中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 近些年，隨著新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，動力電池也將迎來大規(guī)模退役潮。動力電池的梯次利用不僅可以充分發(fā)揮電池價值降低電池成本，同時也能削弱退役動力電池對土壤和環(huán)境造成的威脅，緩解傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)成本高、收益低等問題。目前，傳統(tǒng)分容定容一致性的篩選技術(shù)效率低、成本高，難以適應(yīng)多場景的梯次利用動力電池一致性的篩選需求，數(shù)據(jù)分析在篩選過程中沒有發(fā)揮必要的作用，快速高效的電池篩選技術(shù)成為退役電池規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，現(xiàn)有梯次利用技術(shù)無法解決一致性差等問題，重組電池梯次運行衰減較快，且老化規(guī)律難以預(yù)判，存在較大的安全隱患，退役動力電池梯次利用在一致性管理、動態(tài)安全監(jiān)測及調(diào)控等技術(shù)在規(guī)?；瘧?yīng)用中仍需實現(xiàn)突破。雖然梯次利用電池儲能系統(tǒng)示范應(yīng)用已初具成效，但仍面臨系統(tǒng)高安全性和經(jīng)濟性等技術(shù)難題。本文通過對近期相關(guān)文獻的探討，綜述了退役動力電池的分選、評估、篩選、檢測、重組、均衡以及安全等關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對退役動力電池梯次利用相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策以及國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行梳理，有望為退役動力電池大規(guī)模梯次利用提供參考。
關(guān)鍵詞 電化學(xué)儲能；退役動力電池；梯次利用；梯次利用標(biāo)準(zhǔn)
在“雙碳”背景下，近些年電動汽車發(fā)展迅速。截至2022年8月底，我國新能源汽車保有量達到1099萬輛，占全球一半左右。從2023到2030年，我國退役動力鋰電池規(guī)模預(yù)計將從33.95 GWh提升至380.3 GWh，增幅超過10倍。從電動汽車退役下來的動力電池一般容量衰減到初始容量的70%～80%，仍具有較高的剩余能量，通過梯次利用急速將電池重新分選配組，仍可發(fā)揮電池剩余價值。此外，通過梯次利用延長電池綜合服役壽命，不僅降低動力電池全壽命周期成本，同時對推動電動汽車綠色健康可持續(xù)發(fā)展以及控制成本具有積極作用。
從環(huán)境角度考慮，鋰電池里含有多種不易自然分解的金屬元素和多種化學(xué)合成物，不妥善處理容易造成環(huán)境污染。退役電池若不能有效利用，將造成極大的資源浪費，并且退役動力電池包含多種化合物，任意棄置將對水質(zhì)和土壤造成污染。動力電池梯級利用可以最大限度地利用電池的價值，促使電池全壽命周期延長，為社會創(chuàng)造經(jīng)濟價值，同時減少了廢棄物的排放，是一種循環(huán)、低碳、綠色可持續(xù)的生產(chǎn)生活方式。
從安全角度來分析，不當(dāng)?shù)奶幹梅绞揭滓鹜艘蹌恿﹄姵刈匀蓟虮ǖ劝踩鹿省Ｐ履茉窜囯姵氐氖褂脡勖?～8年，或者行駛里程20萬公里，而電動商用車由于日行駛里程長，充放電頻率更高，有效壽命更短。由于動力電池的健康狀態(tài)低于出廠原電池健康狀態(tài)的80%時會進行強制回收，因此，理論上動力電池可進行全生命周期的管理和使用。
此外，梯次利用電池儲能的價格競爭優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。市場新電芯價格是退役電池回收價格的2倍左右。若能有效解決梯次利用電池安全技術(shù)問題，則初期投資成本要比新電池儲能低20%～30%，最終促使項目成本顯著降低，進而提升能源清潔生產(chǎn)和替代水平，促進梯次利用電池在儲能系統(tǒng)、備用電源、低速電動車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。本文主要對動力電池的梯次利用的技術(shù)研究進展以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行總結(jié)，并對退役動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢進行梳理分析，為促進退役動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展以及大量退役動力電池合理利用提供理論和實踐指導(dǎo)。
1 退役動力電池梯次利用技術(shù)
1.1 退役動力電池分級
隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展成熟和使用環(huán)境的持續(xù)改善，新能源汽車對燃油汽車的替代進程持續(xù)加快，燃油汽車將進入加速報廢淘汰期，同時新能源汽車報廢量也將逐步提升，退役動力電池梯次利用技術(shù)研究也日益受到關(guān)注。國內(nèi)外許多研究都表明，近年來隨著動力電池在材料性能、制造工藝、電池一致性、循環(huán)壽命、能量密度、安全性等方面取得重大突破，退役動力電池的各項性能也得到了巨大的提升，將退役動力電池進行梯次利用極具可行性。
