池开发设计模式、发展梯次利用关键技术、加快商业模式创新、加速培育梯次利用市场等综合策略。

关键词: 动力电池;梯次利用;需求导向;安全性;综合策略

退役车用动力电池梯次利用是我国实施新能源汽车强国战略的重要任务,也是实现电池全生命周期价值最大化的主要途径。安全性和经济性是梯次利用的两大关键性挑战,其中安全性是前提和根本。为确保续航能力与运行安全,动力电池当容量衰减至额定容量80%时,通常需要从车上退役[1]。预计到2029年,全球新能源汽车每年将约有108 GW·h(3百万个电池包)动力电池退役[2]。按照新能源商用车(含客车和专用车)电池平均3年、乘用车电池平均5年的最佳在役时间计算[3],2018年开始,我国动力电池进入规模化退役期。2015年末至今,我国连续位居全球新能源汽车第一产销大国,当前动力电池退役后的安全、高效处置,将迎来空前的市场机遇,同时也面临巨大的风险挑战。对此,我国高度重视,早在2012年国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》就对动力电池回收利用做出了部署,近年来又密集出台了从指导意见到具体实施的多项政策。2018年初,我国工业与信息化部等七部委联合发布的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》8月1日起实施,强调以“推进资源综合利用、保护环境和人体健康,保障安全,促进新能源汽车行业持续健康发展”等为目标,对退役动力电池先进行梯次利用,再进行资源化回收利用。

从我国形势和最新政策要求以及大量研究[5]结果看,梯次利用在当前和今后一段时期,比直接拆解、回收利用材料等资源,更具市场和环保价值,是电池回收利用的主要方向。但从产业实践看,我国动力电池梯次利用起步较晚,推进也较慢。2014年起,我国开始布局开展动力电池梯次利用示范研究项目。2016年,我国梯次利用电池量不到0.15万吨[6];在2017年报废的约8万吨动力电池中,只有不到5%进入梯次利用环节[7]。从研究进展看,目前关于废旧电池拆解回收及其安全性问题已有较多研究[],而对于退役电池梯次利用的研究不多,且主要集中在电池单体性能研究[11]、储能示范应 用[]、经济性研究[15]、电池健康特征参数提取[16],或某一技术方案[17]等,对安全性问题的研究较少;基于新能源汽车应用的复杂性,充分结合梯次利用商业化应用需求的针对性研究更少。为此,本研究以退役动力锂离子电池的梯次利用的安全性为重点,与2017年底以来已快速呈现的多元化、市场化梯次利用场景需求为导向,结合对电池退役前和退役后两条生命线的安全风险分析,提出了具有现实指导意义的梯次利用安全综合策略,以期促进我国梯次利用从示范应用加快向规模化、商业化转型。

1 我国退役动力电池梯次利用的背景

退役动力电池梯次利用,一般指在新能源乘用车上使用5年或在商用车上使用3年,由于电池组整体容量不足额定容量的80%,无法满足动力电池性能要求而从新能源汽车上退役的电池,经过拆解和“适配再造”,继续应用于性能要求低于新能源汽车的其它领域;继续使用到容量低于40%以后,再进入报废拆解和材料回收等资源化再利用环节。由于梯次利用的技术趋势,已从初期拆解为单体,发展到对整个模组的应用[18],本研究以拆解到电池模组级的“再造”利用为重点。退役动力电池利用的主要流程如图1所示。

图1   退役动力电池利用流程示意图

退役的动力电池仍具有高能量密度,属于高能量载体,安全性是梯次利用中首要考虑和解决的问题[19]。电池梯次利用的安全性问题贯穿电池退役前后的生命周期,首先要结合我国新能源汽车的发展历程与趋势,深刻理解我国电池梯次利用的形势与特点。

1.1 退役动力电池梯次利用的形势

据估算,2014—2024年的10年间,我国动力锂电池累计报废量约100万吨[20],而1个0.02 kg的锂离子电池可使1平方公里土地污染50年左右[21]。因此,我国退役动力锂电池的环保处置刻不容缓,迫切需要加快发展梯次利用产业。从市场前景看,退役动力电池梯次利用的经济性不断提高,我国储能及低速车等领域有巨大需求。到2025年,我国年新增的梯次利用电池潜在规模约33.6 GW·h[22],若安全性得到保障,市场巨大。我国近年来密集发布动力电池回收利用标准,制定相关政策,2018年启动动力电池溯源管理平台,确定京津冀地区、江苏、上海等17个试点地区以及中国铁塔股份有限公司(以下简称“铁塔公司”)作为试点企业,在梯次利用商业模式构建、关键技术研发、标准规范研究及信息化平台建设等方面加强创新,将使梯次利用更加安全、规范,有利于产业快速发展。

