論退役鋰電池梯次利用技術

陳柯元 陳臻 包啟科 湯海嵐 蔡嘉賓

摘?要：針對現行市場退役鋰電池梯次利用技術不完善的現狀，本項目旨在解決退役鋰電池梯次判定時采集獲得的多參數建模的困難性，提出利用大數據技術處理鏈接式表格搜索設想。就促進行業龍頭企業的退役鋰電池梯次利用安全操作規范化和退役鋰電池梯次利用市場化，點明操作關注點，探索未來發展的關鍵技術突破點?；谏鲜鲑Y料，本項目對退役鋰電池梯次利用技術進行合理展望，分析該技術的前景及發展方向。

關鍵詞：退役鋰電池;梯次利用;鋰電池

預測至2020年，累計退役重量達12～17萬噸。如果直接對退役鋰電池進行金屬回收，剩下的80%的電池容量將是極大浪費;如果對退役鋰電池回收前先進行梯次利用，即將鋰電池包、模組或單體重新檢測、分選并配組，再應用于對電池容量和功率等要求不像電動汽車那么嚴格的場所（比如電網、太陽能和風能等儲能領域，寬帶無線基站蓄電池等），可以有效延長電池的生命周期，減少電池使用成本。預測到2020年，梯次利用市場規模約64億元，2025年約282億元[1]。為此，2012年《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》和2016年《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃（2016-2020）》均明確提出要大力發展鋰電池梯次利用，引導健全、完善相關技術并實現產業化。

一、現狀分析

美國、日本以及歐洲等發達國家于2000年左右就在鋰電池梯次利用進行了大量技術投入，技術領先。國內在大規模鋰電池梯次利用技術方面，起步較晚，與發達國家相比還有較大差距。本項目針對電池行業領軍企業年25000噸鋰電池梯次利用和資源回收生產線所面臨的關鍵問題開展研究。

二、研究內容

退役鋰電池梯次利用是個百億級的市場，梯次利用產業化過程諸多關鍵技術尚不完善。目前，鋰電池使用過程參數類型多、參數采集不完備且采集方法差異大，導致獲取的過程數據分布呈現量大、高維、非高斯、非線性、異構和異源等特點，使快速準確的梯次利用關鍵性能估計難以實施。此外，鋰電池鹽水放電法生產過程中會產生嚴重的重金屬污染。

退役鋰電池性能估計數據包括電芯工藝數據、生產過程數據、出廠和退役電池表面完整度、出廠和退役電池內部結構、出廠、使用過程和退役后電池電特性數據。電芯工藝數據包括正負極材料、電解液、隔膜等;生產過程數據包括正負極材料實際厚度、隔膜實際厚度、電解液實際比例濃度、生產環境溫度、電池排列位置等;電池表面完整度包括無劃痕、壓痕，電池標記清楚，無編號缺失等特征;電池內部結構包括無氣脹、漏液、變形等特征。電池電特性數據包括開路電壓、工作電壓、極化電壓、靜態容量、實際容量、放電深度、內阻、循環壽命、環境溫度、散熱條件、充放電進度、空氣潮濕度和通風條件等數十個指標。針對傳統鋰電池規?；烹姇r，電池重金屬會泄露入鹽水，產生嚴重的環境污染問題。利用石墨具有較好的導電性，且屬于退役電池自身的廢料（退役電池負極材料，成本可以忽略）。項目組目前已采用粉狀石墨對18650柱狀鋰電池和軟包電池進行了批量放電實驗，結果表明80%左右的電池24小時內可以放電完畢，但是由于粉狀石墨與電池正負極接觸不充分，存在20%左右電池無法放電或放電時間較長問題，以及粉狀石墨放電規?；烹姇r存在嚴重的粉塵污染問題。

三、關鍵技術

為了確保數據的規范、統一且測試成本低廉，篩選電池參數并制定合理的測試方法是關鍵問題，解決此問題涉及利用合作企業現有的成熟鉛酸電池測試技術和已有的鋰電池測試技術。此外，為了測量過程參數，需要對現有的鋰離子電池包軟硬件進行升級改造，以實現過程數據存儲。