根據(jù)退役動力電池的規(guī)格和類型如表1所示，退役動力電池梯次利用時也具有不同的應(yīng)用場景，如圖1所示，對于電力儲能領(lǐng)域，按照用途及特點，在可再生能源電力儲能、電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻儲能、配電側(cè)分布式儲能和用戶側(cè)分布式微網(wǎng)儲能等方面均可選用合適的退役動力電池；對于動力型電源，在車速低、行駛里程短、充電方便、電池容量要求不高等情況時，完全可使用梯次電池替代；通信基站電源具有容量小、低電壓、高冗余、小電流、非移動的特點，目前是退役動力電池梯次利用發(fā)展最快的應(yīng)用場景之一；在生產(chǎn)生活等消費類領(lǐng)域，對于一些中低端的充電式電子產(chǎn)品，由于成本控制的特殊需求，在滿足其應(yīng)用場景的前提下，用梯次電池代替新電池完全可以勝任。
表1 動力電池全生命周期應(yīng)用方式
圖1 退役動力電池梯次利用應(yīng)用場景
1.2 電池分選評估
退役動力電池在經(jīng)過長期運行工作之后，由于受環(huán)境及電池本身差異的影響會造成電池容量衰減程度不同，電池的不一致性逐漸顯現(xiàn)，同時退役動力電池中仍可能存在部分問題電池未能被診斷出來。因此，為了更好地利用退役動力電池，提升梯次動力電池的可靠性，必須評估電池的衰減情況，分選出性能一致性較好的電池。
1.2.1 退役動力電池外觀篩選
動力電池通常整體退役，由于電池經(jīng)長期使用可能會出現(xiàn)氣脹、漏液、破損等外觀形變，因此需通過模組拆解，分選出外觀符合梯次利用標(biāo)準(zhǔn)的電池[2]。
目前導(dǎo)致退役動力電池外觀受損主要可分為物理損壞和化學(xué)損壞。其中物理損壞指受外界應(yīng)力而發(fā)生的形變或破損?；瘜W(xué)損壞指電池內(nèi)部發(fā)生的不可逆化學(xué)反應(yīng)，例如鋰枝結(jié)晶、電解液分解、集流體破損等。因此，退役動力電池外觀篩選除了觀察電池是否發(fā)生嚴重變形、外形結(jié)構(gòu)、銘牌、編號、電池表面平整程度及油漬等損傷情況，還要檢查電池是否存在漏液、銹蝕等現(xiàn)象。實際上，退役動力電池梯次篩選不僅需要電池外觀符合梯次利用標(biāo)準(zhǔn)，還需對其進行電荷狀態(tài)評估和健康狀態(tài)評估。
1.2.2 退役動力電池電荷狀態(tài)評估
從電量的角度來看，電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)通常是指電池剩余電量與其在相同條件下可用容量的比值。近年來，國內(nèi)外對于退役動力電池電荷狀態(tài)評估的方法主要可分為下列幾種：
（1）安時積分法。根據(jù)電池荷電狀態(tài)的定義，通過電流在測試時間內(nèi)的積分比最大容量得到實時的荷電狀態(tài)，然而，其測量精度與電池荷電狀態(tài)初始值的選取密切相關(guān)。若初始值設(shè)置合理，采用安時積分法在初始階段可獲取較高精度，但隨著時間推移以及多種環(huán)境因素影響，將致使庫侖效率產(chǎn)生偏差，計算得到的電池荷電狀態(tài)精度會逐漸降低。因此，安時積分法的測量值精度受初始值和累計誤差限制，使用該方法測量電池荷電狀態(tài)時需考慮電池額定容量受外界因素影響而產(chǎn)生的變化。
（2）開路電壓法。該方法需先進行充放電試驗，而后測量不同荷電狀態(tài)下的開路電壓，進而分析電池開路電壓與電池荷電狀態(tài)的相對應(yīng)值得到變化曲線和電池荷電狀態(tài)值。然而，采用該方法評估退役動力電池荷電狀態(tài)時，其開路電壓若要得到準(zhǔn)確測量值需將電池靜置較長時間，否則評估的電池荷電狀態(tài)值將會產(chǎn)生較大誤差。
（3）數(shù)據(jù)驅(qū)動法。該方法是指利用電壓、電流、溫度和內(nèi)阻等大量實驗數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，進而利用算法模型估算電池的荷電狀態(tài)。目前，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法包括模糊邏輯、支持向量機、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)據(jù)驅(qū)動的核心是采用算法對大量數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，其訓(xùn)練質(zhì)量決定狀態(tài)估計的精度。由于電池數(shù)據(jù)受外部環(huán)境及工況的影響，以及動力電池非線性的性能衰減致使部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)失效也將影響電池荷電狀態(tài)評估的精度。
（4）多法融合。該方法在等效模型基礎(chǔ)上，利用擴展卡爾曼濾波技術(shù)、粒子濾波技術(shù)等方法估算電池的荷電狀態(tài)。其中粒子濾波技術(shù)主要結(jié)合其相應(yīng)的電池模型，通過對安培小時法進行修正，并根據(jù)電池模型給出的仿真預(yù)測結(jié)果。該方法在處理非線性、非高斯系統(tǒng)方具有較高的精度。而多法融合能夠有機結(jié)合多種方法的優(yōu)勢，提升評估結(jié)果的有效性，已成為目前電池荷電狀態(tài)估計方法中最常用的方法之一。
