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(jià)值降低電池成本，同時(shí)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(yùn)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(shí)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(jì)性等技術(shù)難題。本文通過對近期相關(guān)文獻(xiàn)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(jìn)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(dá)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(jì)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(jià)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(shí)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(fèi)，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(jià)值，促使電池全壽命周期延長，為社會創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)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(shí)會進(jìn)行強(qiáng)制回收，因此，理論上動力電池可進(jìn)行全生命周期的管理和使用。
此外，梯次利用電池儲能的價(jià)格競爭優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。市場新電芯價(jià)格是退役電池回收價(jià)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(xiàng)目成本顯著降低，進(jìn)而提升能源清潔生產(chǎn)和替代水平，促進(jìn)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(jìn)展以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jìn)行梳理分析，為促進(jìn)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(shí)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(jìn)程持續(xù)加快，燃油汽車將進(jìn)入加速報(bào)廢淘汰期，同時(shí)新能源汽車報(bào)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(xiàng)性能也得到了巨大的提升，將退役動力電池進(jìn)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(shí)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(diǎn)，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(shí)，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(diǎn)，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(fèi)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(yùn)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(shí)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。化學(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(yán)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(shí)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(jìn)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(shí)積分法。根據(jù)電池荷電狀態(tài)的定義，通過電流在測試時(shí)間內(nèi)的積分比最大容量得到實(shí)時(shí)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(shí)積分法在初始階段可獲取較高精度，但隨著時(shí)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(jì)算得到的電池荷電狀態(tài)精度會逐漸降低。因此，安時(shí)積分法的測量值精度受初始值和累計(jì)誤差限制，使用該方法測量電池荷電狀態(tài)時(shí)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(jìn)行充放電試驗(yàn)，而后測量不同荷電狀態(tài)下的開路電壓，進(jìn)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(shí)，其開路電壓若要得到準(zhǔn)確測量值需將電池靜置較長時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，進(jìn)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(jī)、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(jìn)行訓(xùn)練，其訓(xùn)練質(zhì)量決定狀態(tài)估計(jì)的精度。由于電池?cái)?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(kuò)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(shí)法進(jìn)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(jī)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(jì)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(jìn)行放電至截止電壓放出的最大電量與其出廠時(shí)的實(shí)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(shí)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(jìn)行有效評價(jià)。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(jìn)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(shí)長的積分得到當(dāng)前電池實(shí)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(yàn)時(shí)間較長，并且每一個(gè)單體電池單次循環(huán)充放電均需要幾個(gè)小時(shí)，另外電池單體需要拆解，在實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于規(guī)?；耐艘蹌恿﹄姵啬K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(yàn)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)。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(jìn)遺傳優(yōu)化篩選策略，實(shí)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(jià)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(jī)(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(jià)指標(biāo)，并依據(jù)退役電池實(shí)際數(shù)據(jù)對模型的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
駱凡等人提出了一種基于短時(shí)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(jìn)行短時(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行分選檢測將耗費(fèi)大量的時(shí)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(jìn)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(jià)值，同時(shí)也是退役電池梯次利用的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而簡單隨機(jī)重組方法將導(dǎo)致電池一致性較差，運(yùn)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(jìn)行電池分選，而后運(yùn)用K-means算法實(shí)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(qiáng)的實(shí)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(jìn)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)?；瘧?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(yuǎn)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(yán)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(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jià)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(fù)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(jìn)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(shí)其均衡需要很長時(shí)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(jì)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(shí)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(cuò)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(jì)、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(xiàng)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(jì)，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(shí)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(jī)理的探索，從機(jī)理上分析電池不一致性的本質(zhì)原因，進(jìn)而提出基于容量動態(tài)離散機(jī)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