1.2 基于我国新能源汽车应用背景的动力电池退役特点

我国新能源汽车产业化起步于2009年,2011年保有量首次进入万辆级,规模化推广应用从2013年第二轮示范城市开始。2018年退役的动力电池,主要来源于2015年左右开始使用的新能源客车和专用车,以及2013年左右开始使用的乘用车。表1简要回顾了我国新能源汽车推广应用进程[23],可知当前要处置的退役动力电池,基本来自于其中第二阶段的新能源汽车。从电池集中退役、回收并处置的现实可行性看,在公共领域“集体”运行的新能源汽车,比产权分散、使用差异大的私人购买、家庭使用类新能源汽车高得多,更具备梯次利用条件。而在第二阶段公共领域服务的新能源汽车,其动力电池基本为锂离子电池,正极材料以磷酸铁锂为主,当前这些退役电池的梯次利用可行性和紧迫性都非常高。对这些使用车辆的运行工况、运营特点,及其电池材料体系、设计与制造工艺、供应商水平等的分析,是提高电池梯次利用安全性的基础,也是梯次利用应用需求优化匹配的重要前提。虽然近年来我国新能源汽车补贴向高能量密度电池倾斜,三元材料动力电池装机量不断上升,特别是在乘用车领域,但从分析[4]和2020年后锂电池汽车补贴政策将退出看,磷酸铁锂电池仍将在退役电池中占重要地位,磷酸铁锂电池也是公认的最适合梯次利用的电池类型。梯次利用未来仍将是主流,规模远大于报废拆解再生利用。

表1   我国新能源汽车推广应用进程(2009—2020年)

2 梯次利用应用场景分析

我国报废动力电池在开展梯次利用时,考虑电池包、模组、电芯等动力电池系统多级结构,结合不同应用场景对电池容量以及安全性、经济性等方面的要求,可分别采用电池包级应用、模组级应用和电芯级应用等模式。这些模式在国内外的典型实践案例中已有体现。例如,德国使用宝马i3纯电动汽车退役电池包设计家庭储能应用;日本利用12个尼桑Leaf电动汽车退役电池模组梯次利用于家庭储能,美国通用汽车公司利用其5个雪佛兰Volt增程式电动汽车退役电池模组,重组后构建成小区备用电源装备;我国相关环保企业把电池包拆解后,得到18650单体电池,经测试后售出,作为五金工具电源[1]。当电池性能进一步降低到不适合梯次利用后,再进入回收拆解的材料级资源化回收再利用阶段。不同梯次利用场景的安全问题不同,对电池性能要求不同[24]。研究表明,退役动力电池可梯次利用于固定场站储能和移动电源等多个领域[12, 14, 25]。国外梯次利用实践以家庭和商业储能为主,我国早期和近年来均以电网公司的储能示范项目为主(一般电池容量较大、对安全性要求较高),实质性的市场化推广应用较少[1]。本文重点研究以下4种使用电池容量相对较小、使用环境对安全与可靠性等要求相对易于满足、经济性较好、市场总体规模较大、商业化前景好且市场成长较快的应用场景,包括固定场站储能领域的电动汽车充(换)电站和通信基站,以及移动电源应用领域的纯电动电源车和快递电动三轮车。

2.1 充(换)电站

充(换)电站既是新能源汽车能量补充的重要基础设施,同时也是不断成长的退役动力电池梯次利用储能的大市场。研究[26]指出,在相同配置情况下,在快速充电站采用退役动力电池储能,比常规使用同类新电池储能的经济性好。此外,采用退役动力电池储能,还具有在充电站不增容扩容的条件下,改变充电设备的接入方案,即可满足直流快充负荷控制需求的优势。我国2017年已成为全球投运公共充电桩数量最多的国家,并制定了到2020 年满足500万辆新能源汽车充电需求基础设施建设目标,其中集中式充电站将建成1.2万个。这些充电站主要提供快速充电服务,单站储能系统需要的电池在百千瓦时以上。

