退役动力蓄电池梯次利用现状、问题及对策

文/中国汽车技术研究中心有限公司 数据资源中心 吴 蒙

1 引言

为促进汽车产业转型升级，培育发展新动能，我国高度重视新能源汽车产业发展。2009-2012 年，我国新能源汽车共推广1.7 万辆，装配动力蓄电池约1.2GWh，2013 年以后新能源汽车大规模推广应用。在政策和市场环境的双重因素作用下，我国已成为全球新能源汽车产销大国，市场也由“培育期”逐渐进入“成熟期”。截至2018 年底，我国新能源汽车累计总产量超300 万辆，累计总销量超290 万辆。2019 年1-9 月，新能源汽车产销分别完成88.8 万辆和87.2 万辆，同比分别增长20.9%和20.8%，全国新能源汽车保有量超340 万辆。新能源汽车产业的快速发展，带动动力蓄电池装配量的快速上升。据行业专家从企业质保期限、电池循环寿命、车辆使用工况等方面综合测算，2019 年新能源汽车的动力蓄电池将进入规模化退役，预计到2020 年累计将超过20 万吨（24.6GWh），如果按70%可用于梯次利用，大约有累计6 万吨电池需要报废处理[1]。

图1 2011-2018 年中国新能源汽车产量及销量规模

新能源汽车的动力蓄电池性能要求较高，当电池容量衰减至初始容量的80%以下时，将难以满足车辆的动力需求，但仍然可以满足其他的性能要求较低的应用领域。对退役动力蓄电池（以下简称“退役电池”）进行梯次利用，一方面可以实现动力蓄电池全生命周期的价值利用最大化利用，创造更多经济价值，在一定程度上降低新能源汽车产业链的总体成本，有利于更好地培育新能源汽车市场发展；另一方面，延长了退役电池的回收及处置周期，减少了废弃物的排放，大幅降低了退役电池回收处置的环境压力，更加符合国家绿色环保、循环、低碳生产方式的总体要求。

2 梯次利用研究进展

2.1 梯次利用技术研究进展

近年来，退役电池梯次利用已成为业界研究焦点，国内外研究机构、企业等在多个方面开展了相关研究，主要集中在构建退役电池梯次利用残值计算框架、退役电池重组成本计算、退役电池电网储能应用经济性及市场潜力评估以及退役电池梯次利用技术测试等方面。

Tong 等将退役锂离子动力蓄电池用在光伏离网电动充电系统中，并通过数值模拟和实验验证来分析系统的性能。美国阿贡国家实验室（ANL）研究量化评估了退役镍氢动力蓄电池的储能容量衰减规律，并发现退役的镍氢动力蓄电池在公共事业公司负荷管理、工商业非道路特种车辆、不间断电源（UPS）等三类梯次利用场景下较铅酸电池有更好储能效果；美国Sandia 国家实验室（SNL）的研究分析了退役电池的再应用成本，并构建了相应的经济性分析模型，并分析梯次利用效果的关键要素包括电池模组的标准化、重组电池模块的人力成本、电动汽车用户参与电池二次利用的激励机制、电池容量保持率预测精度因素，而电网运行支撑、工商业/居民负荷跟踪及通信基站备用是电池梯次利用在近期有望实现应用场景。美国电力科学研究院（EPRI）的研究对比了铅酸、镍氢、锂离子及锂聚合物电池在电力系统、通信基站、UPS 电源等领域的应用前景。美国橡树岭国家实验室（ORNL）分析认为退役电池的回收及运输环节所导致的成本可达100 美元/kWh，在梯次利用总成本中占比最高[3]。

2.2 退役电池梯次利用流程

退役电池一般存在一致性较差、性能衰减等问题，需要对退役电池进行筛选，通过容量、内阻、自放电率、荷电状态等调整，确保参数一致再进行重组，将有助于保证梯次利用电池的性能。

2.2.1 单体电池筛选

目前，梯次利用行业对于退役电池的筛选主要测试筛选和大数据筛选两种方式。

测试筛选：主要包括外观筛选、静态开路电压测试、内阻筛选以及自放电率筛选，包括使用纳米CT 技术对电池单体内部三维结构进行定性和定量分析，并通过电池的外部化学参数来分析电池内部性能状态。近年来，也有发展出一些新技术，如接触式的超声无损检测技术，可通过超声信号与化学性能的关联或者直接扫描，实现对电池单体荷电（SOC）和健康状态（SOH）的快速高精度实时检测。

