本研究以退役鋰離子動(dòng)力電池梯次利用的細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景需求為導(dǎo)向，以我國(guó)新能源汽車推廣應(yīng)用歷程為基礎(chǔ)，結(jié)合政策、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)發(fā)展的實(shí)際，闡述了梯次利用關(guān)鍵環(huán)節(jié)的安全問題及其應(yīng)對(duì)策略。介紹了退役動(dòng)力電池梯次利用模式，總結(jié)了不同正極材料動(dòng)力電池報(bào)廢與梯次利用現(xiàn)狀及趨勢(shì)，指出了面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，分析了動(dòng)力鋰離子電池在生產(chǎn)和車用環(huán)節(jié)的安全隱患，以及退役后在四種不同應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行梯次利用的安全需求與風(fēng)險(xiǎn)，研究了與動(dòng)力電池類型、車載應(yīng)用安全基礎(chǔ)等優(yōu)化匹配的梯次利用安全策略框架，并提出了創(chuàng)新動(dòng)力電池開發(fā)設(shè)計(jì)模式、發(fā)展梯次利用關(guān)鍵技術(shù)、加快商業(yè)模式創(chuàng)新、加速培育梯次利用市場(chǎng)等綜合策略。
關(guān)鍵詞： 動(dòng)力電池；梯次利用；需求導(dǎo)向；安全性；綜合策略
退役車用動(dòng)力電池梯次利用是我國(guó)實(shí)施新能源汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要任務(wù)，也是實(shí)現(xiàn)電池全生命周期價(jià)值最大化的主要途徑。安全性和經(jīng)濟(jì)性是梯次利用的兩大關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，其中安全性是前提和根本。為確保續(xù)航能力與運(yùn)行安全，動(dòng)力電池當(dāng)容量衰減至額定容量80%時(shí)，通常需要從車上退役[1]。預(yù)計(jì)到2029年，全球新能源汽車每年將約有108 GW·h（3百萬(wàn)個(gè)電池包）動(dòng)力電池退役[2]。按照新能源商用車（含客車和專用車）電池平均3年、乘用車電池平均5年的最佳在役時(shí)間計(jì)算[3]，2018年開始，我國(guó)動(dòng)力電池進(jìn)入規(guī)?；艘燮凇?015年末至今，我國(guó)連續(xù)位居全球新能源汽車第一產(chǎn)銷大國(guó)，當(dāng)前動(dòng)力電池退役后的安全、高效處置，將迎來(lái)空前的市場(chǎng)機(jī)遇，同時(shí)也面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。對(duì)此，我國(guó)高度重視，早在2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》就對(duì)動(dòng)力電池回收利用做出了部署，近年來(lái)又密集出臺(tái)了從指導(dǎo)意見到具體實(shí)施的多項(xiàng)政策。2018年初，我國(guó)工業(yè)與信息化部等七部委聯(lián)合發(fā)布的《新能源汽車動(dòng)力蓄電池回收利用管理暫行辦法》8月1日起實(shí)施，強(qiáng)調(diào)以“推進(jìn)資源綜合利用、保護(hù)環(huán)境和人體健康，保障安全，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展”等為目標(biāo)，對(duì)退役動(dòng)力電池先進(jìn)行梯次利用，再進(jìn)行資源化回收利用。
從我國(guó)形勢(shì)和最新政策要求以及大量研究[5]結(jié)果看，梯次利用在當(dāng)前和今后一段時(shí)期，比直接拆解、回收利用材料等資源，更具市場(chǎng)和環(huán)保價(jià)值，是電池回收利用的主要方向。但從產(chǎn)業(yè)實(shí)踐看，我國(guó)動(dòng)力電池梯次利用起步較晚，推進(jìn)也較慢。2014年起，我國(guó)開始布局開展動(dòng)力電池梯次利用示范研究項(xiàng)目。2016年，我國(guó)梯次利用電池量不到0.15萬(wàn)噸[6]；在2017年報(bào)廢的約8萬(wàn)噸動(dòng)力電池中，只有不到5%進(jìn)入梯次利用環(huán)節(jié)[7]。從研究進(jìn)展看，目前關(guān)于廢舊電池拆解回收及其安全性問題已有較多研究[]，而對(duì)于退役電池梯次利用的研究不多，且主要集中在電池單體性能研究[11]、儲(chǔ)能示范應(yīng) 用[]、經(jīng)濟(jì)性研究[15]、電池健康特征參數(shù)提取[16]，或某一技術(shù)方案[17]等，對(duì)安全性問題的研究較少；基于新能源汽車應(yīng)用的復(fù)雜性，充分結(jié)合梯次利用商業(yè)化應(yīng)用需求的針對(duì)性研究更少。為此，本研究以退役動(dòng)力鋰離子電池的梯次利用的安全性為重點(diǎn)，與2017年底以來(lái)已快速呈現(xiàn)的多元化、市場(chǎng)化梯次利用場(chǎng)景需求為導(dǎo)向，結(jié)合對(duì)電池退役前和退役后兩條生命線的安全風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的梯次利用安全綜合策略，以期促進(jìn)我國(guó)梯次利用從示范應(yīng)用加快向規(guī)?；?、商業(yè)化轉(zhuǎn)型。
1 我國(guó)退役動(dòng)力電池梯次利用的背景