我国很早就开展了充电站使用梯次利用电池储能的示范,近年来城市公共充电站商业化梯次利用在加快实践。2014年,国家电网公司等在北京大兴出租车快速充电站梯次利用示范[18],采用了2012年退运电动汽车上的锰酸锂电池,为功率为175 kW的直流智能化充电机配置梯次利用储能系统。示范发现,测算的使用寿命在削峰填谷情况下约为1500次,但实际运行后,循环不到100次,即电池出现性能急剧降低、一致性分散过大过快等问题。这反映我国早期(2012年以前生产)的动力电池,尤其是锰酸锂动力电池,退役后难以满足大功率储能梯次利用需求。近两年来,国家电网公司在城际快充站,加快建设退役动力电池梯次利用于“光储充”一体化示范站,如2018年4月在南京六合服务区投运江苏省首个基于退役动力电池的100 kW·h光储充示范站[27]。

除电网公司外,如云杉智慧公司等有“车桩网”一体化运营条件的新能源汽车运营商,在利用其运营车队规模化退役的动力电池,重构基于旧电池的使用控制策略,探索基于退役电池利用的新型商业模式,结合自有的城市快充场站,打造新的充储一体综合利用充电站。云杉智慧不仅将利用自有分时租赁运营车队2000多辆电动汽车的退役电池,还将发挥其“驾呗”共享汽车车联网系统的数据平台优势,基于这些电池的车载使用数据,对其性能与健康状态等做出评估,更安全地选择参数差异较小的电池模组,适配“再造”成梯次电池,用于充电站储能。

相比在道路上运行的新能源汽车动力电池,充电站梯次利用电池的使用环境更为宽松,一般为陆上静止环境,场地一般足够大,因而对电池的重量、大小和能量密度要求相对要低,但由于电池容量略高于车用,使用的电池模块数量多,因而对一致性要求较高。另外需要大电流高电压快速充电,对充放电安全性要求较高。

2.2 通信基站

实践和研究结果显示,通信基站是最适合退役动力锂电池梯次应用的场景,且市场需求巨大。铁塔公司现有近200万座基站,对退役动力电池有长期稳定的需求,按单站电池容量需求约30 kW·h(相当于1辆新能源汽车约62 kW·h动力电池退役后可梯次利用容量)计算,仅该公司未来即可消纳近200万辆新能源汽车退役的动力电池[]。作为我国目前选列的唯一一家动力蓄电池回收利用试点企业,铁塔公司已提出将逐渐使用梯次“再造”电池,并加快探索提高安全及经济性的应用方案。

近3年来,铁塔公司在全国12个省(市)的3000多个基站,开展退役动力电池替代现有铅酸电池试验,涵盖备电、削峰填谷、微电网等不同工况,初步得出了梯次利用动力锂电池在循环寿命、能量密度、高温性能、放电特性等方面的各项性能指标均优于铅酸电池,技术上完全能满足运行要求,未出现安全问题的结论。云南某基站的试点结果显示,该站梯次电池的年使用成本只有铅酸电池的31.4%[29],反映了梯次利用退役动力电池的经济性优势,通信基站储能电池的需求特点为,梯次利用退役动力电池安全性风险相对较低,在一致性、充放电安全和能量密度等方面的要求相对宽松。单座基站需要的备用电池一般是30 kW·h,接近一辆新能源汽车动力电池退役后的可用容量,只需同一辆车退役下来的动力电池“再造”即可,降低了用不同车源导致电池一致性差的风险。基站一般不采用高电压大电流的方式对电池充电,降低了电池在充电过程中发生爆炸燃烧的几率。此外,通信基站与充电站环境类似,相对空旷,对电池的能量密度的要求不高。

铁塔公司通过已有的试点实践,提出了通信基站梯次利用电池应遵循小模块低电压、小电流、高冗余、非移动等原则,以及电池选型要适当,应尽量采取在同一站点内优先选用同初始标称容量、同标称容量、同厂家、同规格的梯次电池;对确有不同容量、不同厂家梯次电池混用需求的,采用电池共用管理器等措施,最大程度消减安全性风险。铁塔公司已达成合作意向的车企选择显示,将选用磷酸铁锂退役动力电池进行梯次利用。