大数据筛选：新能源汽车生产或电池生产企业一般都会对运行的新能源汽车进行实施监测，对单体电池电压、SOC 等指标进行监控和分析。根据监控数据分析即可发现问题单体电池或问题单体电池所在的模组，将其筛除后，可不需要再根据电压、内阻、自放电率重新分选，能够大幅降低退役电池的处理时间和处理成本[2]。从国内外技术发展趋势来看，通过大数据进行筛选和评估是较为科学、经济的方式，也是行业努力的方向。

2.2.2 电池重组

电池重组包括单体、模组及整包重组。单体电池重组方式是根据分选后的单体电池容量、荷电状态、内阻、自放电率进行重新配组，保证整组电池的一致性。模组重组方式是将退役电池拆解至模组状态，通过大数据筛选方式筛除包中一致性差或含有故障单体的模组，剩余的一致性较好模组可直接组合为模组。由于退役电池包、模组无损拆解难度大、耗时长，目前行业也在重点研究整包级别的重组梯次利用。

2.2.3 梯次利用电池安全保障

不同类型的退役电池的单体、模组、系统等在不同工况下运行，性能劣化程度不相同，对梯次利用电池要在产品筛选、设计及控制策略策略等方面均做好安全保障。

在检测分选方面。通过检测或大数据分析等方式对退役电池的外观、电压、内阻、容量、自放电率等多项技术指标进行筛选，并对同一批次、同一状态退役电池或电池模块进行安全性抽检，保障梯次利用电池的安全性。

在产品设计方面。要充分考虑退役电池管理系统系统的复杂性，因此在梯次利用电池成组设计方面，要充分考虑模组整体的安全性设计，重点考虑模组的绝缘强度、防护等级、元器件选型、阻燃性设计、BMS 带载能力等关键技术因素，搭载温度预警系统，以及增加热量管理和高压监控等安全性组件。

在控制策略方面。如在通信基站应用时，电池组长期处于无人值守的浮充状态，并且BMS 和开关电源等直流电源之间没有通信，一旦BMS 保护失效，梯次利用电池将面临充放电保护失效的风险。因此，应根据梯次利用电池组运行的实际工况，制定合理有效的充放电控制及故障保护策略。

3 梯次利用现状

3.1 国内梯次利用进展

目前，包括中国铁塔公司、国家电网、汽车及电池生产企业等在梯次利用研究与应用方面取得了一定进展，但仍然属于探索阶段，尚未形成完整的产业链。

通信基站备电：通信基站备电是目前梯次利用主要领域之一，已经初具规模。中国铁塔公司已在全国31 个省市约12 万个基站使用梯次电池约1.5GWh，替代铅酸电池约4.5 万吨[7]。中国铁塔公司目前有约200 万个基站，按单站电池容量需求约30kWh 测算（1 辆新能源汽车退役电池约62kWh 可梯次利用容量），该公司未来可能消纳约200 万辆新能源汽车的退役电池。

电网储能：国家电网在北京大兴建设了100kWh 梯次利用锰酸锂电池储能系统示范工程，在张北建设了1MWh 梯次利用磷酸铁锂电池储能系统示范工程，组建了退役电池分选评估技术平台，制定电池配组技术规范，研制了高效可靠的电池管理系统[7]。国网河南公司联合南瑞集团、电池生产企业等单位，建成梯次利用储能示范工程，在全国率先打造了一套退役动力锂电池从分选、重组到储能利用的规范化流程。

低速车等：国网浙江公司等企业探索将梯次利用电池应用于电动自行车或低速车领域，并于2013 年编制完成了《动力锂电池电动自行车梯次利用技术方案》，对新能源汽车退役电池进行重组，用于48V 电动自行车的动力电源。无锡格林美与顺丰公司探索将梯次利用电池用于城市物流车辆，中天鸿锂等通过“以租代售”模式推动梯次利用电池在环卫、观光等车辆应用[7]。

3.2 国外应用情况

欧美日等国家和地区的退役电池梯次利用探索起步较早，但是由于退役电池数量较少等瓶颈性问题，大多数处于小规模试验应用阶段，少部分实现商品化。当前，这些地区梯次利用的特点是以汽车生产企业牵头为主，应用领域侧重于储能领域。

日产汽车与住友集团合资成立了4R Energy 能源公司，开发了家用和商用储能梯次利用产品；丰田公司将凯美瑞的退役电池用于黄石国家公园设施储能供电，重新设计了储能电池管理系统，将电池使用寿命延长2 倍。通用汽车与ABB 开始合作试验如何利用雪佛兰Volt 沃蓝达的电池组采集电能，回馈电网并最终实现家用和商用供电。2015 年，博世集团、宝马和瓦滕福公司就动力锂电池再利用展开合作项目，该项目利用宝马ActiveE 和i3 纯电动汽车退役的电池建造2MW/2MWh 的大型光伏电站储能系统[2]。韩国政府、汽车生产企业近年也在积极介入梯次利用领域，韩国贸易、工业和能源部支持在济州岛新建动力蓄电池回收中心，并计划于2020 年启动回收利用研究及测试等工作。现代汽车集团与芬兰能源企业瓦锡兰集团合作共同开发梯次利用电池储能系统（ESS），并正在现代制铁唐津工厂利用现代汽车和起亚汽车的退役电池试点建设1MWh 储能系统设备[4-6]。