退役動(dòng)力電池梯次利用，一般指在新能源乘用車上使用5年或在商用車上使用3年，由于電池組整體容量不足額定容量的80%，無(wú)法滿足動(dòng)力電池性能要求而從新能源汽車上退役的電池，經(jīng)過拆解和“適配再造”，繼續(xù)應(yīng)用于性能要求低于新能源汽車的其它領(lǐng)域；繼續(xù)使用到容量低于40%以后，再進(jìn)入報(bào)廢拆解和材料回收等資源化再利用環(huán)節(jié)。由于梯次利用的技術(shù)趨勢(shì)，已從初期拆解為單體，發(fā)展到對(duì)整個(gè)模組的應(yīng)用[18]，本研究以拆解到電池模組級(jí)的“再造”利用為重點(diǎn)。退役動(dòng)力電池利用的主要流程如圖1所示。
圖1 退役動(dòng)力電池利用流程示意圖
退役的動(dòng)力電池仍具有高能量密度，屬于高能量載體，安全性是梯次利用中首要考慮和解決的問題[19]。電池梯次利用的安全性問題貫穿電池退役前后的生命周期，首先要結(jié)合我國(guó)新能源汽車的發(fā)展歷程與趨勢(shì)，深刻理解我國(guó)電池梯次利用的形勢(shì)與特點(diǎn)。
1.1 退役動(dòng)力電池梯次利用的形勢(shì)
據(jù)估算，2014—2024年的10年間，我國(guó)動(dòng)力鋰電池累計(jì)報(bào)廢量約100萬(wàn)噸[20]，而1個(gè)0.02 kg的鋰離子電池可使1平方公里土地污染50年左右[21]。因此，我國(guó)退役動(dòng)力鋰電池的環(huán)保處置刻不容緩，迫切需要加快發(fā)展梯次利用產(chǎn)業(yè)。從市場(chǎng)前景看，退役動(dòng)力電池梯次利用的經(jīng)濟(jì)性不斷提高，我國(guó)儲(chǔ)能及低速車等領(lǐng)域有巨大需求。到2025年，我國(guó)年新增的梯次利用電池潛在規(guī)模約33.6 GW·h[22]，若安全性得到保障，市場(chǎng)巨大。我國(guó)近年來(lái)密集發(fā)布動(dòng)力電池回收利用標(biāo)準(zhǔn)，制定相關(guān)政策，2018年啟動(dòng)動(dòng)力電池溯源管理平臺(tái)，確定京津冀地區(qū)、江蘇、上海等17個(gè)試點(diǎn)地區(qū)以及中國(guó)鐵塔股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“鐵塔公司”）作為試點(diǎn)企業(yè)，在梯次利用商業(yè)模式構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究及信息化平臺(tái)建設(shè)等方面加強(qiáng)創(chuàng)新，將使梯次利用更加安全、規(guī)范，有利于產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
1.2 基于我國(guó)新能源汽車應(yīng)用背景的動(dòng)力電池退役特點(diǎn)
我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化起步于2009年，2011年保有量首次進(jìn)入萬(wàn)輛級(jí)，規(guī)模化推廣應(yīng)用從2013年第二輪示范城市開始。2018年退役的動(dòng)力電池，主要來(lái)源于2015年左右開始使用的新能源客車和專用車，以及2013年左右開始使用的乘用車。表1簡(jiǎn)要回顧了我國(guó)新能源汽車推廣應(yīng)用進(jìn)程[23]，可知當(dāng)前要處置的退役動(dòng)力電池，基本來(lái)自于其中第二階段的新能源汽車。從電池集中退役、回收并處置的現(xiàn)實(shí)可行性看，在公共領(lǐng)域“集體”運(yùn)行的新能源汽車，比產(chǎn)權(quán)分散、使用差異大的私人購(gòu)買、家庭使用類新能源汽車高得多，更具備梯次利用條件。而在第二階段公共領(lǐng)域服務(wù)的新能源汽車，其動(dòng)力電池基本為鋰離子電池，正極材料以磷酸鐵鋰為主，當(dāng)前這些退役電池的梯次利用可行性和緊迫性都非常高。對(duì)這些使用車輛的運(yùn)行工況、運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，及其電池材料體系、設(shè)計(jì)與制造工藝、供應(yīng)商水平等的分析，是提高電池梯次利用安全性的基礎(chǔ)，也是梯次利用應(yīng)用需求優(yōu)化匹配的重要前提。雖然近年來(lái)我國(guó)新能源汽車補(bǔ)貼向高能量密度電池傾斜，三元材料動(dòng)力電池裝機(jī)量不斷上升，特別是在乘用車領(lǐng)域，但從分析[4]和2020年后鋰電池汽車補(bǔ)貼政策將退出看，磷酸鐵鋰電池仍將在退役電池中占重要地位，磷酸鐵鋰電池也是公認(rèn)的最適合梯次利用的電池類型。梯次利用未來(lái)仍將是主流，規(guī)模遠(yuǎn)大于報(bào)廢拆解再生利用。
表1 我國(guó)新能源汽車推廣應(yīng)用進(jìn)程（2009—2020年）
2 梯次利用應(yīng)用場(chǎng)景分析
我國(guó)報(bào)廢動(dòng)力電池在開展梯次利用時(shí)，考慮電池包、模組、電芯等動(dòng)力電池系統(tǒng)多級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電池容量以及安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，可分別采用電池包級(jí)應(yīng)用、模組級(jí)應(yīng)用和電芯級(jí)應(yīng)用等模式。這些模式在國(guó)內(nèi)外的典型實(shí)踐案例中已有體現(xiàn)。例如，德國(guó)使用寶馬i3純電動(dòng)汽車退役電池包設(shè)計(jì)家庭儲(chǔ)能應(yīng)用；日本利用12個(gè)尼桑Leaf電動(dòng)汽車退役電池模組梯次利用于家庭儲(chǔ)能，美國(guó)通用汽車公司利用其5個(gè)雪佛蘭Volt增程式電動(dòng)汽車退役電池模組，重組后構(gòu)建成小區(qū)備用電源裝備；我國(guó)相關(guān)環(huán)保企業(yè)把電池包拆解后，得到18650單體電池，經(jīng)測(cè)試后售出，作為五金工具電源[1]。