动力锂电池梯次利用进展研究

郭京龙，楼 平，徐国华，章明高，程 琦，汤 舜，曹元成

（1.江汉大学 光电化学材料与器件教育部重点实验室，化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056；2.国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000；3.武汉瑞杰特材料有限责任公司，湖北 武汉 430200；4.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

21世纪以来，随着人们对能源需求的不断增长以及环保意识的不断增强，世界各国开始优化能源结构，传统的化石能源所占比例不断降低，清洁能源所占比例不断增长。传统汽车由于使用汽油，产生大量废气从而对环境造成污染［1-2］。锂离子电池（Li-ion batteries，LIB）作为一种能量密度高、循环寿命长、绿色环保的储能电源开始被世界各国用于电动汽车领域。随着电动汽车的不断普及，电动汽车的核心部件——动力锂电池的生产量急剧增加。我国自2014年开始大规模推广电动汽车，截止2019年，第一批电动汽车的动力电池开始逐渐进入了退役阶段，每年都有大量的动力电池从电动汽车上“下岗”，如何绿色回收并无污染地处理好这些电池是新能源汽车产业和国家有关部门面临的迫切难题。

目前退役的动力电池主要以动力锂电池为主，动力锂电池相对铅蓄电池而言是安全和绿色环保的，但是退役的动力锂电池如果没有得到妥善安置，也会变成一个定时炸弹，对人类和环境形成巨大威胁。动力锂电池主要由正极、负极、电解液和隔膜组成，另外还含有导电碳、聚合物和锂过渡金属氧化物［3-5］。如果在没有适当处理的情况下直接丢弃废动力锂电池，电极材料中钴、镍和锰等重金属会污染土壤和地下水［6］；电解液容易与水反应释放出有害气体，如氟化氢（HF）等；此外，在循环寿命期间，由于过度充电或其他不当使用，Li 倾向于沉积在阳极上，沉积的Li 可以与水反应释放氢气（H2）并产生氢氧化锂（LiOH），剩余电量往往会引起爆炸或火灾事故。

目前，电动汽车中动力锂电池正极材料以磷酸铁锂和三元材料为主，三元材料中含有镍、钴、锰等重金属元素，这些金属元素在我国分布较少，进口依赖度高，其中我国96%的钴金属都依赖于进口。随着我国电动车数量的增多，近两年原材料价格持续上涨，动力锂电池的生产成本也进一步上涨，回收退役电池中的金属元素也是企业降低成本的一条有效途径。国家政策方面，在2019年年初，工信部发布了《新能源汽车动力蓄电池回收利用调研报告（简介）》，对动力锂电池回收产业的发展进行了调研和分析，对推动我国动力锂电池回收产业的布局以及发展具有重大意义。

退役动力锂电池数量的与日俱增、保护生态环境的需要、退役动力锂电池回收产业带来的巨大商机和国家政策导向等都推动着对动力锂电池的回收。在动力锂电池回收产业布局方面，我国已经完成了基本布局，动力锂电池回收体系已初具雏形［7］。目前我国产生了几家优秀回收企业（如格林美、赛德美、中天鸿锂等），如何将如此大规模的退役动力锂电池所带来的经济效益以及环境问题处理好，这是新能源汽车产业和电池回收企业现阶段所要解决的问题。

本文介绍了退役动力锂电池在梯次利用方面的发展现状，并对未来的发展进行了展望。

1 动力锂电池的梯次利用

一般而言，新能源汽车电池容量衰减到60% ～80%便达到了退役的标准，需要更换电池。然而这些退役的动力锂电池并非完全失去了价值，可以在其他领域进行梯次利用，发挥其剩余价值。比如共享电动车、路灯、偏远地区的充电基站以及家庭储能等。退役动力锂电池的梯次利用不仅能够提高资源使用效率，也可以有效缓解大批量电池进入回收阶段带来的巨大压力。目前，我国动力锂电池的梯次利用还处在试点阶段，通过借鉴国外对退役电池的回收处理经验，梯次利用是退役动力锂电池的主要落脚点。

我国对回收后的退役动力锂电池的处理是鼓励企业先进行梯次利用，直到不能满足梯次利用的需求再进行材料回收，其流程如图1所示。退役动力锂电池的梯次利用不仅可以减少环境污染和资源浪费，也可以更充分利用退役动力锂电池的剩余价值为企业创造利润，降低新能源汽车的成本。