1.2.3 退役動力電池健康狀態(tài)評估
動力電池健康狀態(tài)(state of health，SOH)是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下，將滿電電池以恒定的倍率進行放電至截止電壓放出的最大電量與其出廠時的實際容量之間比值。電池健康狀態(tài)是電池評估、電池的容量衰減、功率衰減以及預(yù)測電池壽命的重要指標(biāo)。若要實現(xiàn)退役動力電池的梯次利用就需對電池的健康狀態(tài)進行有效評價。其常用的評估方法為：
（1）電壓特性曲線。通常情況下電池衰減程度與開路電壓息息相關(guān)。該方法利用實驗數(shù)據(jù)計算在不同充放電、電池電荷狀態(tài)下同一電池的開路電壓與電池健康狀態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系。即通過多次充放電數(shù)據(jù)擬合開路電壓與電池健康狀態(tài)的關(guān)系，進而利用電池的開路電壓估算電池的健康狀態(tài)。此方法不僅測試周期長而且由于受電池遲滯效應(yīng)的影響其開路電壓的精確難以控制。
（2）直接放電。該方法將滿電的電池以設(shè)定的充電倍率繼續(xù)浮充至截止電壓，而后靜置電池至內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)幾乎消失。之后以恒定放電倍率恒流放電至電池放電截止電壓，并通過放電電流與放電時長的積分得到當(dāng)前電池實際的最大可放電容量，即電池健康狀態(tài)的值。該方法的不足之處在于試驗時間較長，并且每一個單體電池單次循環(huán)充放電均需要幾個小時，另外電池單體需要拆解，在實際測試中推廣難度較高。
（3）電化學(xué)阻抗。該方法需利用電化學(xué)阻抗譜分析儀測算電池的交流阻抗譜，而后通過分析交流阻抗譜數(shù)據(jù)估算出電池的健康狀態(tài)。由于該方法需要精密的測試儀器以獲得高精度的實驗數(shù)據(jù)，對于規(guī)模化的退役動力電池模塊的電池健康狀態(tài)評估，其較高的綜合測量成本以及復(fù)雜的測試流程使得該方法的推廣受到了一些阻礙。
（4）內(nèi)阻測量。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)部等效歐姆電阻變大。通過試驗測量或數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)現(xiàn)健康狀態(tài)與內(nèi)阻之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。因此，利用該函數(shù)關(guān)系，對歐姆內(nèi)阻的實時監(jiān)測即可等效成為對電池健康狀態(tài)的在線監(jiān)測。該估算方法不僅原理簡單，而且對于健康狀態(tài)評估的精度較高，在實際測試中推廣較為容易。
1.2.4 退役動力電池快速分選
當(dāng)前梯次利用電池儲能技術(shù)，主要采取將退役電池組拆解為模塊，經(jīng)測試篩選后，將容量、電壓、內(nèi)阻、一致性等滿足要求的電池模塊重組集成為電池組的技術(shù)路線。面對大規(guī)模電池分選，采用傳統(tǒng)的分容定容篩選測試方法，效率低、成本高。雖然國內(nèi)在退役電池性能評估、分選重組、集成、熱安全管理以及一致性評估、重組利用等技術(shù)實現(xiàn)突破，但仍面臨退役動力電池規(guī)?；焖俜诌x技術(shù)難點。馬速良等人為了適應(yīng)多應(yīng)用場景對退役電池一致性的篩選要求，提出一種基于電池性能和智能算法的聚類篩選方法。該方法能夠在退役電池特征參數(shù)的基礎(chǔ)上利用多種目標(biāo)函數(shù)提升退役電池一致性篩選的靈活性。而后，基于聚類思想的改進遺傳優(yōu)化篩選策略，實現(xiàn)規(guī)?；耐艘蹌恿﹄姵貥颖镜膬?yōu)化篩選。
針對大規(guī)模退役電池初始狀態(tài)的差異性，導(dǎo)致分選效率降低的問題，曹學(xué)彬等人建立了退役電池的快速分選與綜合評價模型，該模型通過提取部分特征充電曲線的老化特征，采用支持向量分類機(SVM)訓(xùn)練退役電池分選模型，并用粒子群算法(PSO)優(yōu)化SVM參數(shù)。最后，通過選取多參數(shù)評價指標(biāo)，并依據(jù)退役電池實際數(shù)據(jù)對模型的評價結(jié)果進行了驗證。
駱凡等人提出了一種基于短時脈沖放電與電化學(xué)阻抗譜(EIS)相結(jié)合的退役動力電池快速分選方法，該方法通過對動力電池進行短時脈沖放電與阻抗譜測試，將獲取的脈沖電壓差、直流內(nèi)阻、電化學(xué)阻抗譜曲線形狀特征以及等效電路模型參數(shù)作為篩選指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對退役動力電池快速有效的分選，其不僅有效地降能夠低能耗，并且使得單體的平均測試時間縮短至20分鐘以內(nèi)。
近些年，中國電科院、國網(wǎng)河南省電力公司面對大規(guī)模梯次利用動力電池開展無損檢測和快速分選重組的研究發(fā)現(xiàn)面對大規(guī)模梯次利用如果將動力電池拆解成電池單體后再進行分選檢測將耗費大量的時間和成本，而通過拆解不同容量的退役動力電池發(fā)現(xiàn)同一電池模組中單體容量基本一致，一致性較好的電池模組可以整組進行梯次利用。