當(dāng)電池性能進(jìn)一步降低到不適合梯次利用后，再進(jìn)入回收拆解的材料級(jí)資源化回收再利用階段。不同梯次利用場(chǎng)景的安全問題不同，對(duì)電池性能要求不同[24]。研究表明，退役動(dòng)力電池可梯次利用于固定場(chǎng)站儲(chǔ)能和移動(dòng)電源等多個(gè)領(lǐng)域[12, 14, 25]。國(guó)外梯次利用實(shí)踐以家庭和商業(yè)儲(chǔ)能為主，我國(guó)早期和近年來(lái)均以電網(wǎng)公司的儲(chǔ)能示范項(xiàng)目為主（一般電池容量較大、對(duì)安全性要求較高），實(shí)質(zhì)性的市場(chǎng)化推廣應(yīng)用較少[1]。本文重點(diǎn)研究以下4種使用電池容量相對(duì)較小、使用環(huán)境對(duì)安全與可靠性等要求相對(duì)易于滿足、經(jīng)濟(jì)性較好、市場(chǎng)總體規(guī)模較大、商業(yè)化前景好且市場(chǎng)成長(zhǎng)較快的應(yīng)用場(chǎng)景，包括固定場(chǎng)站儲(chǔ)能領(lǐng)域的電動(dòng)汽車充（換）電站和通信基站，以及移動(dòng)電源應(yīng)用領(lǐng)域的純電動(dòng)電源車和快遞電動(dòng)三輪車。
2.1 充（換）電站
充（換）電站既是新能源汽車能量補(bǔ)充的重要基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是不斷成長(zhǎng)的退役動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能的大市場(chǎng)。研究[26]指出，在相同配置情況下，在快速充電站采用退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能，比常規(guī)使用同類新電池儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性好。此外，采用退役動(dòng)力電池儲(chǔ)能，還具有在充電站不增容擴(kuò)容的條件下，改變充電設(shè)備的接入方案，即可滿足直流快充負(fù)荷控制需求的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)2017年已成為全球投運(yùn)公共充電樁數(shù)量最多的國(guó)家，并制定了到2020 年滿足500萬(wàn)輛新能源汽車充電需求基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)目標(biāo)，其中集中式充電站將建成1.2萬(wàn)個(gè)。這些充電站主要提供快速充電服務(wù)，單站儲(chǔ)能系統(tǒng)需要的電池在百千瓦時(shí)以上。
我國(guó)很早就開展了充電站使用梯次利用電池儲(chǔ)能的示范，近年來(lái)城市公共充電站商業(yè)化梯次利用在加快實(shí)踐。2014年，國(guó)家電網(wǎng)公司等在北京大興出租車快速充電站梯次利用示范[18]，采用了2012年退運(yùn)電動(dòng)汽車上的錳酸鋰電池，為功率為175 kW的直流智能化充電機(jī)配置梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)。示范發(fā)現(xiàn)，測(cè)算的使用壽命在削峰填谷情況下約為1500次，但實(shí)際運(yùn)行后，循環(huán)不到100次，即電池出現(xiàn)性能急劇降低、一致性分散過大過快等問題。這反映我國(guó)早期（2012年以前生產(chǎn)）的動(dòng)力電池，尤其是錳酸鋰動(dòng)力電池，退役后難以滿足大功率儲(chǔ)能梯次利用需求。近兩年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司在城際快充站，加快建設(shè)退役動(dòng)力電池梯次利用于“光儲(chǔ)充”一體化示范站，如2018年4月在南京六合服務(wù)區(qū)投運(yùn)江蘇省首個(gè)基于退役動(dòng)力電池的100 kW·h光儲(chǔ)充示范站[27]。
除電網(wǎng)公司外，如云杉智慧公司等有“車樁網(wǎng)”一體化運(yùn)營(yíng)條件的新能源汽車運(yùn)營(yíng)商，在利用其運(yùn)營(yíng)車隊(duì)規(guī)?；艘鄣膭?dòng)力電池，重構(gòu)基于舊電池的使用控制策略，探索基于退役電池利用的新型商業(yè)模式，結(jié)合自有的城市快充場(chǎng)站，打造新的充儲(chǔ)一體綜合利用充電站。云杉智慧不僅將利用自有分時(shí)租賃運(yùn)營(yíng)車隊(duì)2000多輛電動(dòng)汽車的退役電池，還將發(fā)揮其“駕唄”共享汽車車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，基于這些電池的車載使用數(shù)據(jù)，對(duì)其性能與健康狀態(tài)等做出評(píng)估，更安全地選擇參數(shù)差異較小的電池模組，適配“再造”成梯次電池，用于充電站儲(chǔ)能。
相比在道路上運(yùn)行的新能源汽車動(dòng)力電池，充電站梯次利用電池的使用環(huán)境更為寬松，一般為陸上靜止環(huán)境，場(chǎng)地一般足夠大，因而對(duì)電池的重量、大小和能量密度要求相對(duì)要低，但由于電池容量略高于車用，使用的電池模塊數(shù)量多，因而對(duì)一致性要求較高。另外需要大電流高電壓快速充電，對(duì)充放電安全性要求較高。
2.2 通信基站
