论退役锂电池梯次利用技术

陈柯元 陈臻 包启科 汤海岚 蔡嘉宾

摘 要：针对现行市场退役锂电池梯次利用技术不完善的现状，本项目旨在解决退役锂电池梯次判定时采集获得的多参数建模的困难性，提出利用大数据技术处理链接式表格搜索设想。就促进行业龙头企业的退役锂电池梯次利用安全操作规范化和退役锂电池梯次利用市场化，点明操作关注点，探索未来发展的关键技术突破点。基于上述资料，本项目对退役锂电池梯次利用技术进行合理展望，分析该技术的前景及发展方向。

关键词：退役锂电池;梯次利用;锂电池

预测至2020年，累计退役重量达12～17万吨。如果直接对退役锂电池进行金属回收，剩下的80%的电池容量将是极大浪费;如果对退役锂电池回收前先进行梯次利用，即将锂电池包、模组或单体重新检测、分选并配组，再应用于对电池容量和功率等要求不像电动汽车那么严格的场所（比如电网、太阳能和风能等储能领域，宽带无线基站蓄电池等），可以有效延长电池的生命周期，减少电池使用成本。预测到2020年，梯次利用市场规模约64亿元，2025年约282亿元[1]。为此，2012年《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》和2016年《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划（2016-2020）》均明确提出要大力发展锂电池梯次利用，引导健全、完善相关技术并实现产业化。

一、现状分析

美国、日本以及欧洲等发达国家于2000年左右就在锂电池梯次利用进行了大量技术投入，技术领先。国内在大规模锂电池梯次利用技术方面，起步较晚，与发达国家相比还有较大差距。本项目针对电池行业领军企业年25000吨锂电池梯次利用和资源回收生产线所面临的关键问题开展研究。

二、研究内容

退役锂电池梯次利用是个百亿级的市场，梯次利用产业化过程诸多关键技术尚不完善。目前，锂电池使用过程参数类型多、参数采集不完备且采集方法差异大，导致获取的过程数据分布呈现量大、高维、非高斯、非线性、异构和异源等特点，使快速准确的梯次利用关键性能估计难以实施。此外，锂电池盐水放电法生产过程中会产生严重的重金属污染。

退役锂电池性能估计数据包括电芯工艺数据、生产过程数据、出厂和退役电池表面完整度、出厂和退役电池内部结构、出厂、使用过程和退役后电池电特性数据。电芯工艺数据包括正负极材料、电解液、隔膜等;生产过程数据包括正负极材料实际厚度、隔膜实际厚度、电解液实际比例浓度、生产环境温度、电池排列位置等;电池表面完整度包括无划痕、压痕，电池标记清楚，无编号缺失等特征;电池内部结构包括无气胀、漏液、变形等特征。电池电特性数据包括开路电压、工作电压、极化电压、静态容量、实际容量、放电深度、内阻、循环寿命、环境温度、散热条件、充放电进度、空气潮湿度和通风条件等数十个指标。针对传统锂电池规模化放电时，电池重金属会泄露入盐水，产生严重的环境污染问题。利用石墨具有较好的导电性，且属于退役电池自身的废料（退役电池负极材料，成本可以忽略）。项目组目前已采用粉状石墨对18650柱状锂电池和软包电池进行了批量放电实验，结果表明80%左右的电池24小时内可以放电完毕，但是由于粉状石墨与电池正负极接触不充分，存在20%左右电池无法放电或放电时间较长问题，以及粉状石墨放电规模化放电时存在严重的粉尘污染问题。

三、关键技术

为了确保数据的规范、统一且测试成本低廉，筛选电池参数并制定合理的测试方法是关键问题，解决此问题涉及利用合作企业现有的成熟铅酸电池测试技术和已有的锂电池测试技术。此外，为了测量过程参数，需要对现有的锂离子电池包软硬件进行升级改造，以实现过程数据存储。