面對如此復雜多源的大數據，現有方法難以直接對其進行建模?？筛鶕姵乩匣瘷C理，對多源參數按對關鍵性能影響的權重進行篩理排序，將其劃分成多個分塊，對各分塊并行實施降維與特征提取，同時盡可能保留對性能估計有用的特征信息是關鍵問題。由于石墨為粉狀固體，與電池正負極會存在接觸不充分問題，導致部分電池無法充分放電且放電時間較長問題。將石墨材料通過與一定比例的水混合制成漿料后，研究確定最優水與粉狀石墨的比例、攪拌方式、時間等放電工藝是關鍵問題，使得該工藝下石墨粉與電池能充分接觸，并且放電后石墨與電池易于振動分離。

四、技術操作的關注點

（一）安全性

退役鋰電池作為固體廢物，會產生越來越多廢棄物，這些需要妥善處理。由于這類廢棄處理含有潛在威脅，因此，這類處理比較容易傷及人員[1]。同時，退役鋰電池比新鋰電池容易存在零件老化，過充過放，脹氣問題等嚴重影響使用的風險。這些問題不僅影響電池的性能，還為從事相應工作的人員帶來不可預估的安全隱患。安全是儲能系統的第一要素，在國家相關法規不完善的當下，有能力也有必要關注梯次利用時的安全性。為維護企業合法權益和行業發展，對于企業數據的安全也需要引起極大注意。

（1）數據安全。退役鋰電池梯次利用的信息安全以數據的應用安全性（準確性）和保密性為基軸。大數據處理可以實現在較短時間內對大量數據的搜索。在現實生活中，企業常帶有某種具體的參數要求，因此輸入權重高的固定參數進行多次篩選，鏈接權數低的參數的該電池多張信息表，構建以多種需求參數為基軸的圖表。為應對黑客竊取商業數據，構建企業級防火墻，強化權限的限制級構建可以促進信息安全。在動態周期內，必須對關鍵數據予以重采。

（2）技術安全。退役鋰電池的制造工藝客觀上存在巨大差異，導致退役鋰電池單體以及退役電池模組之間性能差距較大，從而為協同工作時的安全性埋下隱患。這種狀況是退役鋰電池梯次利用所無法避免的。而且在現行梯次分類標準不統一的情況下，除了單一龍頭企業單解決自身退役鋰電池梯次利用外，近乎無解。退役鋰電池相較于全新鋰電池，內部的隔熱層老化和化學物質的活性下降等原因導致鋰電池的熱衰減性表現更為明顯，也意味著熱失控的幾率增加。鋰電池梯次利用有較高的精度要求，這使得行業工人要具有較高的勞動素質，一旦拆解不當，工人將面臨觸電和熱失控的風險[3]。

（3）運存安全。隨著退役鋰電池的基數的增大，社會對梯次利用的需求增大，基于處理的滯后性，退役鋰電池梯次利用行業要解決運存安全?，F行鋰電池大多采用可燃的有機溶劑體系，電磁具有一定的能量，場的疊加，加之能量以熱的形式散失，在運輸車這封閉空間內熱大量集聚，容易引發熱失控，甚至引發連鎖反應。電磁場的存在和粉狀石墨的導電性使行業在面對特定天氣（如雷雨天氣）須及時做好防磁防暴防漏電等預備工作，嚴格執行突發情況預案，竭力將損失降低到可控的最低限度。

（二）經濟性與市場化結合

退役鋰電池梯次利用市場從現狀上講，處于一個需求小、流通范圍窄、市場規則缺乏的新興市場階段。為了保證鋰電池梯次利用技術在龍頭企業的應用和可持續發展，經濟性和市場化必須被置于一個相當重要的位置。退役鋰電池梯次利用技術主要是對BMS的信息采集和信息分配應用所產生的經濟價值的利用。從這個意義上，退役鋰電池梯次利用市場可以被定位為一個隸屬于現代儲能市場的服務型市場。

（1）統一處理的集聚優勢。當今限制鋰電池大規模應用的主要影響因素是安全性和高成本。在安全性得到保障的前提下，鋰電池價格高歸因于鈷的高成本以及每個電池所需的復雜保護電路[2]。退役鋰電池梯次利用在最大限度上利用鈷資源，緩解囿于鈷的成本上漲問題。同時，基于退役鋰電池的特性，該技術也在向包括復雜的保護電路提出更高要求。大量退役鋰電池的處理由一個完整的產業鏈完成，盡可能減少運存時間，量產通用保護電路，側面擴大退役鋰電池梯次利用的應用領域，便于市場化。