2.3 纯电动电源车

移动补电车因具有高度灵活性,可以弥补固定充电桩的应用短板,同时可利用峰谷电价差获得巨大经济效益,近年来逐渐成为市场热点。我国从2015年开始,即出现了专门提供移动充电的运营服务商。2018年,英国石油公司(BP)向美国电动汽车车用移动式快速充电系统制造商FreeWire投资500万美元[30];我国则在2018年第310批新车型公告中,出现了根据移动充电要求,正向开发的纯电动电源车,如东风牌EQ5046XDYTBEV。

这种新型纯电动电源车,相比此前常用的两种移动充电设施(一种是手推、牵引或车载式的充电宝,另一种是配备储能电池或柴油发电机的违规改装型移动补电车),更为高效、安全,但目前全部容量采用新电池,成本高、售价高,市场需求激增但接受度不高。如采用退役动力电池作为储能备用电源,则可大幅降低成本,提高市场竞争力。据调研分析,以前述车型为例,现搭载218 kW·h磷酸铁锂新电池,其中一半容量(109 kW·h)为储能电池,如使用同类梯次电池,整车成本可下降25%以上。

移动充电车一般只提供快充服务,其本身的安全风险较高,包括在给其它电动汽车充电时、从电网充电的过程以及行驶中的安全问题都非常突出,尤其是后两种情况。移动充电车携带的锂离子电池容量高,在接受充电过程中的安全要求较高,充电时需要高功率充电桩,若电压没有严格把控,易因过充、过热而使产品安全性受到严重影响。此外,对大容量电池包的管理和新旧电池间一致性的保持也是难点,在行驶中要避免易引发安全事故的滥用。

2.4 快递电动三轮车

规模巨大的新增铅酸电动三轮车和存量燃油三轮车市场,是退役动力锂电池梯次利用可对标替代的重要目标。近五年来,我国快递业务量年增速连续每年保持高速增长,城内末端运力需求持续大增[31],三轮车以其机动灵活、价格低廉等优点,广为快递企业采用。到2018年初,我国三轮车保有量达7000多万辆,其中2000多万辆为电动三轮车(其中2017年新增近900万辆),但大多使用铅酸电池。国家邮政局在2016年的《快递专用电动三轮车技术要求》中,规定整车重量<200 kg,最高车速< 15 km/h,建议采用更为环保的锂电池或光伏电池,一般容量为2~3 kW·h[32]。电商物流发达的杭州等城市,多家快递企业已投用数千辆采用梯次利用锂电池的三轮车。实践显示,梯次利用的锂电池体积小、循环寿命长,性能可比铅酸电池,从全生命周期计算,使用成本低于铅酸电池,且车辆载重能力和使用年限都有提高[6]。

快递电动三轮车所需电池容量不大,在对退役动力锂电池的重新设计制造中,不需要太多模组进行重组;车辆一般低速行驶在较平整的简单路况,同时电池便于拆卸,加之第三方共享与换电运营商的兴起,可提供专业维保、租赁以及物联网实时定位、监测等服务,车辆不需要频繁、快速充电,因此对电池一致性、重组的复杂性以及充放电循环倍率性等方面的要求不需过高,安全风险较易控制。但在雨水较多的南方地区,淋雨浸水造成电池内部短路的安全风险较大,在梯次利用动力锂电池时,要注意提高防水能力。

3 退役动力电池梯次利用安全性分析

梯次利用电池的安全性问题贯穿从动力电池生产、车载使用到退役后“再造”以及重新利用的全过程,需要考虑各关键环节的影响因素。如图2所示,本研究按退役前动力电池生命线和退役后的梯次电池生命线两条主线,进行分析和阐述。

图2   退役动力电池梯次利用生命周期示意图

3.1 动力电池生命线的安全性及对策

3.1.1 材料选择

选择电芯材料是电池制造的第一步。锂离子动力电池的材料,包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜和包装材料五大类,其中正极材料是决定电芯安全性和电化学性能的关键因素[33]。根据正极材料选择的不同,锂离子动力电池可分为磷酸铁锂动力电池、三元动力电池、锰酸锂动力电池[]。我国近几年装机的动力电池从使用的正极材料类型看,三元电池和磷酸铁锂电池占据绝对主体地位,如表2所示。近两年来因补贴政策向高能量密度、长续航里程车型倾斜,三元电池装机量呈现上升态势。2018年以来,受电池安全事故频发以及补贴退坡提速等因素影响,磷酸铁锂电池有重归高占比趋势。在我国2016年不到0.15万吨、2017年不到0.4万吨的梯次利用电池中,以磷酸铁锂电池为主。