實(shí)踐和研究結(jié)果顯示，通信基站是最適合退役動(dòng)力鋰電池梯次應(yīng)用的場(chǎng)景，且市場(chǎng)需求巨大。鐵塔公司現(xiàn)有近200萬(wàn)座基站，對(duì)退役動(dòng)力電池有長(zhǎng)期穩(wěn)定的需求，按單站電池容量需求約30 kW·h（相當(dāng)于1輛新能源汽車約62 kW·h動(dòng)力電池退役后可梯次利用容量）計(jì)算，僅該公司未來(lái)即可消納近200萬(wàn)輛新能源汽車退役的動(dòng)力電池[]。作為我國(guó)目前選列的唯一一家動(dòng)力蓄電池回收利用試點(diǎn)企業(yè)，鐵塔公司已提出將逐漸使用梯次“再造”電池，并加快探索提高安全及經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)用方案。
近3年來(lái)，鐵塔公司在全國(guó)12個(gè)省（市）的3000多個(gè)基站，開展退役動(dòng)力電池替代現(xiàn)有鉛酸電池試驗(yàn)，涵蓋備電、削峰填谷、微電網(wǎng)等不同工況，初步得出了梯次利用動(dòng)力鋰電池在循環(huán)壽命、能量密度、高溫性能、放電特性等方面的各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于鉛酸電池，技術(shù)上完全能滿足運(yùn)行要求，未出現(xiàn)安全問題的結(jié)論。云南某基站的試點(diǎn)結(jié)果顯示，該站梯次電池的年使用成本只有鉛酸電池的31.4%[29]，反映了梯次利用退役動(dòng)力電池的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，通信基站儲(chǔ)能電池的需求特點(diǎn)為，梯次利用退役動(dòng)力電池安全性風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，在一致性、充放電安全和能量密度等方面的要求相對(duì)寬松。單座基站需要的備用電池一般是30 kW·h，接近一輛新能源汽車動(dòng)力電池退役后的可用容量，只需同一輛車退役下來(lái)的動(dòng)力電池“再造”即可，降低了用不同車源導(dǎo)致電池一致性差的風(fēng)險(xiǎn)?；疽话悴徊捎酶唠妷捍箅娏鞯姆绞綄?duì)電池充電，降低了電池在充電過程中發(fā)生爆炸燃燒的幾率。此外，通信基站與充電站環(huán)境類似，相對(duì)空曠，對(duì)電池的能量密度的要求不高。
鐵塔公司通過已有的試點(diǎn)實(shí)踐，提出了通信基站梯次利用電池應(yīng)遵循小模塊低電壓、小電流、高冗余、非移動(dòng)等原則，以及電池選型要適當(dāng)，應(yīng)盡量采取在同一站點(diǎn)內(nèi)優(yōu)先選用同初始標(biāo)稱容量、同標(biāo)稱容量、同廠家、同規(guī)格的梯次電池；對(duì)確有不同容量、不同廠家梯次電池混用需求的，采用電池共用管理器等措施，最大程度消減安全性風(fēng)險(xiǎn)。鐵塔公司已達(dá)成合作意向的車企選擇顯示，將選用磷酸鐵鋰退役動(dòng)力電池進(jìn)行梯次利用。
2.3 純電動(dòng)電源車
移動(dòng)補(bǔ)電車因具有高度靈活性，可以彌補(bǔ)固定充電樁的應(yīng)用短板，同時(shí)可利用峰谷電價(jià)差獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益，近年來(lái)逐漸成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。我國(guó)從2015年開始，即出現(xiàn)了專門提供移動(dòng)充電的運(yùn)營(yíng)服務(wù)商。2018年，英國(guó)石油公司（BP）向美國(guó)電動(dòng)汽車車用移動(dòng)式快速充電系統(tǒng)制造商FreeWire投資500萬(wàn)美元[30]；我國(guó)則在2018年第310批新車型公告中，出現(xiàn)了根據(jù)移動(dòng)充電要求，正向開發(fā)的純電動(dòng)電源車，如東風(fēng)牌EQ5046XDYTBEV。
這種新型純電動(dòng)電源車，相比此前常用的兩種移動(dòng)充電設(shè)施（一種是手推、牽引或車載式的充電寶，另一種是配備儲(chǔ)能電池或柴油發(fā)電機(jī)的違規(guī)改裝型移動(dòng)補(bǔ)電車），更為高效、安全，但目前全部容量采用新電池，成本高、售價(jià)高，市場(chǎng)需求激增但接受度不高。如采用退役動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能備用電源，則可大幅降低成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)調(diào)研分析，以前述車型為例，現(xiàn)搭載218 kW·h磷酸鐵鋰新電池，其中一半容量（109 kW·h）為儲(chǔ)能電池，如使用同類梯次電池，整車成本可下降25%以上。
移動(dòng)充電車一般只提供快充服務(wù)，其本身的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，包括在給其它電動(dòng)汽車充電時(shí)、從電網(wǎng)充電的過程以及行駛中的安全問題都非常突出，尤其是后兩種情況。移動(dòng)充電車攜帶的鋰離子電池容量高，在接受充電過程中的安全要求較高，充電時(shí)需要高功率充電樁，若電壓沒有嚴(yán)格把控，易因過充、過熱而使產(chǎn)品安全性受到嚴(yán)重影響。此外，對(duì)大容量電池包的管理和新舊電池間一致性的保持也是難點(diǎn)，在行駛中要避免易引發(fā)安全事故的濫用。
2.4 快遞電動(dòng)三輪車
規(guī)模巨大的新增鉛酸電動(dòng)三輪車和存量燃油三輪車市場(chǎng)，是退役動(dòng)力鋰電池梯次利用可對(duì)標(biāo)替代的重要目標(biāo)。近五年來(lái)，我國(guó)快遞業(yè)務(wù)量年增速連續(xù)每年保持高速增長(zhǎng)，城內(nèi)末端運(yùn)力需求持續(xù)大增[31]，三輪車以其機(jī)動(dòng)靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣為快遞企業(yè)采用。到2018年初，我國(guó)三輪車保有量達(dá)7000多萬(wàn)輛，其中2000多萬(wàn)輛為電動(dòng)三輪車（其中2017年新增近900萬(wàn)輛），但大多使用鉛酸電池。國(guó)家郵政局在2016年的《快遞專用電動(dòng)三輪車技術(shù)要求》中，規(guī)定整車重量＜200 kg，最高車速＜ 15 km/h，建議采用更為環(huán)保的鋰電池或光伏電池，一般容量為2～3 kW·h[32]。電商物流發(fā)達(dá)的杭州等城市，多家快遞企業(yè)已投用數(shù)千輛采用梯次利用鋰電池的三輪車。實(shí)踐顯示，梯次利用的鋰電池體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，性能可比鉛酸電池，從全生命周期計(jì)算，使用成本低于鉛酸電池，且車輛載重能力和使用年限都有提高[6]。