4 当前存在的主要问题

4.1 经济性优势不明显

当前，梯次利用的一个主要问题是退役电池数量少。市场上的退役电池大多来源于2012 年“十城千辆工程”期间推广的新能源汽车，由于当时回收体系还不完善，企业也没有规范的处理方案，存在电池退役后企业库房搁置待处理或者不规范处理等情况。此外，由于前期的部分动力蓄电池质量不稳定，也使其退役后缺乏梯次利用价值。可梯次利用电池数量较少，导致梯次利用难以形成规模效益。由于新能源汽车以及动力蓄电池设计中并未考虑梯次利用，如动力蓄电池之间多为镍条激光焊接连接，增加了退役电池的拆解、分选和成组的难度，这些都推高了梯次利用成本。

4.2 技术问题有待解决

梯次利用当前在电池拆解、剩余寿命预测、系统集成及安全可靠性保障等方面均有存在问题需要解决，这些瓶颈问题如果不能有效解决，梯次利用产业化将难以实现。

4.3 产业链商业模式还未形成

梯次利用产业链是新能源汽车产业的延伸，涉及到的产业链各方面主体非常多，包括新能源汽车用户(个人或商业运营单位)、汽车生产企业、动力蓄电池生产企业、报废机动车回收拆解企业、梯次利用企业、再生利用企业以及梯次利用电池的用户，其中的价值分配是十分复杂的问题。如果梯次利用仅有梯次利用企业获利，则新能源汽车用户、汽车生产企业、动力蓄电池生产企业及报废机动车回收拆解等企业均缺乏动力去参与和推动梯次利用，将导致在退役电池的回收阶段就无法形成商业渠道。对于梯次利用电池，由于其是退役电池“再造”形成的产品，其性能、寿命、可靠性、安全性等尚未经过市场考验，销售和使用方面需要有更多商业模式上的探索，如分期付款、分时租赁等。梯次利用企业作为梯次利用电池生产企业，也需要承担生产者责任，对报废梯次利用电池进行回收，保障其安全、环保处置。从目前探索的方向看，梯次利用场景有通信基站、电网储能、电动三轮车、电动摩托车等，也有移动电源、车载冰箱等较为零散的消费领域，这就导致梯次利用电池的回收势必会存在更加复杂的情况，回收体系和模式需要多样性，对梯次利用企业的能力提出更高的要求。

表1 梯次利用关键技术问题

4.4 政策标准保障尚有不足

对于退役电池梯次利用，国家有关主管部门已陆续发布的《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策（2015 年版）》、《废电池污染防治技术政策》、《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》及公告管理暂行办法、《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》等政策，不同程度对于梯次利用提出了原则性要求，但是尚未有针对性的管理措施。在技术标准方面，目前已发布的涉及梯次利用的国家推荐性标准有三项，涉及拆解、梯次利用电池编码以及余能检测，梯次利用要求等相关国家、行业及团体标准的研制、发布工作也在加快推进中，但是梯次利用不同领域的产品性能、检测等其他类型标准还远未对规范梯次利用构成完善的体系化支撑。

5 对策思考

退役电池梯次利用发展潜力较大，市场前景广阔，受到行业的关注。但是，从行业发展环境、技术成熟度、产业链商业模式及政策保障等现状来看，梯次利用产业发展还存在一些问题亟待解决。要实现梯次利用产业的可持续发展，需要在管理制度、政策引导和发挥市场机制作用方面采取相应举措：一是需要政府层面加强制度设计，推动完善相关管理制度和标准体系，培育公平、健康的市场环境；二是需要产业链各环节相关企业能够加强合作，通过成立产业联盟等方式探索、打通行业数据信息壁垒，形成新型商业模式；三是通过试点等充分发挥中国铁塔公司、国家电网等企业在通信基站、电网储能等规模化梯次利用领域的带头作用，引导梯次利用企业开发面向以上领域的梯次利用电池产品，培育规范化、规模化、高值化发展的梯次利用产业；四是通过专项资金渠道等多种方式支持行业技术服务机构等第三方发挥平台作用，推进产学研用合作，加强关键共性技术的研究与推广应用。