表2   我国动力电池装机总量及按正极材料分类数量(2015—2018年上半年)

相对而言,磷酸铁锂动力电池安全性高、循环寿命长[37],最符合梯次利用的安全等性能要求。三元动力电池虽然能量密度高、倍率性能好,但循环寿命和稳定性略逊[38],安全性也有待提升,可基本符合梯次利用要求。锰酸锂动力电池由于循环寿命短[39],梯次利用价值不是很大。为降低梯次利用电池的安全性风险,根据应用场景的具体需求,建议优先选用磷酸铁锂电池。

3.1.2 电芯制造

电芯制造包括混料、涂布、裁片等十多个步骤,工序繁多,工艺复杂,电阻升高或短路等造成的安全风险,在每一道工序中都可能存在,涉及生产工艺、设备质量、过程控制以及生产管理、环境控制等多方面。例如在混料过程中,正负极的容量配比错误,易导致大量金属锂在负极表面沉积而造成内短路;浆料混合不均匀,可能会导致充放电负极体积变化大析锂造成内短路;涂布需要保证极片厚度和重量一致,否则会影响电池的一致性,同时还须防止灰尘混入极片导致电池放电过快而产生安全隐患。涂布质量控制不好可能会造成活性物质剥落或内短路[40]。焊接过程中的虚焊、料尘、隔膜纸太小或未垫好、隔膜有洞、毛刺未清理干净等,也会形成安全隐患。不同电池供应商的制造水平有较大差异,为确保梯次利用电池的安全性,宜尽量选用优质电池供应商的产品。

3.1.3 电池封装集成

锂离子电池按电芯封装形式主要有方形、软包和圆柱三种。2015年以来,方形电池在我国动力电池市场装机量中一直占比最高,且总量遥遥领先,并因国家政策和市场对于动力电池能量密度、轻量化有更高要求,而有继续上升之势,在2018年上半年动力电池总装机容量中占比高达76%[41]。三种封装形式的电池近几年的市场份额,如图3所示。这几种电池各有优势和不足,有各自的主导市场和应用领域。相比而言,方形电池结构较简单、能量密度较高、抗冲击能力强,但型号多、工艺难统一,主要用于客车和乘用车;软包电池重量轻、能量密度高、内阻小、循环性能好,但一致性较差、易发生漏液,三种车型都有使用;圆柱形电池工艺成熟、良品率高、一致性好,但较重且比能量低,主要在乘用车和低速电动车上应用。方形电池中磷酸铁锂的较多,软包和圆柱形电池中三元材料的更多。在需要快充的应用场景,由于方形电池温升较易控制,比软包电池更有优势。再合理的电芯设计与制造都无法避免使用中的意外,还需要合理的电池集成设计和先进的电池管理系统,减少因电芯出问题时的安全风险和损失[39]。

图3   2013—2018年上半年我国三种封装形式动力电池装机量占比

3.1.4 车载使用

我国动力电池主要搭载使用的车型有商用车(客车、专用车)和乘用车,其中专用车主要为城市电动物流车。车型不同、使用工况和环境不同,退役时动力电池的安全性和性能有所不同。过充过放、环境温度、机械滥用(针刺、挤压、内短路)以及海水浸泡等滥用,都对退役后的电池安全性有影响[42]。此外,还需考虑我国各类新能源汽车的应用领域、运营模式等,对电池退役后再利用的影响。

3.2 退役电池生命线的安全性及对策

3.2.1 拆卸储运环节

从整车上收集退役下来的动力电池,首先要把电池包从车上整体拆卸下来,再拆开获得电池模组或电芯。由于电芯之间一般以焊接方式相连,如要拆解到电芯,极易造成安全问题或电芯损伤甚至报废,难以确保无损拆解,而电池模组之间是软性连接设计,因此对电池包拆解一般建议只拆到模组。

电池包一般有几百伏的高压,拆解前须做好放电处理。针对不同车型的PACK在结构设计、模组连接方式以及工艺技术等方面的差异,要注意在拆解中进行柔性化配置,安全操作;在拆解后,要做好分类、标识、存放、信息录入和追溯管理等。