面对如此复杂多源的大数据，现有方法难以直接对其进行建模。可根据电池老化机理，对多源参数按对关键性能影响的权重进行筛理排序，将其划分成多个分块，对各分块并行实施降维与特征提取，同时尽可能保留对性能估计有用的特征信息是关键问题。由于石墨为粉状固体，与电池正负极会存在接触不充分问题，导致部分电池无法充分放电且放电时间较长问题。将石墨材料通过与一定比例的水混合制成浆料后，研究确定最优水与粉状石墨的比例、搅拌方式、时间等放电工艺是关键问题，使得该工艺下石墨粉与电池能充分接触，并且放电后石墨与电池易于振动分离。

四、技术操作的关注点

（一）安全性

退役锂电池作为固体废物，会产生越来越多废弃物，这些需要妥善处理。由于这类废弃处理含有潜在威胁，因此，这类处理比较容易伤及人員[1]。同时，退役锂电池比新锂电池容易存在零件老化，过充过放，胀气问题等严重影响使用的风险。这些问题不仅影响电池的性能，还为从事相应工作的人员带来不可预估的安全隐患。安全是储能系统的第一要素，在国家相关法规不完善的当下，有能力也有必要关注梯次利用时的安全性。为维护企业合法权益和行业发展，对于企业数据的安全也需要引起极大注意。

（1）数据安全。退役锂电池梯次利用的信息安全以数据的应用安全性（准确性）和保密性为基轴。大数据处理可以实现在较短时间内对大量数据的搜索。在现实生活中，企业常带有某种具体的参数要求，因此输入权重高的固定参数进行多次筛选，链接权数低的参数的该电池多张信息表，构建以多种需求参数为基轴的图表。为应对黑客窃取商业数据，构建企业级防火墙，强化权限的限制级构建可以促进信息安全。在动态周期内，必须对关键数据予以重采。

（2）技术安全。退役锂电池的制造工艺客观上存在巨大差异，导致退役锂电池单体以及退役电池模组之间性能差距较大，从而为协同工作时的安全性埋下隐患。这种状况是退役锂电池梯次利用所无法避免的。而且在现行梯次分类标准不统一的情况下，除了单一龙头企业单解决自身退役锂电池梯次利用外，近乎无解。退役锂电池相较于全新锂电池，内部的隔热层老化和化学物质的活性下降等原因导致锂电池的热衰减性表现更为明显，也意味着热失控的几率增加。锂电池梯次利用有较高的精度要求，这使得行业工人要具有较高的劳动素质，一旦拆解不当，工人将面临触电和热失控的风险[3]。

（3）运存安全。随着退役锂电池的基数的增大，社会对梯次利用的需求增大，基于处理的滞后性，退役锂电池梯次利用行业要解决运存安全。现行锂电池大多采用可燃的有机溶剂体系，电磁具有一定的能量，场的叠加，加之能量以热的形式散失，在运输车这封闭空间内热大量集聚，容易引发热失控，甚至引发连锁反应。电磁场的存在和粉状石墨的导电性使行业在面对特定天气（如雷雨天气）须及时做好防磁防暴防漏电等预备工作，严格执行突发情况预案，竭力将损失降低到可控的最低限度。

（二）经济性与市场化结合

退役锂电池梯次利用市场从现状上讲，处于一个需求小、流通范围窄、市场规则缺乏的新兴市场阶段。为了保证锂电池梯次利用技术在龙头企业的应用和可持续发展，经济性和市场化必须被置于一个相当重要的位置。退役锂电池梯次利用技术主要是对BMS的信息采集和信息分配应用所产生的经济价值的利用。从这个意义上，退役锂电池梯次利用市场可以被定位为一个隶属于现代储能市场的服务型市场。