(jī)結(jié)合主動和被動均衡優(yōu)勢，有效地彌補(bǔ)了單一均衡策略的不足，更有利于實(shí)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(dú)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(shí)間尺度的安全預(yù)警，不僅能夠保護(hù)電源設(shè)備的財(cái)產(chǎn)安全，也是促進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的電池過放安全風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)測模型已通過實(shí)況運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效性驗(yàn)證，此外，運(yùn)用SVM方法也可估算電池內(nèi)阻等參數(shù)的變化趨勢，實(shí)現(xiàn)電池安全風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)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(yùn)維的差異，以及電池歷史運(yùn)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(xiàng)鼓勵(lì)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(jìn)行編碼，同時(shí)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(jì)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(jìn)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(lì)梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)互相合作，強(qiáng)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(bào)廢、回收)信息進(jìn)行采集，并對各環(huán)節(jié)回收利用主體責(zé)任履行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)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(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(shí)施與管控的情況，缺乏相關(guān)政策具體實(shí)施細(xì)則，需推動企業(yè)落地退役動力電池梯次利用示范項(xiàng)目，加速推進(jìn)退役動力電池梯次利用的健康狀態(tài)溯源、安全試驗(yàn)評價(jià)、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(xiàng)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(yùn)輸、產(chǎn)品標(biāo)識、梯次利用要求等多方面進(jìn)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(jìn)退役動力電池梯次利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)行了規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)可用于動力電池生產(chǎn)管理、維護(hù)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(jìn)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(jià)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(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)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(jìn)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(gè)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(jìn)行銷售，其模塊和單體可根據(jù)市場實(shí)際需求進(jìn)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(jìn)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(jià)值還是作為材料進(jìn)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(shí)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(jià)標(biāo)準(zhǔn)，加快梯次利用標(biāo)準(zhǔn)體系框架的研究制定進(jìn)程，結(jié)合退役動力電池獨(dú)特的性能特點(diǎn)、實(shí)際應(yīng)用場景、經(jīng)濟(jì)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(jìn)程主要分為兩個(gè)階段：
（1）小規(guī)模驗(yàn)證階段。為了驗(yàn)證退役動力電池梯次利用可行性，國內(nèi)外研究人員進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)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(yàn)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(jià)、梯次利用評估、壽命預(yù)判等技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行中等規(guī)模儲能系統(tǒng)工程示范，規(guī)模已擴(kuò)大至兆瓦時(shí)級具備初步商業(yè)運(yùn)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(xiàng)目并且日本4R Energy、夏普，美國特斯拉已將梯次電池用于個(gè)人或商業(yè)儲能項(xiàng)目。早在1996年，美國先進(jìn)汽車聯(lián)合會就贊助美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)證試驗(yàn)研究。2012年11月，通用汽車公司與ABB共同展示了一項(xiàng)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(gè)普通家庭2小時(shí)的電力需求。
2019年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)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(jì)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(xiàng)目在北卡羅來納州的住宅小區(qū)裝機(jī)容量為15 kW的儲能系統(tǒng)測試表明重新利用仍有使用價(jià)值的電池，可以最大程度地減少浪費(fèi)，并確保安全可靠的電力供應(yīng)來支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)，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(jià)格，進(jìn)而實(shí)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(tuán)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(jìn)而實(shí)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(jìn)打造“最綠色電動汽車”愿景的同時(shí)，也在持續(xù)加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)的緊密協(xié)作，促進(jìn)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(dá)國家形成了完善的報(bào)廢機(jī)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(hù)、梯次利用補(bǔ)貼等制度機(jī)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(diǎn)開展的實(shí)踐驗(yàn)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(jì)
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(jì)劃重大項(xiàng)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(shí)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(yùn)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(xiàng)目，重點(diǎn)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(jì)適用性等基礎(chǔ)性問題。2017年，中國鐵塔股份有限公司試點(diǎn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動梯次利用動力電池規(guī)模化工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。同年，上汽集團(tuán)與寧德時(shí)代達(dá)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(xiàng)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(gè)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(jìn)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(jì)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(xiàng)性能也得到了巨大的提升，將退役動力電池進(jìn)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(xiàng)研究并取得多項(xiàng)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(yùn)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(shí)具有較高的維護(hù)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)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(yàn)評價(jià)、一致性管理、高安全性調(diào)控等技術(shù)，促進(jìn)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?fù)渚W(wǎng)絡(luò)利用均衡控制方法實(shí)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(gè)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(shí)際應(yīng)用場景、退役電池特性、經(jīng)濟(jì)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。