1.3 電池重組
退役動力電池通過拆解，并依據(jù)不同的容量等級和性能一致性重新配組形成梯級利用的重組電池。通過重組、集成的重組電池可改善各電池組之間的一致性，更好地適用新的應(yīng)用場景，發(fā)揮電池梯次利用的價值，同時也是退役電池梯次利用的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而簡單隨機重組方法將導(dǎo)致電池一致性較差，運行過程衰減加速且老化規(guī)律難以準(zhǔn)確預(yù)判，存在較大的安全隱患。為此，Chen等人開發(fā)一種基于電池容量增量曲線(IC)的分選重組方法，該方法利用容量-電壓曲線與電池老化衰退之間的關(guān)系，通過提取電池容量增量曲線的波峰等特征參數(shù)進行電池分選，而后運用K-means算法實現(xiàn)快速聚類分組以提升退役動力電池梯次利用的性能一致性。該方法能夠反映長期的一致性容量損失，有效提升梯次利用整組使用壽命，具備較強的實用性。此外，徐余豐等人提出整組梯次利用的方案，對退役動力電池模組進行性能檢測和篩選，將符合標(biāo)準(zhǔn)的退役動力電池模組重組后應(yīng)用于微電網(wǎng)系統(tǒng)。
1.4 電池均衡管理
電池均衡管理是退役動力電池規(guī)模化應(yīng)用以及快速推廣的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)之一。由于退役動力電池的性能以及電壓、電池荷電狀態(tài)、容量、內(nèi)阻等參數(shù)存在或多或少的差異或不一致性，并且電池的不一致性隨循環(huán)使用逐漸增大，使得電池模組的整體性能受“木桶效應(yīng)”的影響快速衰減。由于退役動力電池的一致性要遠差于新電池，一般的電池均衡管理功能難以解決一致性差等問題，致使重組的電池在梯次利用過程中衰減較快且老化規(guī)律無法準(zhǔn)確預(yù)判，嚴重制約了梯次利用儲能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。電池均衡管理技術(shù)可實現(xiàn)退役動力電池在梯次利用過程一致性管理和安全性調(diào)控，能夠促進退役電池的高值化利用。因此，電池均衡管理對減小電池間的性能差異，改善電池的不一致性具有極其重要的實際意義。
1.4.1 被動均衡技術(shù)
被動均衡技術(shù)是指通過電池管理系統(tǒng) (battery managements system，BMS)檢測電池模組中能量較高的單體電池，而后其旁路電阻利用歐姆定律將多余的電能轉(zhuǎn)化為熱能的形式消散出去，進而促使電池模組內(nèi)的單體電池能量狀態(tài)保持一致。該種均衡技術(shù)的優(yōu)勢在于電路結(jié)構(gòu)控制和電路簡單，技術(shù)成熟造價成本較低，在早期的電動汽車中也都采用該方法提升電池的均衡特性。
但該方法均衡的過程中分流電阻消耗了動力電池組的能量，均衡效率較低，不僅會消耗電池模組的電能，而且還將增大電池管理系統(tǒng)中熱管理的負擔(dān)，致使系統(tǒng)的安全性、可靠性下降甚至產(chǎn)生安全隱患。因此，對于退役動力電池或大容量、大功率的電池模組均衡管理采用單一的被動均衡技術(shù)并不適用。
1.4.2 主動均衡技術(shù)
主動均衡技術(shù)本質(zhì)上是指，通過電池管理系統(tǒng)檢測單體電池的能量狀態(tài)，并利用儲能元件作為中介，將能量偏高的單體電池和能量直接或間接轉(zhuǎn)移至能量偏低的單體電池。該方法能量通過儲能元件進行迅速傳遞，均衡效率高，不直接消耗能量。按照轉(zhuǎn)移介質(zhì)的不同，能量轉(zhuǎn)移法可分為開關(guān)電容法和DC-DC變流器法。由于均衡系統(tǒng)對于儲能元件需求較多，電路較為復(fù)雜且當(dāng)相鄰電池間電壓差較小時其均衡需要很長時間，對于位置較為固定、空間要求不苛刻的電池模組均衡管理可以采用主動均衡技術(shù)。
1.4.3 動態(tài)均衡技術(shù)
可重構(gòu)電池均衡方法是利用電路設(shè)計原理將電池組和電池單體級別的分級管控，通過靈活切換電池之間的串并聯(lián)方式實現(xiàn)退役動力電池的一致性管理?？芍貥?gòu)電池組的概念被提出使得儲能電站可以動態(tài)調(diào)節(jié)電池的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得重構(gòu)電池模組具有高容錯性、高充電均衡、高效率以及可變的電池組端電壓等優(yōu)勢，為電池的梯次利用提供了新的思路。清華大學(xué)慈松等人提出動態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字儲能理念，已在自適應(yīng)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、電池電荷狀態(tài)評估和電池健康狀態(tài)精準(zhǔn)算法等方面取得多項研究成果，現(xiàn)已完成百/千瓦級的可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計，并將可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)管控技術(shù)應(yīng)用于300 kW電池儲能電站?；诳芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字儲能系統(tǒng)可以將儲能系統(tǒng)的有效容量提升20%以上，并且可以避免電池單體層面的過充過放現(xiàn)象，實現(xiàn)了故障電池單體的自動在線監(jiān)測和隔離。