快遞電動(dòng)三輪車所需電池容量不大，在對(duì)退役動(dòng)力鋰電池的重新設(shè)計(jì)制造中，不需要太多模組進(jìn)行重組；車輛一般低速行駛在較平整的簡(jiǎn)單路況，同時(shí)電池便于拆卸，加之第三方共享與換電運(yùn)營(yíng)商的興起，可提供專業(yè)維保、租賃以及物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)定位、監(jiān)測(cè)等服務(wù)，車輛不需要頻繁、快速充電，因此對(duì)電池一致性、重組的復(fù)雜性以及充放電循環(huán)倍率性等方面的要求不需過高，安全風(fēng)險(xiǎn)較易控制。但在雨水較多的南方地區(qū)，淋雨浸水造成電池內(nèi)部短路的安全風(fēng)險(xiǎn)較大，在梯次利用動(dòng)力鋰電池時(shí)，要注意提高防水能力。
3 退役動(dòng)力電池梯次利用安全性分析
梯次利用電池的安全性問題貫穿從動(dòng)力電池生產(chǎn)、車載使用到退役后“再造”以及重新利用的全過程，需要考慮各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的影響因素。如圖2所示，本研究按退役前動(dòng)力電池生命線和退役后的梯次電池生命線兩條主線，進(jìn)行分析和闡述。
圖2 退役動(dòng)力電池梯次利用生命周期示意圖
3.1 動(dòng)力電池生命線的安全性及對(duì)策
3.1.1 材料選擇
選擇電芯材料是電池制造的第一步。鋰離子動(dòng)力電池的材料，包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜和包裝材料五大類，其中正極材料是決定電芯安全性和電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素[33]。根據(jù)正極材料選擇的不同，鋰離子動(dòng)力電池可分為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池、三元?jiǎng)恿﹄姵亍㈠i酸鋰動(dòng)力電池[]。我國(guó)近幾年裝機(jī)的動(dòng)力電池從使用的正極材料類型看，三元電池和磷酸鐵鋰電池占據(jù)絕對(duì)主體地位，如表2所示。近兩年來(lái)因補(bǔ)貼政策向高能量密度、長(zhǎng)續(xù)航里程車型傾斜，三元電池裝機(jī)量呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。2018年以來(lái)，受電池安全事故頻發(fā)以及補(bǔ)貼退坡提速等因素影響，磷酸鐵鋰電池有重歸高占比趨勢(shì)。在我國(guó)2016年不到0.15萬(wàn)噸、2017年不到0.4萬(wàn)噸的梯次利用電池中，以磷酸鐵鋰電池為主。
表2 我國(guó)動(dòng)力電池裝機(jī)總量及按正極材料分類數(shù)量（2015—2018年上半年）
相對(duì)而言，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)[37]，最符合梯次利用的安全等性能要求。三元?jiǎng)恿﹄姵仉m然能量密度高、倍率性能好，但循環(huán)壽命和穩(wěn)定性略遜[38]，安全性也有待提升，可基本符合梯次利用要求。錳酸鋰動(dòng)力電池由于循環(huán)壽命短[39]，梯次利用價(jià)值不是很大。為降低梯次利用電池的安全性風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求，建議優(yōu)先選用磷酸鐵鋰電池。
3.1.2 電芯制造
電芯制造包括混料、涂布、裁片等十多個(gè)步驟，工序繁多，工藝復(fù)雜，電阻升高或短路等造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，在每一道工序中都可能存在，涉及生產(chǎn)工藝、設(shè)備質(zhì)量、過程控制以及生產(chǎn)管理、環(huán)境控制等多方面。例如在混料過程中，正負(fù)極的容量配比錯(cuò)誤，易導(dǎo)致大量金屬鋰在負(fù)極表面沉積而造成內(nèi)短路；漿料混合不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致充放電負(fù)極體積變化大析鋰造成內(nèi)短路；涂布需要保證極片厚度和重量一致，否則會(huì)影響電池的一致性，同時(shí)還須防止灰塵混入極片導(dǎo)致電池放電過快而產(chǎn)生安全隱患。涂布質(zhì)量控制不好可能會(huì)造成活性物質(zhì)剝落或內(nèi)短路[40]。焊接過程中的虛焊、料塵、隔膜紙?zhí)』蛭磯|好、隔膜有洞、毛刺未清理干凈等，也會(huì)形成安全隱患。不同電池供應(yīng)商的制造水平有較大差異，為確保梯次利用電池的安全性，宜盡量選用優(yōu)質(zhì)電池供應(yīng)商的產(chǎn)品。
3.1.3 電池封裝集成
