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动力电池梯次利用是否是一个伪命题?

作者:中国储能网新闻中心 来源:新能源Leader 发布时间:2019-05-19 浏览:
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在政策的引导下中国的新能源汽车市场不断壮大,随着电动汽车保有量的不断提升,我们也要面临一个严峻的考验:退役后的动力电池的回收。直接进行回收效益较低,特别是对于磷酸铁锂电池,直接回收的收益甚至无法覆盖成本,因此动力电池的梯次利用就成为了挖掘动力电池价值的有效方法。一般来说,我们认为锂离子电池的容量保持率降低到80%以下时就意味着电池寿命的终止,但是在实际使用中由于不同用户使用习惯不同,以及电池组内部衰降速度不同,所以最终我们得到的报废电池的剩余容量并不都是80%,还需要我们对这些电池进行筛选后采用进行梯次利用,这些都会增加电池梯次利用的成本。

那么对退役的锂离子电池进行梯次利用究竟能否获得经济效益呢?最近德国柏林工业大学的Felipe Salinas(第一作者,通讯作者)等人对淘汰的154组笔记本电池进行回收、再利用,研究回收过程成本与收益之间的关系。

试验中作者选取了相对较为容易获取的笔记本电池,笔记本电池通常都是由2-4节电池通过串并联组合而成。相比于全新电池,淘汰电池的容量显著降低,内阻明显上升,导致电池容量衰降和内阻增加的主要原因有以下两个方面:1)界面副反应引起的活性Li损失,界面阻抗增加;2)正负极活性物质损失。

锂离子电池在寿命末期的衰降模式对于锂离子电池的梯次利用也有非常重大的影响,例如有研究表明在0.5C充电/2C放电的工作模式下(35℃),锂离子电池的容量保持率在70%时仍然能够维持线性衰降,这对于梯次利用是非常有利的,但是如果采用1C充/0.5C放电模式进行工作,同样的电池在容量保持率90%左右时就会开始跳水,这对于锂离子电池的梯次利用是不利的。

退役锂离子电池另外一个常见的问题是过放,这会对锂离子电池的梯次利用产生不利影响,例如有研究表明LCO电池在放电到0.4V时铜箔开始发生溶解,LCO电池在0V状态下进行存储后再次进行充电时每7支电池里就会有一只发生短路,这对梯次利用中锂离子电池的安全性是极大的挑战。

淘汰电池的再利用成本分析

废旧电池再利用主要面临以下四个方面的问题:1)我们不知道电池的健康状态SoH,因此需要对电池的剩余容量等指标进行再测试,这将是一个非常耗费时间和资源的工作;2)缺少电池的使用记录,某些已经存在安全隐患的电池可能仍然被使用了一段时间;3)由于缺乏电池的基本信息,我们很难对电池在二次利用中的性能表现进行预测;4)我们对废弃电池的检测成本可能会高于全新电池的成本。

废旧锂离子电池再利用能否取得经济效益,关键在于其与新电池之间的成本比较,废旧电池再利用的成本主要集中在以下几个方面,首先我们需要对b个笔记本电池包进行拆解,平均耗时为tb min/battery,获得n1个单体电池,然后我们还需要对这部分电池进行筛选,获得n2个有效电池,平均耗时t1 min/cell,第三步是对初步筛选出的电池测量电压,选择电压大于Vmin的电池,获得n3个电池,第四步是对这部分电池进行容量测试,选择容量大于Cmin的电池,消耗时间为t3 min/cell,最终获得n4个电池。

BMS信息读取

为了提高电池的筛选效率,作者首先读取了电池BMS中的信息,根据存储在BMS中的信息,我们可以获得电池的满电容量Cc,设计容量Cd,制造商信息,电池的循环信息。

电池拆解、测试和筛选

电池包拆结构首先测量剩余电池的电压,然后根据电池的外壳上的厂家等信息分析电池的体系,然后采用新威尔的电池测试设备对电池的剩余容量进行测试,测试制度如下表所示。

结果分析

试验中作者共对来自宏基、华硕、Dell、联想等公司的152个电池包进行了拆解,每个电池包有3-12个18650电池,共计拆出1034个电池,电池共计分为67中,容量从1.6Ah到3.1Ah,操作电压范围分别为2.5V-4.2V,以及3-4.35V。

首先作者进行了初步的外观筛选,22只电池表面有划痕,20只电池表面的塑料皮被烧毁,三只电池发生泄漏,因此共计剩余电池n2=989只。

第二步是对989只电池的电压进行测量,电压范围为-0.76V-4.23V,有差不多一半的电池的电压低于2.5V,因此有相当部分的电池可能存在过放的风险。

接下来对这些电池进行剩余容量测试,其中61只电池无法放电,这其中46只电池开路,14只电池短路。所有电池的剩余容量信息如下图所示,电池的剩余容量为0.4-104.3%。从下图a可以看到49%的电池的剩余容量要高于70%,概率最高的为剩余容量80-90%的电池。

下图为我们设置不同的选择条件时废旧电池再利用的成本,可以看到二次利用成本最低可以达到63$/kWh,但是随着我们筛选条件变的更加严格,最终得到的电池数量更少,因此二次利用的成本也在不断提升,从88$/kWh到482$/kWh,考虑到目前全新电池的成本为185$/kWh,因此当我们将筛选条件设置为电压不低于1.5V,剩余容量不低于90%时,二次利用电池的成本就要比新电池更高。

从上面的研究我们能够看出二次利用电池并非一定比新电池便宜,只有到筛选条件较为宽泛时才能够获得较低的成本,值得注意的是这里的计算中并没有包含废旧电池再次成组成本,以及再利用电池的销售成本,因此实际上锂离子电池梯次利用的成本可能会更高,加之近年来随着锂离子电池成本的快速降低,因此二次利用锂离子电池在经济上是否合适还需要进行认真的评估。

其次在锂离子电池二次利用中可能还面临一些列的风险,首先我们将剩余容量设定在70%以上时二次利用才具有经济价值,但是在70%-90%容量范围内锂离子电池发生非线性快速衰降的风险将大大增加,对后续的二次利用形成潜在风险。

当然锂离子电池梯次利用并非完全没有前景,例如我们通过开放BMS信息,我们仅选取哪些剩余容量在70%以上的电池,从而降低筛选的成本,有助于降低锂离子电池再利用的成本。

关键字:动力电池梯次利用

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