此外，范茂松等人通過對梯次利用動力電池容量動態(tài)離散機理的探索，從機理上分析電池不一致性的本質(zhì)原因，進而提出基于容量動態(tài)離散機理的均衡方法和技術(shù)。趙光金等人開發(fā)的主被動協(xié)同響應(yīng)的退役電池均衡技術(shù)能夠有機結(jié)合主動和被動均衡優(yōu)勢，有效地彌補了單一均衡策略的不足，更有利于實現(xiàn)延長電池壽命、降低電池及儲能成本的目標(biāo)。
總之，退役動力電池一致性相較于新電池更加難以控制，單獨使用主動均衡或者被動均衡技術(shù)已無法完全滿足系統(tǒng)均衡需求，而具有能量損耗小、均衡速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、高擴展性和兼容性的智能均衡方法將是未來退役動力電池均衡技術(shù)的發(fā)展趨勢。
1.5 電池安全
通過測試退役動力電池的倍率性能、表面放熱特性、高低溫性能、循環(huán)壽命并拆解部分電池對電極材料的物相和表面形貌進行比對分析，證明退役的動力電池仍具有較好的電學(xué)性能，并且在相對溫和的使用條件下退役動力電池滿足梯次利用的要求。但是由于退役動力電池經(jīng)過了長期使用，電池的一致性變差，進而致使部分電池存在過充或過放的情況。
目前研究電池及相關(guān)材料熱穩(wěn)定性的方法有差示掃描量熱(differential scanning calorimetry，DSC)、絕熱加速量熱(acceleratin gratecalorimetry，ARC)和熱重分析(thermal gravimetric analysis，TGA)。絕熱加速量熱儀可對單體及模組電池進行測試并且測試精度高。絕熱加速量熱儀由于其能研究絕熱環(huán)境下的自加熱情況且靈敏度高等優(yōu)點成為電池安全性研究的方式之一。通過絕熱加速量熱測試，可以得到自放熱速率和溫度的變化關(guān)系，推動鋰/鈉離子電池動力學(xué)、熱失控原因以及電極材料、電解液熱安全性能評估的研究。
除了對退役動力電池?zé)崾Э匕踩阅茉u估之外，研究電池系統(tǒng)長時間尺度的安全預(yù)警，不僅能夠保護電源設(shè)備的財產(chǎn)安全，也是促進梯次利用市場健康持續(xù)發(fā)展的重要保障。此外，通過衰退模型可對多工況環(huán)境下的電池容量衰減預(yù)測。并且當(dāng)前基于實驗數(shù)據(jù)的電池過放安全風(fēng)險評估與預(yù)測模型已通過實況運行數(shù)據(jù)的有效性驗證，此外，運用SVM方法也可估算電池內(nèi)阻等參數(shù)的變化趨勢，實現(xiàn)電池安全風(fēng)險預(yù)警。
2 退役動力電池梯次利用政策
退役電池關(guān)鍵技術(shù)是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，而產(chǎn)業(yè)政策更是促進關(guān)鍵技術(shù)實踐與工程應(yīng)用的催化劑。由于退役動力電池使用環(huán)境和運維的差異，以及電池歷史運行數(shù)據(jù)難以獲取都將提升退役動力電池梯次利用的難度和成本。近些年，我國對于梯次利用電池儲能系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用出臺多項鼓勵政策，工業(yè)和信息化部（工信部）等國家職能部門也對退役動力電池梯次利用發(fā)展給予大量的政策支持，具體見表2。
表 2 國內(nèi)退役動力電池梯次利用相關(guān)政策
在2018年，工信部印發(fā)《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》，其中要求動力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)須對電池進行編碼，同時車企應(yīng)記錄蓄電池編碼。該政策使得動力電池全生命周期可追溯，數(shù)據(jù)可收集，為后續(xù)電池的余值評估以及梯次利用提供支撐。
2021年，國家發(fā)展改革委印發(fā)《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，指出開展廢舊動力電池的循環(huán)利用行動，推進動力電池規(guī)范化梯次利用。同年8月，工信部等五部門聯(lián)合發(fā)布了《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》，鼓勵梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)互相合作，強化信息共享，提升退役動力電池梯次利用率。
2022年7月，工信部發(fā)布的《新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理暫行規(guī)定》，明確建設(shè)新能源汽車動力蓄電池回收利用溯源管理平臺，對退役動力電池全生命周期(生產(chǎn)、銷售、使用、報廢、回收)信息進行采集，并對各環(huán)節(jié)回收利用主體責(zé)任履行情況進行實時監(jiān)測。