鋰離子電池按電芯封裝形式主要有方形、軟包和圓柱三種。2015年以來(lái)，方形電池在我國(guó)動(dòng)力電池市場(chǎng)裝機(jī)量中一直占比最高，且總量遙遙領(lǐng)先，并因國(guó)家政策和市場(chǎng)對(duì)于動(dòng)力電池能量密度、輕量化有更高要求，而有繼續(xù)上升之勢(shì)，在2018年上半年動(dòng)力電池總裝機(jī)容量中占比高達(dá)76%[41]。三種封裝形式的電池近幾年的市場(chǎng)份額，如圖3所示。這幾種電池各有優(yōu)勢(shì)和不足，有各自的主導(dǎo)市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域。相比而言，方形電池結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、能量密度較高、抗沖擊能力強(qiáng)，但型號(hào)多、工藝難統(tǒng)一，主要用于客車和乘用車；軟包電池重量輕、能量密度高、內(nèi)阻小、循環(huán)性能好，但一致性較差、易發(fā)生漏液，三種車型都有使用；圓柱形電池工藝成熟、良品率高、一致性好，但較重且比能量低，主要在乘用車和低速電動(dòng)車上應(yīng)用。方形電池中磷酸鐵鋰的較多，軟包和圓柱形電池中三元材料的更多。在需要快充的應(yīng)用場(chǎng)景，由于方形電池溫升較易控制，比軟包電池更有優(yōu)勢(shì)。再合理的電芯設(shè)計(jì)與制造都無(wú)法避免使用中的意外，還需要合理的電池集成設(shè)計(jì)和先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)，減少因電芯出問題時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)和損失[39]。
圖3 2013—2018年上半年我國(guó)三種封裝形式動(dòng)力電池裝機(jī)量占比
3.1.4 車載使用
我國(guó)動(dòng)力電池主要搭載使用的車型有商用車（客車、專用車）和乘用車，其中專用車主要為城市電動(dòng)物流車。車型不同、使用工況和環(huán)境不同，退役時(shí)動(dòng)力電池的安全性和性能有所不同。過充過放、環(huán)境溫度、機(jī)械濫用（針刺、擠壓、內(nèi)短路）以及海水浸泡等濫用，都對(duì)退役后的電池安全性有影響[42]。此外，還需考慮我國(guó)各類新能源汽車的應(yīng)用領(lǐng)域、運(yùn)營(yíng)模式等，對(duì)電池退役后再利用的影響。
3.2 退役電池生命線的安全性及對(duì)策
3.2.1 拆卸儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)
從整車上收集退役下來(lái)的動(dòng)力電池，首先要把電池包從車上整體拆卸下來(lái)，再拆開獲得電池模組或電芯。由于電芯之間一般以焊接方式相連，如要拆解到電芯，極易造成安全問題或電芯損傷甚至報(bào)廢，難以確保無(wú)損拆解，而電池模組之間是軟性連接設(shè)計(jì)，因此對(duì)電池包拆解一般建議只拆到模組。
電池包一般有幾百伏的高壓，拆解前須做好放電處理。針對(duì)不同車型的PACK在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模組連接方式以及工藝技術(shù)等方面的差異，要注意在拆解中進(jìn)行柔性化配置，安全操作；在拆解后，要做好分類、標(biāo)識(shí)、存放、信息錄入和追溯管理等。
在儲(chǔ)存運(yùn)輸環(huán)節(jié)，注意環(huán)境安全，如遠(yuǎn)離火源，使外端處于絕緣防護(hù)狀態(tài)，避免儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)（儲(chǔ)存超過三個(gè)月要及時(shí)進(jìn)行充電）和長(zhǎng)距離運(yùn)輸，避免暴曬、雨淋及強(qiáng)外力碰撞等，也是減少安全隱患的重要舉措。
3.2.2 篩選分組環(huán)節(jié)
退役電池模組的安全缺陷和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，如漏液、脹氣、內(nèi)短路、外殼破損、絕緣失效、極柱腐蝕等。篩選出健康狀態(tài)好、剩余壽命長(zhǎng)、一致性好的電芯或模組，是提高梯次利用產(chǎn)品安全性的最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。篩選需要對(duì)每個(gè)電芯或電池模組的壽命、安全性和可靠性等進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估，對(duì)內(nèi)阻的變化、電壓差的變化等指標(biāo)，進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)判。包括經(jīng)過環(huán)境沖擊、車載振動(dòng)等的正負(fù)極保護(hù)蓋、線束隔離板等零部件狀態(tài)以及電池模組外觀，也應(yīng)檢測(cè)、評(píng)估。
梯次利用前，對(duì)退役電池的診斷和篩選是重要環(huán)節(jié)也是難點(diǎn)。不同類型的電芯、模組、系統(tǒng)在不同工況下服役之后，性能劣變的程度各不相同，一致性的差異較原裝電池更為明顯，因此必須進(jìn)行診斷，以便篩選出有再利用價(jià)值的電池?，F(xiàn)有的診斷檢測(cè)方法，主要針對(duì)單體電池，模組和系統(tǒng)直接診斷的難度較大。常規(guī)方法主要是首先直接對(duì)其外觀和電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估[11]，使用納米CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）技術(shù)可對(duì)電芯內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性及定量分析[43]，建立電池的電化學(xué)模型，并通過電池的外部電化學(xué)參數(shù)來(lái)分析電池內(nèi)部性能狀態(tài)[44]，近期還發(fā)展了一些更直觀的新技術(shù)，如一種接觸式的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[45]，可通過超聲信號(hào)與電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)或者直接掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）的快速高精度實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)；另一種無(wú)損非接觸式的篩選方法也能提高篩選效率[46]。對(duì)電池模組的檢測(cè)技術(shù)要求較高，如在不打開電池模組的情況下，檢測(cè)是否有鋰枝晶生長(zhǎng)，減少可能導(dǎo)致“死鋰”和電池短路等風(fēng)險(xiǎn)，目前尚缺乏能檢測(cè)篩選電池模組的成熟技術(shù)和裝備。