在储存运输环节,注意环境安全,如远离火源,使外端处于绝缘防护状态,避免储存时间过长(储存超过三个月要及时进行充电)和长距离运输,避免暴晒、雨淋及强外力碰撞等,也是减少安全隐患的重要举措。

3.2.2 筛选分组环节

退役电池模组的安全缺陷和风险点多,如漏液、胀气、内短路、外壳破损、绝缘失效、极柱腐蚀等。筛选出健康状态好、剩余寿命长、一致性好的电芯或模组,是提高梯次利用产品安全性的最为关键环节。筛选需要对每个电芯或电池模组的寿命、安全性和可靠性等进行检测、评估,对内阻的变化、电压差的变化等指标,进行检测、评判。包括经过环境冲击、车载振动等的正负极保护盖、线束隔离板等零部件状态以及电池模组外观,也应检测、评估。

梯次利用前,对退役电池的诊断和筛选是重要环节也是难点。不同类型的电芯、模组、系统在不同工况下服役之后,性能劣变的程度各不相同,一致性的差异较原装电池更为明显,因此必须进行诊断,以便筛选出有再利用价值的电池。现有的诊断检测方法,主要针对单体电池,模组和系统直接诊断的难度较大。常规方法主要是首先直接对其外观和电化学性能进行测试和评估[11],使用纳米CT(计算机断层扫描)技术可对电芯内部三维结构进行定性及定量分析[43],建立电池的电化学模型,并通过电池的外部电化学参数来分析电池内部性能状态[44],近期还发展了一些更直观的新技术,如一种接触式的超声无损检测技术[45],可通过超声信号与电化学性能的关联或者直接扫描,实现对电芯荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)的快速高精度实时检测或监测;另一种无损非接触式的筛选方法也能提高筛选效率[46]。对电池模组的检测技术要求较高,如在不打开电池模组的情况下,检测是否有锂枝晶生长,减少可能导致“死锂”和电池短路等风险,目前尚缺乏能检测筛选电池模组的成熟技术和装备。

电池筛选后需要合理分组进行再造,分组需根据运行数据、测试数据以及梯次利用的需求数据等,建立以材料体系、容量、内阻、剩余循环寿命等参数为基础的数据库,把健康状态、剩余寿命等指标在同一级的模组,进行合理分组,梯次再利用。

3.2.3 定容重组环节

梯次利用电池产品“再造”的最后一环,是把筛选分组后一定数量、同一级别的电池模组,进行定容重组。对退役动力电池中的“旧”电池模组进行管理,比对新电池面临的问题更复杂,梯次利用电池的电池管理系统(BMS)对安全性问题考虑要更为全面。优化设计模组连接方案,提高系统结构设计柔性化;克服传统转移式电池均衡器的缺陷,采用智能分时混合均衡技术[47],搭载合适的电流均衡器,搭配高效温度预警系统,以及增加热量管理和高压监控等安全性模块,都是削减梯次利用电池离散整合安全风险的重要手段。此外,可采用云存储、区块链等技术,提高BMS数据的安全性,消减为不当谋利而非法篡改伪造数据的风险。

3.2.4 电池再利用环节

电池热失控是电池安全事故发生的主要原因[40],在重组电池梯次利用环节要特别加以防患。虽然前述对梯次利用“再造”各环节的一致性保障措施,可以有效降低电池热失控的几率,但仍无法避免再利用过程中一致性的再次离散[22]。虽然重组过程中通过温度预警系统能比较有效地阻止电池热失控的发生,但在外力干扰、电池内短路[48]等发生时,电池会瞬间大量放热,使预警系统失效,引起着火爆炸等。配备充足的消防设施,并做好消防预案,以及在较高电池容量的梯次利用场景中,将电池分区域隔离放置,避免电池连锁失控等,也是提高梯次利用中防护安全的重要措施。

3.3 基于应用场景的电池梯次利用安全保障综合策略

当前我国动力电池回收利用新政策刚开始施行,电池溯源管理平台也刚开始启动,退役电池历史数据严重缺失,模组检测评估与筛选重组等关键技术尚存瓶颈,应用市场刚开始起步,针对某种退役电池适合用场景选择尚无具体评价标准,电池梯次利用面临巨大挑战。梯次利用必须依据应用场景,采取以需求为导向的优化匹配策略,最大程度地消减安全风险。