另外，2022年12月工信部公布了新一批符合汽車廢舊動力蓄電池綜合利用規(guī)范條件的企業(yè)名單，利用市場手段促進退役動力電池管理水平的提升及梯次利用產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展。
截至2023年4月，國家已頒布多項退役電池梯次利用相關(guān)政策(見表2)。從明確退役動力電池的回收責(zé)任、推進退役動力電池回收體系建設(shè)、電池溯源平臺搭建以及回收管理辦法的完善，到推進規(guī)范企業(yè)發(fā)展等政策相繼落地。當(dāng)前，退役動力電池梯次利用仍處于難以實施與管控的情況，缺乏相關(guān)政策具體實施細則，需推動企業(yè)落地退役動力電池梯次利用示范項目，加速推進退役動力電池梯次利用的健康狀態(tài)溯源、安全試驗評價、一致性管理、安全性調(diào)控等技術(shù)開發(fā)，持續(xù)引導(dǎo)梯次利用行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。
3 退役動力電池梯次利用標(biāo)準(zhǔn)
我國對退役動力電池的梯次利用高度重視，2017年至今，發(fā)布了多項退役動力電池梯次利用國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示，從余能檢測、拆解規(guī)范、包裝運輸、產(chǎn)品標(biāo)識、梯次利用要求等多方面進行了具體規(guī)定。此外，國內(nèi)相關(guān)行業(yè)與大批能源企業(yè)已經(jīng)逐步推進退役動力電池梯次利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時梯次利用標(biāo)準(zhǔn)的制定也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展設(shè)定規(guī)范。當(dāng)前，動力電池退役規(guī)模逐步遞增，退役動力電池梯次利用的安全性和可靠性得到更多的關(guān)注。
表3 國內(nèi)退役動力電池梯次利用國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
GB/T 33598 2017 對退役新能源車輛的動力電池包拆解為電池單體的拆解過程進行了規(guī)范，其中包括總體要求、安全要求、作業(yè)程序、存儲以及管理要求。該標(biāo)準(zhǔn)確保動力電池拆解過程的環(huán)保、安全、高效，同時也為后續(xù)退役電池的測試評估、分選重組等工作的開展奠定了基礎(chǔ)。
GB/T 34013 2017規(guī)定了電動汽車用動力電池的單體、模塊和標(biāo)準(zhǔn)箱尺寸規(guī)格要求。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了動力電池尺寸，同時也有助于解決動力電池尺寸與梯次利用場景匹配的問題。
GB/T 34014 2017對動力電池編碼的基本原則、編碼對象、代碼結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)載體進行了規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)可用于動力電池生產(chǎn)管理、維護和溯源及電動汽車關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控。編碼的可追溯性和唯一性有助于確定動力電池回收責(zé)任主體以及梯次利用電池的評估。無論是規(guī)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化還是編碼的統(tǒng)一化，都極大地完善了動力電池梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系框架，推進了動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
GB/T 34015—2017規(guī)范了動力電池外觀檢查、極性檢測、電壓判別以及充放電電流判別等初篩過程，為退役動力電池的余能檢測提供了評價依據(jù)。GB/T 34015.2—2020，規(guī)范了電池包或模塊的拆卸過程中的場地、設(shè)施、人員及作業(yè)等要求。GB/T 8698.1—2020對退役動力電池回收利用的包裝運輸環(huán)節(jié)進行規(guī)范。
GB/T 34015.4對車用動力電池梯次利用產(chǎn)品標(biāo)識進行了規(guī)范。根據(jù)簡單的標(biāo)識即可觀察產(chǎn)品的基本信息及來源，辨別產(chǎn)品的質(zhì)量，不僅可以給企業(yè)內(nèi)部的可追溯性提供便利，還可以給梯次利用產(chǎn)品的客戶提供一個知情權(quán)的保障。使得廢舊車用動力蓄電池經(jīng)過梯次利用能夠重新作為一類產(chǎn)品進行銷售，其模塊和單體可根據(jù)市場實際需求進行組合再使用，對于車用動力電池梯次利用產(chǎn)品應(yīng)用和資源化利用具有重要意義。