（1）统一处理的集聚优势。当今限制锂电池大规模应用的主要影响因素是安全性和高成本。在安全性得到保障的前提下，锂电池价格高归因于钴的高成本以及每个电池所需的复杂保护电路[2]。退役锂电池梯次利用在最大限度上利用钴资源，缓解囿于钴的成本上涨问题。同时，基于退役锂电池的特性，该技术也在向包括复杂的保护电路提出更高要求。大量退役锂电池的处理由一个完整的产业链完成，尽可能减少运存时间，量产通用保护电路，侧面扩大退役锂电池梯次利用的应用领域，便于市场化。

（2）联结电池需求。不同类型锂电池在初始设定的目标有不同，在梯次利用的领域也不同。定制化加工可以激发退役锂电池梯次利用的活力。依据粉状石墨和水以不同比例混合后的混合物的物化特性，可以满足多角度的电池需求，避免“高射炮迫击蚊子”。而且发挥最大性能的退役锂电池可以减少维修费用，将石墨的作用发挥到极致，提高资源利用率。

五、未来发展趋势

未来退役锂电池梯次利用的主要领域有：一是电力储能市场;二是低速电动车;三是变电站或者通信基站。退役锂电池梯次利用通过有效减少废弃锂电池数量获取巨大的生态效益和社会效益。随着退役锂电池的基数增大，社会对退役锂电池梯次利用的需求日趋强烈，故而退役锂电池梯次利用市场前景一片光明。

退役锂电池梯次利用的前途是光明的，但是道路是曲折的。退役锂电池梯次利用全面推广过程中，当下的弊端将随着市场扩大而愈发凸显。目前退役电池量较少，产业链下游企业争夺挤占有限的退役电池资源，梯次利用电池采购价格居高不下;行业在残值评估等技术方面存在瓶颈，需要退役锂电池使用的历史数据等信息用于评估退役动力蓄电池性能，以确保筛选重组的梯次利用电池产品安全可靠。在当前回收的退役锂电池中，以研发生产过程中产生的废旧退役锂电池为主，新能源汽车退役电池较少。

我国动力电池回收市场还处于发展阶段，但是退役锂电池梯次利用可以产生的经济效益依然显著。在退役动力电池梯次利用领域，当电池循环寿命高于400次时，开始产生盈利，随着未来电池技术的成熟，动力电池的退役循环寿命必将呈现增长态势。在报废动力电池拆解回收方面，目前三元电池的物理回收工艺具有较高的收益，而磷酸铁锂电池的拆解回收仍处于亏损状态。据预测，2020年市场上累计报废动力电池量将达50万吨，按三元电池占35%，磷酸铁锂电池占65%来算，在回收效率及成本基本不變的情况下，通过拆解回收这2类动力电池，也将产生4亿元的纯利润，随着电池正极材料价格的上涨，由于湿法回收工艺具有较大的材料回收效率，因此湿法回收工艺在三元电池回收方面呈现出较大盈利潜力，而对于磷酸铁锂电池的回收，选择物理回收工艺更为合适。将磷酸铁锂电池退役后梯次利用和拆解回收结合起来看，不难发现，磷酸铁锂电池退役后的再循环利用也处于盈利状态[4]。

梯次利用还存在效率偏低，电池剩余寿命及一致性评估等技术不成熟等问题。龙头企业要采取多样化激励措施，借鉴欧美国家发展经验，探索可持续商业模式。

参考文献：

[1]王九飙，周文斌，刘质斌，等.电动汽车废旧动力蓄电池的回收利用技术及发展[J].环境与发展，2017，29（7）：62-63.

[2]高桂兰，贺欣，李亚光，等.废旧车用动力锂离子电池的回收利用现状[J].环境工程，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，戴书琪，徐永胜，等.废旧锂离子电池放电的实验研究[J].应用化工，2015（4）：594-597.

科研项目：湖州师范学院校级科研项目（2019XJKJ36）

作者简介：陈柯元（2001—），男，浙江宁波人，就读湖州师范学院，攻读机械设计制造及其自动化（师范）专业。

通讯作者：蔡嘉宾，湖州师范学院教师，实验师，研究方向：锂电池参数结构。