1.1 梯次利用现状

目前，全球范围内都在积极开展有关动力锂电池梯次利用的研究，如德国、美国、日本等国家由于起步较早，如今已经有了很多成功的示范工程和商业项目。例如日本4R Energy 公司将退役的二手电池用于个人和商业储能，夏普公司则将退役的动力锂电池通过智能功率调节器用于家庭储能；美国杜克能源将退役的动力锂电池应用在家庭能源上。表1总结了目前国内外梯次利用的成功案例。

从表1可以看出，我国在退役动力锂电池梯次利用方面与欧美等发达国家有一定的差距，主要停留在示范项目阶段，商业化的应用还很少。应加快商业化应用的进程，比如在出行领域的共享电动车、电动三轮车尽快打开市场，为其他企业的商业化应用做出示范［5-7］。

图1 退役动力锂电池回收体系流程Fig.1 Process of decommissioned power lithium battery recycling system

表1 国内外梯次利用成功案例总结Tab.1 Summary of successful cases of domestic and foreign echelon utilization

储能领域是目前动力锂电池梯次利用的最佳领域［8］。我国可再生能源应用途径主要以风力发电、光伏发电为主，并且属于间歇式能源。随着我国向低碳经济的转型，传统的煤炭发电逐渐会被取代，可再生能源发电将会成为以后的主流［9-11］。随着可再生能源在电网领域的发展，未来也会面临两个问题:传统电网必将被智能微电网所取代，同时也要求可再生能源发电厂具有相应的电力储存能力，因此储能设施的参与势在必行［12］。利用退役动力锂电池组建成储能系统，不仅可以减少我国因弃风、弃光现象而造成的电资源浪费，同时也有助于解决部分地区电力短缺、间歇性供电、夏季用电紧张等问题。

退役动力锂电池能否用于梯次利用以及应用领域，主要依据电池的剩余容量，根据所剩余能量从大到小应用的领域依次为低功率电动车和电动自行车、电网储能、低端储能需求如家庭储能等。图2是动力锂电池梯次利用的标准，当电池剩余容量在20% ～80%时，则可以进行梯次利用；如若电池容量低于20%时，则已不满足梯次利用的标准，应送到电池拆解厂进行材料的回收。

我国已经针对动力锂电池的回收与利用出台多部政策（见表2），尤其是《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》《车用动力电池回收利用拆解规范》《车用动力电池回收利用——余能检测》3 项政策及法规的颁布和实施，进一步完善了动力锂电池回收利用企业相关管理规范及标准体系［12-13］。

图2 动力电池应用区段Fig.2 Power lithium battery application section

表2 动力锂电池回收相关政策Tab.2 Power lithium battery recycling policy

1.2 梯次利用存在的主要问题

动力锂电池的梯次利用一般分为拆解、余能检测、筛选和重组4 个环节。由于我国动力锂电池梯次利用起步较晚，目前存在以下几个问题:退役电池的安全问题、相关设备和技术上投入不足、退役动力锂电池溯源性较差、上下游企业信息交流较少、评价标准和评估体系不健全［13-15］。

1.2.1 退役动力锂电池的安全性和塑源性难以保证 当前我国在动力锂电池回收方面处于起步阶段，现有的电池回收体系存在一定的不足。市面上动力锂电池种类多样，型号尺寸都存在差异，没有统一标准，同时回收的电池也存在来源不明的情况，追溯性较差，这给企业对动力锂电池的梯次利用增加了安全隐患以及其他不可控因素。

退役动力锂电池的安全问题是其梯次利用的首要条件［16-19］。一方面，锂电池本身存在安全隐患，由于来源不知，回收的电池可能本身就存在问题，在运输过程中可能就会引发安全事故；由于我国拆解机械自动化水平较低，退役动力锂电池在拆解阶段，极易发生违规操作引发起火爆炸。此外，在电池筛选环节，由于技术门槛较高，对电池的余能检测和其他方面的评估准确度会有一定的偏差，一致性不足，再梯次利用到实际生活中可能会存在安全隐患［20-22］。

1.2.2 梯次利用相关设备研发投入不足 要想加快动力锂电池梯次利用的发展，不仅要在应用方面下功夫，设备上的研发也要齐头并进。我国近些年鼓励企业掌握核心技术，提高竞争力，设备的研制则是核心中的核心。但是在电池拆解设备的研发方面投入还是较少，自动化水平较低，自主研发能力不足，大多数企业还是以人工为主，机器为辅的回收模式。只有邦普等少数企业在拆解设备方面拥有自主研发能力，但不足以扛起梯次利用这个大市场。