GB/T 34015.3對退役動力電池梯次利用的性能、外觀要求以及梯次利用產(chǎn)品一般要求進行了規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)為梯次利用企業(yè)判斷退役電池是否具有可梯次利用價值還是作為材料進行再生利用提供了依據(jù)，并簡要地提出梯次利用產(chǎn)品的一般要求，而具體的技術(shù)要求還需應(yīng)用場景所處行業(yè)或客戶依據(jù)梯次利用產(chǎn)品的應(yīng)用場景規(guī)定。
當(dāng)前動力電池國標(biāo)體系相對完善，而針對梯次利用電池國標(biāo)的制定還處于起步階段。同時對于退役動力電池梯次利用的耐久性以及相關(guān)的安全評估標(biāo)準(zhǔn)較少，需完善梯次利用安全評價標(biāo)準(zhǔn)，加快梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系框架的研究制定進程，結(jié)合退役動力電池獨特的性能特點、實際應(yīng)用場景、經(jīng)濟效益以及安全性等多方面的影響，制定適用于梯次利用電池的標(biāo)準(zhǔn)體系。
4 退役動力電池梯次利用工程應(yīng)用
目前研究進程主要分為兩個階段：
（1）小規(guī)模驗證階段。為了驗證退役動力電池梯次利用可行性，國內(nèi)外研究人員進行了相關(guān)研究，對退役動力電池做了大量的數(shù)據(jù)測試，注重其容量、性能和循環(huán)壽命的測試。進而研究了梯次利用的均衡管理技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進行退役動力電池在儲能領(lǐng)域的可行性及安全性等功能驗證，規(guī)模主要集中在百千瓦級及以下的小型儲能示范工程。
（2）中等規(guī)模驗證階段。隨著研究的不斷深入，梯次利用已由理論研究向?qū)嵱眯匝芯哭D(zhuǎn)變，注重退役動力電池的快速篩選、快速分級、健康狀態(tài)評價、梯次利用評估、壽命預(yù)判等技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上進行中等規(guī)模儲能系統(tǒng)工程示范，規(guī)模已擴大至兆瓦時級具備初步商業(yè)運營條件。
4.1 國外工程應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀
全球都已開展有關(guān)動力鋰電池梯次利用的研究。德國、美國、日本等國家起步較早，已有成功的示范工程和商業(yè)項目并且日本4R Energy、夏普，美國特斯拉已將梯次電池用于個人或商業(yè)儲能項目。早在1996年，美國先進汽車聯(lián)合會就贊助美國阿貢國家實驗室從事電動汽車退役動力電池梯次利用研究。2002年，美國圣地亞國家實驗室開展基于儲能應(yīng)用的退役動力電池梯次利用技術(shù)研究。
2010年9月，日產(chǎn)汽車與住友商會共同研究電動汽車配備的鋰電池再利用技術(shù)并成立4R Energy。2011年1月，日本GS、三菱商會、三菱汽車以及Lithium Energy Japan (LEJ)四家公司啟動三菱電動汽車用電池回收再利用的實證試驗研究。2012年11月，通用汽車公司與ABB共同展示了一項電池梯次利用技術(shù)，即將五組雪佛蘭退役動力電池重組成新模塊，該裝置能夠滿足3—5個普通家庭2小時的電力需求。
2019年，美國橡樹嶺國家實驗室已經(jīng)開發(fā)出二次電池適用于住宅用戶的使用方法，并受美國能源部電力儲能計劃支持，開發(fā)用于二次電池的控制系統(tǒng)，以使得二次鋰離子電池滿足電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)的要求。該項目在北卡羅來納州的住宅小區(qū)裝機容量為15 kW的儲能系統(tǒng)測試表明重新利用仍有使用價值的電池，可以最大程度地減少浪費，并確保安全可靠的電力供應(yīng)來支持循環(huán)經(jīng)濟，對于日益依賴分布式可再生能源的現(xiàn)代化電網(wǎng)至關(guān)重要，
2021年，JT Energy Systems公司考慮到歐洲的能源短缺，采用梯次利用電池儲能系統(tǒng)儲存可再生能源，通過提升能量利用效率，穩(wěn)定能源價格，進而實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型。該公司組成25 MW的電池儲能系統(tǒng)中大部分電池模塊來自由AG公司提供的電動叉車和電動客車退役動力電池。之后，日本夏普公司也開發(fā)出將退役動力鋰電池用于家庭儲能的產(chǎn)品。
2022年5月，寶馬集團與浙江華友循環(huán)科技有限公司攜手打造退役動力電池材料回收與梯次利用創(chuàng)新合作模式，見圖2。他們先將退役動力電池電池梯次利用，而后回收分解，并將分解后的材料用于生產(chǎn)新動力電池，進而實現(xiàn)動力電池梯次利用和電池原材料的閉環(huán)管理。寶馬在推進打造“最綠色電動汽車”愿景的同時，也在持續(xù)加強與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的緊密協(xié)作，促進動力電池回收利用行業(yè)綠色、高質(zhì)量發(fā)展。
從國際看，美國、德國、日本等汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達國家形成了完善的報廢機動車梯次利用和回收拆解體系，擁有較為成熟的電池梯次利用和回收拆解技術(shù)，依托其完備的生產(chǎn)者責(zé)任延伸、環(huán)境保護、梯次利用補貼等制度機制引導(dǎo)，推動退役動力電池有序回收拆解、資源化利用和無害化處置?？傮w而言，國外新能源汽車退役電池梯次利用主要瞄準(zhǔn)信息和通信技術(shù)、家庭以及可再能源發(fā)電儲能等領(lǐng)域，重點開展的實踐驗證，見表4。