電池篩選后需要合理分組進(jìn)行再造，分組需根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)以及梯次利用的需求數(shù)據(jù)等，建立以材料體系、容量、內(nèi)阻、剩余循環(huán)壽命等參數(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)，把健康狀態(tài)、剩余壽命等指標(biāo)在同一級(jí)的模組，進(jìn)行合理分組，梯次再利用。
3.2.3 定容重組環(huán)節(jié)
梯次利用電池產(chǎn)品“再造”的最后一環(huán)，是把篩選分組后一定數(shù)量、同一級(jí)別的電池模組，進(jìn)行定容重組。對(duì)退役動(dòng)力電池中的“舊”電池模組進(jìn)行管理，比對(duì)新電池面臨的問題更復(fù)雜，梯次利用電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)安全性問題考慮要更為全面。優(yōu)化設(shè)計(jì)模組連接方案，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性化；克服傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移式電池均衡器的缺陷，采用智能分時(shí)混合均衡技術(shù)[47]，搭載合適的電流均衡器，搭配高效溫度預(yù)警系統(tǒng)，以及增加熱量管理和高壓監(jiān)控等安全性模塊，都是削減梯次利用電池離散整合安全風(fēng)險(xiǎn)的重要手段。此外，可采用云存儲(chǔ)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，提高BMS數(shù)據(jù)的安全性，消減為不當(dāng)謀利而非法篡改偽造數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。
3.2.4 電池再利用環(huán)節(jié)
電池?zé)崾Э厥请姵匕踩鹿拾l(fā)生的主要原因[40]，在重組電池梯次利用環(huán)節(jié)要特別加以防患。雖然前述對(duì)梯次利用“再造”各環(huán)節(jié)的一致性保障措施，可以有效降低電池?zé)崾Э氐膸茁?，但仍無(wú)法避免再利用過程中一致性的再次離散[22]。雖然重組過程中通過溫度預(yù)警系統(tǒng)能比較有效地阻止電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，但在外力干擾、電池內(nèi)短路[48]等發(fā)生時(shí)，電池會(huì)瞬間大量放熱，使預(yù)警系統(tǒng)失效，引起著火爆炸等。配備充足的消防設(shè)施，并做好消防預(yù)案，以及在較高電池容量的梯次利用場(chǎng)景中，將電池分區(qū)域隔離放置，避免電池連鎖失控等，也是提高梯次利用中防護(hù)安全的重要措施。
3.3 基于應(yīng)用場(chǎng)景的電池梯次利用安全保障綜合策略
當(dāng)前我國(guó)動(dòng)力電池回收利用新政策剛開始施行，電池溯源管理平臺(tái)也剛開始啟動(dòng)，退役電池歷史數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失，模組檢測(cè)評(píng)估與篩選重組等關(guān)鍵技術(shù)尚存瓶頸，應(yīng)用市場(chǎng)剛開始起步，針對(duì)某種退役電池適合用場(chǎng)景選擇尚無(wú)具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，電池梯次利用面臨巨大挑戰(zhàn)。梯次利用必須依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，采取以需求為導(dǎo)向的優(yōu)化匹配策略，最大程度地消減安全風(fēng)險(xiǎn)。
首先全面分析梯次利用應(yīng)用場(chǎng)景需求，把涉及電池安全的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，根據(jù)所需容量、性能、使用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等約束條件，逐一細(xì)化，并進(jìn)行量化標(biāo)定，形成應(yīng)用需求安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，對(duì)難于追溯原始身份數(shù)據(jù)和車載使用數(shù)據(jù)的動(dòng)力電池，強(qiáng)化對(duì)電池供應(yīng)用商、車企和車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)狀況的整體分析，分別對(duì)整批電池的材料體系、封裝形式、生產(chǎn)工藝、制造水平和BMS等，以及整批車型的應(yīng)用領(lǐng)域、整個(gè)車隊(duì)的運(yùn)行方式等進(jìn)行分析，對(duì)照應(yīng)用需求的安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立退役電池安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及數(shù)據(jù)庫(kù)。在建立上述兩大數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，形成如圖4所示的安全綜合匹配策略框架，開展建模分析，進(jìn)行以需求為導(dǎo)向的安全優(yōu)化匹配決策。