（2）聯結電池需求。不同類型鋰電池在初始設定的目標有不同，在梯次利用的領域也不同。定制化加工可以激發退役鋰電池梯次利用的活力。依據粉狀石墨和水以不同比例混合后的混合物的物化特性，可以滿足多角度的電池需求，避免“高射炮迫擊蚊子”。而且發揮最大性能的退役鋰電池可以減少維修費用，將石墨的作用發揮到極致，提高資源利用率。

五、未來發展趨勢

未來退役鋰電池梯次利用的主要領域有：一是電力儲能市場;二是低速電動車;三是變電站或者通信基站。退役鋰電池梯次利用通過有效減少廢棄鋰電池數量獲取巨大的生態效益和社會效益。隨著退役鋰電池的基數增大，社會對退役鋰電池梯次利用的需求日趨強烈，故而退役鋰電池梯次利用市場前景一片光明。

退役鋰電池梯次利用的前途是光明的，但是道路是曲折的。退役鋰電池梯次利用全面推廣過程中，當下的弊端將隨著市場擴大而愈發凸顯。目前退役電池量較少，產業鏈下游企業爭奪擠占有限的退役電池資源，梯次利用電池采購價格居高不下;行業在殘值評估等技術方面存在瓶頸，需要退役鋰電池使用的歷史數據等信息用于評估退役動力蓄電池性能，以確保篩選重組的梯次利用電池產品安全可靠。在當前回收的退役鋰電池中，以研發生產過程中產生的廢舊退役鋰電池為主，新能源汽車退役電池較少。

我國動力電池回收市場還處于發展階段，但是退役鋰電池梯次利用可以產生的經濟效益依然顯著。在退役動力電池梯次利用領域，當電池循環壽命高于400次時，開始產生盈利，隨著未來電池技術的成熟，動力電池的退役循環壽命必將呈現增長態勢。在報廢動力電池拆解回收方面，目前三元電池的物理回收工藝具有較高的收益，而磷酸鐵鋰電池的拆解回收仍處于虧損狀態。據預測，2020年市場上累計報廢動力電池量將達50萬噸，按三元電池占35%，磷酸鐵鋰電池占65%來算，在回收效率及成本基本不變的情況下，通過拆解回收這2類動力電池，也將產生4億元的純利潤，隨著電池正極材料價格的上漲，由于濕法回收工藝具有較大的材料回收效率，因此濕法回收工藝在三元電池回收方面呈現出較大盈利潛力，而對于磷酸鐵鋰電池的回收，選擇物理回收工藝更為合適。將磷酸鐵鋰電池退役后梯次利用和拆解回收結合起來看，不難發現，磷酸鐵鋰電池退役后的再循環利用也處于盈利狀態[4]。

梯次利用還存在效率偏低，電池剩余壽命及一致性評估等技術不成熟等問題。龍頭企業要采取多樣化激勵措施，借鑒歐美國家發展經驗，探索可持續商業模式。

參考文獻：

[1]王九飆，周文斌，劉質斌，等.電動汽車廢舊動力蓄電池的回收利用技術及發展[J].環境與發展，2017，29（7）：62-63.

[2]高桂蘭，賀欣，李亞光，等.廢舊車用動力鋰離子電池的回收利用現狀[J].環境工程，2017，35（10）：135-140.

[3]Lih?W?C，Yen?J?H，Shieh?F?H，et?al.Second-use?applications?of?lithium-ion?batteries?retired?from?electric?vehicles：Challenges，repurposing?process，cost?analysis?and?optimal?business?model[J].International?Journal?of?Advancements?in?Computing?Technology，2012：518-527.

[4]宋秀玲，戴書琪，徐永勝，等.廢舊鋰離子電池放電的實驗研究[J].應用化工，2015（4）：594-597.

科研項目：湖州師范學院校級科研項目（2019XJKJ36）

作者簡介：陳柯元（2001—），男，浙江寧波人，就讀湖州師范學院，攻讀機械設計制造及其自動化（師范）專業。

通訊作者：蔡嘉賓，湖州師范學院教師，實驗師，研究方向：鋰電池參數結構。