首先全面分析梯次利用应用场景需求,把涉及电池安全的风险点,根据所需容量、性能、使用环境、经济性等约束条件,逐一细化,并进行量化标定,形成应用需求安全风险数据库。其次,对难于追溯原始身份数据和车载使用数据的动力电池,强化对电池供应用商、车企和车队运营商的生产、运营状况的整体分析,分别对整批电池的材料体系、封装形式、生产工艺、制造水平和BMS等,以及整批车型的应用领域、整个车队的运行方式等进行分析,对照应用需求的安全风险指标,建立退役电池安全风险指标及数据库。在建立上述两大数据库的基础上,形成如图4所示的安全综合匹配策略框架,开展建模分析,进行以需求为导向的安全优化匹配决策。

图4   基于应用需求的退役动动力电池梯次利用安全优化匹配策略框架

对于充(换)电站和移动充电车的梯次电池安全选择,考虑其使用电池容量相对较大,对快速充电安全性要求高等特点,建议优先选用从城市公交客车应用领域退役的磷酸铁锂方形电池。因为此类应用领域的新能源客车,大多使用磷酸铁锂方形电池,主要在城市固定线路、以相对稳定的速度运行,充电方式以夜间利用谷电慢充为主,大多有公交公司或城市交通管理平台等的数据可参考,相对其他应用领域的退役电池,安全性风险更低。对于新能源专用车退役电池的梯次利用,要充分考虑我国以纯电动物流车、在城市配送应用为主的特点。电动物流车产业化相对其他两种车型起步较晚,从2015年底首次进入年产销量万辆级,到2017年底累计应用约20万辆。这类车辆因生产工具属性高,应用环节对整车价格高度敏感,近几年来正向开发的车型很少,电池品质和使用友好程度相对较低,潜在的安全性风险相对较高,充电站、移动充电车等场景不建议选用,其它应用场景尽量选用正向开发车型搭载的磷酸铁锂电池。乘用车的动力电池相对其它车型要求较高,一致性较好,循环性能较好,大多为三元材料电池。出租车领域运营的新能源汽车,日平均使用里程高,常需快速补电,电池衰减快,剩余价值不高,除快递电动三轮车适当选用外,其它场景慎用。相比出租车而言,近几年兴起的分时租赁(汽车共享)用纯电动乘用车,日平均使用里程较短,以慢充为主,此工况退役的电池能量密度总体相对较高,安全性风险较低,梯次利用价值较高,除快递纯电动三轮车外,规模不大的充电站储能也可选用。

4 结 语

退役动力电池梯次利用的安全性决定了梯次利用市场的发展与未来,也是促进我国新能源汽车以及动力电池产业本身健康快速发展,打好生态环保攻坚战的关键。电池梯次利用是复杂的系统性社会化工程,消减安全风险,需要综合施策,基于应用需求,分步骤、有重点地建立确实有效的安全保障体系。在当前条件下,应在继续开展大容量电网储能梯次利用示范工程的同时,加快发展民用梯次利用产业。在当前民用市场主要应用场景下,应建立并采取基于应用场景需求的梯次利用电池安全优化匹配策略。同时,还要强化全生命周期安全风险消减与控制的理念,以应用需求为导向,前置融入梯次应用不同场景的需求,创新动力电池传统开发模式,定制化设计既满足车用要求,又便于退役后拆卸拆解、检测重组的电芯连接、模组连接和PACK模式;要强化民用市场应用场景产学研用各方合作,加快发展模组级和系统重组的快速无损检测等技术与装备。此外,还要大力扶持专业提供梯次利用电池“再造”、共享及维保服务的独立运营商,以专业运营商为龙头,构建能真正落实车企和电池厂等生产者主体延伸责任的全产业链协同创新应用体系,促进梯次利用民用市场快速成长。

第一作者及联系人:吴小员(1968—),女,硕士,高级工程师,主要研究方向为新能源汽车(含电池等)产业与应用,E-mail:xywu@tongji.edu.cn。

引用本文:吴小员, 王俊祥, 田维超, 左哲伦. 基于应用需求的退役电池梯次利用安全策略[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(6): 1094-1104.

WU Xiaoyuan, WANG Junxiang, TIAN Weichao, ZUO Zhelun. Application-derived safety strategy for secondary utilization of retired power battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(6): 1094-1104.

关键字:退役电池梯次利用

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