在电池检测和筛选方面，技术上也存在一定的瓶颈。由于回收的电池来源、类型、尺寸不同，导致一致性不足，同时电池一次使用阶段的BMS 数据不知，因此在检测和筛选阶段对技术上要求比较高，涉及到物理、化学、材料等领域，这种复合型人才相对稀缺。在电池重组方面，各类电池的电芯标称容量开路电压以及电阻不同，综合利用难度较大。

1.2.3 梯次利用产业链及商业模式有待完善 动力锂电池梯次利用产业链涉及多方利益，如何协调好个人、车企、电池生产商和梯次利用企业的利益，这是该产业能够健康有序发展的重要保证。这既需要国家出台相关政策，也需要各方进行合作，在探索中走出一条可持续发展的道路。此外，动力锂电池梯次利用制造的产品在推广上也有一定的困难。如何克服消费者对其安全性、使用寿命的疑虑，都需要去解决。

1.3 梯次利用技术进展

针对目前退役动力锂电池在余量检测、内阻、荷电状态等方面遇到的问题，一些学者对其进行了探索。陈伟华等［23］以充电站的退役电池为研究对象，将电池模组和4 个单体串联进行了一系列充放电循环试验，通过分析两者在电池容量、极化内阻和荷电状态的差异，发现退役电池在连接方式上，串联比并联更好，串联的电池容量衰减更慢，极化内阻一致性更好。该研究对于实现磷酸铁锂动力电池的梯次利用具有指导意义。

李香龙等［24］针对退役电池衰退不一致性的问题，以退役的锰酸锂电池为试验对象，对其进行了各种类型的电化学测试，对实验结果分析后发现:退役电池容量和内阻参数符合正态分布；退役电池不同荷电状态下开路电压离散程度不同；退役电池在小倍率放电的场景更有前景。

LIAO 等［25］通过观察检查、电池容量测量、脉冲特性曲线和电化学阻抗谱评估电动车辆退役锂离子电池的外部和内部特性。通过分析发现:1）观测检查和容量测量只是从电动车辆中筛选和分类退役电池的初步方法；2）脉冲放电电压是评估退役电池一致性的重要指标；3）从阻抗的角度来看，影响电池容量的所有因素中，Warburg 阻抗是主要的，电荷转移电阻是第二，容量和欧姆电阻之间没有相关性；4）退役电池的性能评估和一致性分区需要通过不同的性能参数进行综合判断。

1.4 动力锂电池回收体系有待完善

我国新能源汽车发展迅速，仅2017年就销售100 万台电动车，电动汽车数量的增加会给相关电池回收企业带来压力。相比电池制造技术上的飞速发展，我国在电池回收方面的发展可谓是举步维艰，动力锂电池回收体系的完善遇到以下几个问题:技术上，电池拆解自动化普及率低，现有仪器检测设备对退役电池性能检测数据不够精准。行业标准上，电池上下游企业沟通不到位，对同一问题具有不同的标准。政策宣传上，回收退役电池的宣传存在缺位问题，大众对退役电池的危害认识不足，很多人并不知道怎么处理退役的动力电池以及电池回收站在何处。市面上的退役动力电池很多都流通到一些小作坊和资质不达标的企业，只有少量电池被回收到正规电池回收企业。制度政策上，我国已出台一系列回收政策，但是大多数都属于指导性的文件，没有具体的实施方式。

2 展望

动力锂电池梯次利用与回收对于社会经济和环境的可持续发展至关重要，特别是对于拥有全球最大的锂离子电池制造商和消费者的中国来说尤其如此。因此，对于未来动力锂电池回收产业的发展，有以下几点建议:1）加强产学研相结合。积极引导企业与高校之间的合作，对于一些在实验室能够取得良好回收的技术，在条件满足的情况下，应积极推进其产业化。2）建立人才储备库。退役动力电池的梯次利用涉及多个专业，对于交叉型人才需求比较大。高校应根据社会需求开设相应的专业，为我国电池回收产业提供人才储备军。3）政策上扶持。政府应积极鼓励企业对退役电池的再利用，在税收或者建设用地方面给予一定的政策优惠。4）加强对电池回收政策的宣传。新能源车企应起带头作用，在消费者购买汽车的时候，就签署动力电池回收的相关协议，从源头上保证电池能有效回收。5）政府部门应积极督促相关车企按时上传售卖的新能源汽车信息，不少报、不瞒报、不错报，健康有效地建立好电池溯源管理平台。