表4 全球動力電池梯次利用部分應(yīng)用狀況統(tǒng)計
4.2 國內(nèi)工程應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀
在國內(nèi)雖然退役電池的梯次利用起步較晚，但梯次利用產(chǎn)業(yè)也隨著新能源的發(fā)展迅速壯大。目前，國內(nèi)的退役動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈布局已基本成型，如圖3所示。
圖3 動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展布局圖
在2011年，863計劃重大項目智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)《電動汽車充放儲一體化電站系統(tǒng)及工程示范》就已啟動實施，其中涉及動力電池梯次利用方面的研究內(nèi)容主要包括研究電池梯次利用的篩選原則以及成組方法和系統(tǒng)方案。同年，青島薛家島電動汽車智能充換儲放電站投入試運行。該電站集公交充換電、乘用車集中充電、電力儲能于一體并裝配2000 kW梯次電池儲能裝置。
2012年，國家電網(wǎng)公司啟動了《電動汽車動力電池梯次利用技術(shù)研究與示范》科技項目，重點研究電池梯次利用涉及的電池可用性、安全性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟適用性等基礎(chǔ)性問題。2017年，中國鐵塔股份有限公司試點開展梯次利用儲能系統(tǒng)在通信基站的應(yīng)用，以替代傳統(tǒng)鉛酸蓄電池作為通信電源。
2018年，國家重點研發(fā)計劃啟動梯次利用動力電池規(guī)?；こ虘?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。同年，上汽集團與寧德時代達成退役動力電池回收再利用合作戰(zhàn)略。2019年，基于電網(wǎng)儲能需求，曹妃甸動力電池回收利用應(yīng)用示范項目啟動。同年，南京建成用于電網(wǎng)測儲能的2 MWh梯次利用儲能電站。此外，國網(wǎng)河南省電力公司打造了多個不同應(yīng)用場景的梯次利用儲能示范工程，包括由退役電池儲能系統(tǒng)組成的風(fēng)光儲混合的尖山微電網(wǎng)、青海退役電池儲能系統(tǒng)、河南南陽退役動力電池儲能系統(tǒng)等。
近幾年國內(nèi)包括能源企業(yè)、新能源車企、動力電池生產(chǎn)企業(yè)、動力電池原材料供應(yīng)商、第三方再生回收企業(yè)以及眾多產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)都積極參與相關(guān)合作，逐步完善退役動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈，共同推進國內(nèi)動力電池梯次利用產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。
5 結(jié)語與展望
綜上所述，我國隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，動力電池即將迎來大規(guī)模退役，開展梯次利用工作有較大的環(huán)保意義和經(jīng)濟效益。隨著動力電池在材料性能、制造工藝、電池一致性、循環(huán)壽命、能量密度、安全性等方面取得重大突破，退役動力電池的各項性能也得到了巨大的提升，將退役動力電池進行整組梯次利用極具可行性。國內(nèi)外研究人員在梯次利用電池檢測、篩選、重組和均衡技術(shù)以及安全預(yù)警等領(lǐng)域開展了多項研究并取得多項成果。然而，目前退役動力電池梯次利用相關(guān)研究仍然未真正意義上突破動力電池整組梯次利用一致性管理、動態(tài)安全監(jiān)測及調(diào)控等技術(shù)難題，導(dǎo)致運行過程電池組衰減較快，且老化規(guī)律無法準(zhǔn)確預(yù)判，使得大規(guī)模的梯次電池應(yīng)用于儲能系統(tǒng)時具有較高的維護成本和安全風(fēng)險，嚴重制約了梯次利用儲能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，亟須突破退役動力電池整組梯次利用的健康狀態(tài)溯源、安全試驗評價、一致性管理、高安全性調(diào)控等技術(shù)，促進退役電池的高值化利用。未來，退役動力電池整組梯次利用技術(shù)有望采用可重構(gòu)電池拓撲網(wǎng)絡(luò)利用均衡控制方法實現(xiàn)智能均衡，其中SOC、OCV、溫度等一致性均衡指標(biāo)相對誤差均不超過3%。退役電池精準(zhǔn)快速篩選精度超過95%，分選效率高于單體5支每分鐘，模組3個每分鐘。此外，退役動力電池梯次利用電池的國家標(biāo)準(zhǔn)制定還處于起步階段，需從實際應(yīng)用場景、退役電池特性、經(jīng)濟效益和安全性等多方面出發(fā)，制定適用于退役動力電池梯次利用的標(biāo)準(zhǔn)體系。