圖4 基于應(yīng)用需求的退役動(dòng)動(dòng)力電池梯次利用安全優(yōu)化匹配策略框架
對(duì)于充（換）電站和移動(dòng)充電車的梯次電池安全選擇，考慮其使用電池容量相對(duì)較大，對(duì)快速充電安全性要求高等特點(diǎn)，建議優(yōu)先選用從城市公交客車應(yīng)用領(lǐng)域退役的磷酸鐵鋰方形電池。因?yàn)榇祟悜?yīng)用領(lǐng)域的新能源客車，大多使用磷酸鐵鋰方形電池，主要在城市固定線路、以相對(duì)穩(wěn)定的速度運(yùn)行，充電方式以夜間利用谷電慢充為主，大多有公交公司或城市交通管理平臺(tái)等的數(shù)據(jù)可參考，相對(duì)其他應(yīng)用領(lǐng)域的退役電池，安全性風(fēng)險(xiǎn)更低。對(duì)于新能源專用車退役電池的梯次利用，要充分考慮我國(guó)以純電動(dòng)物流車、在城市配送應(yīng)用為主的特點(diǎn)。電動(dòng)物流車產(chǎn)業(yè)化相對(duì)其他兩種車型起步較晚，從2015年底首次進(jìn)入年產(chǎn)銷量萬(wàn)輛級(jí)，到2017年底累計(jì)應(yīng)用約20萬(wàn)輛。這類車輛因生產(chǎn)工具屬性高，應(yīng)用環(huán)節(jié)對(duì)整車價(jià)格高度敏感，近幾年來(lái)正向開發(fā)的車型很少，電池品質(zhì)和使用友好程度相對(duì)較低，潛在的安全性風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，充電站、移動(dòng)充電車等場(chǎng)景不建議選用，其它應(yīng)用場(chǎng)景盡量選用正向開發(fā)車型搭載的磷酸鐵鋰電池。乘用車的動(dòng)力電池相對(duì)其它車型要求較高，一致性較好，循環(huán)性能較好，大多為三元材料電池。出租車領(lǐng)域運(yùn)營(yíng)的新能源汽車，日平均使用里程高，常需快速補(bǔ)電，電池衰減快，剩余價(jià)值不高，除快遞電動(dòng)三輪車適當(dāng)選用外，其它場(chǎng)景慎用。相比出租車而言，近幾年興起的分時(shí)租賃（汽車共享）用純電動(dòng)乘用車，日平均使用里程較短，以慢充為主，此工況退役的電池能量密度總體相對(duì)較高，安全性風(fēng)險(xiǎn)較低，梯次利用價(jià)值較高，除快遞純電動(dòng)三輪車外，規(guī)模不大的充電站儲(chǔ)能也可選用。
4 結(jié) 語(yǔ)
退役動(dòng)力電池梯次利用的安全性決定了梯次利用市場(chǎng)的發(fā)展與未來(lái)，也是促進(jìn)我國(guó)新能源汽車以及動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)本身健康快速發(fā)展，打好生態(tài)環(huán)保攻堅(jiān)戰(zhàn)的關(guān)鍵。電池梯次利用是復(fù)雜的系統(tǒng)性社會(huì)化工程，消減安全風(fēng)險(xiǎn)，需要綜合施策，基于應(yīng)用需求，分步驟、有重點(diǎn)地建立確實(shí)有效的安全保障體系。在當(dāng)前條件下，應(yīng)在繼續(xù)開展大容量電網(wǎng)儲(chǔ)能梯次利用示范工程的同時(shí)，加快發(fā)展民用梯次利用產(chǎn)業(yè)。在當(dāng)前民用市場(chǎng)主要應(yīng)用場(chǎng)景下，應(yīng)建立并采取基于應(yīng)用場(chǎng)景需求的梯次利用電池安全優(yōu)化匹配策略。同時(shí)，還要強(qiáng)化全生命周期安全風(fēng)險(xiǎn)消減與控制的理念，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，前置融入梯次應(yīng)用不同場(chǎng)景的需求，創(chuàng)新動(dòng)力電池傳統(tǒng)開發(fā)模式，定制化設(shè)計(jì)既滿足車用要求，又便于退役后拆卸拆解、檢測(cè)重組的電芯連接、模組連接和PACK模式；要強(qiáng)化民用市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景產(chǎn)學(xué)研用各方合作，加快發(fā)展模組級(jí)和系統(tǒng)重組的快速無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)與裝備。此外，還要大力扶持專業(yè)提供梯次利用電池“再造”、共享及維保服務(wù)的獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商，以專業(yè)運(yùn)營(yíng)商為龍頭，構(gòu)建能真正落實(shí)車企和電池廠等生產(chǎn)者主體延伸責(zé)任的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新應(yīng)用體系，促進(jìn)梯次利用民用市場(chǎng)快速成長(zhǎng)。
第一作者及聯(lián)系人：吳小員（1968—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚕ê姵氐龋┊a(chǎn)業(yè)與應(yīng)用，E-mail：xywu@#edu.cn。
引用本文：吳小員, 王俊祥, 田維超, 左哲倫. 基于應(yīng)用需求的退役電池梯次利用安全策略[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 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.
