电池测试系统在废旧动力电池模组回收中应用

陈洋，周波，周游,2，阮丁山,2

（1. 广东邦普循环科技有限公司，广东 佛山 528137；2. 广东省电池循环利用企业重点实验室，广东 佛山 528137）

0 引言

据相关数据统计，2016 年新能源汽车保有量为 91.28 万辆，其中有纯电动车 72.5 万辆。截至2020 年底全国新能源汽车保有量达到 492 万辆，占汽车总量的 1.75 %，比 2019 年增长了 111 万辆，其中纯电动汽车保有量为 400 万辆，占新能源汽车总量的 81.32 %。新能源汽车增量连续 3 a 超过 100 万辆，且呈持续高速增长趋势。2015 年国内报废动力电池累计为 2 万 t，2020 年后累计报废量达到 35 万 t，到 2025 年中国动力电池退役规模将达到 45 万 t。一方面，废旧锂电池中含有大量的镍、钴、锰等重金属元素；另一方面电解液中含有的六氟磷酸锂与空气中的水反应会产生剧毒的 HF气体，对自然环境有严重的危害[1]。因此，回收动力电池任务紧迫且意义重大。

目前，我国回收锂离子电池一般采用的是火法回收工艺，即将废旧电池拆解、粉碎、筛分，得到正极料，再经过回转窑高温处理。然而，废旧电池中往往带有一定的电量，所以在拆解破碎前应进行放电处理，将电压降到一定范围内，方可进行破碎工艺，以避免电池起火和人员伤害等问题。目前存在的放电方式大体分为化学浸泡法和物理外接负载法。由于放电时间过长，动辄数十小时，而且在浸泡过程中存在腐蚀极柱使电量不能完全释放，以及浸泡废水处理难等一系列因素，使得化学浸泡法放电方式的性价比较低。相对来说，物理外接负载法放电方式更简单、方便快捷。然而，现有设备的放电效率普遍较低，需要 5～10 h 以上才能将单个电池完全放电。笔者将整体的放电工艺进行分割优化，把传统的一段式放电方式拆分为两段式放电方式。先用电池测试系统对还未进行拆解的电池模组进行放电，在一定程度上降低模组拆解过程中的安全风险。在电池测试系统对模组进行放电时，模组释放的电能能够回馈电网，将残余的能量利用起来。

1 实验

选用 53 Ah 方形单体电池，通过 2 并 6 串方式组成 2P6S-53Ah 方形模组。2P6S-53Ah 方形模组等同于用 106 Ah 单体电池串联 6 次组成的模组。并且，由 37 Ah 方形单体电池，通过 1 并 12 串方式组成 1P12S-37Ah 方形模组。

首先，按图 1 中流程，对模组进行外观检测。目测模组外观是否完好，有无破损、漏液、火烧痕迹，正负极柱是否腐蚀、是否适用电池测试系统的连接。其次，检测模组的电压和内阻。使用万用表测量模组的正、负极电压，确定该模组是否带电。使用内阻测量仪分别测量模组中每个电芯的电压、内阻值[2]（同批次模组数据相近）。再次，连接设备，将电池测试系统接口连接至模组正、负极极柱上。连接过程中应确保连接稳固，将温度探头置于模组上盖内。然后，打开设备专用程序，运行设备。选择 1C 放电电流，按恒流放电—静置—结束的模式放电。根据电压与电池 SOC 的关系曲线[3]，选择放电截止电压为（3.2 V ×电芯组数量），以及放电截止后每个单体电压为 3.2 V。这样，能够将电池内的能量最大化地释放出来，可以有效地进行电能回收，同样也减少了放电时间。在整个放电过程中要时时观察模组的放电状态，测量模组外壳、正、负极柱连接线的发热情况。 记录电池测试系统处理时间 t1。由于该电池测试系统将一部分电能回馈，待放电完成后可计算电能回馈效率。最后，将已经完成放电的模组进行拆解，得到电池单体。将经过电池测试系统放电处理过的电池单体和未经过电池测试系统处理过的电池单体放置在物理放电设备上进行放电，分别记录放电时间 t2、t3。

由表 1 可见，1P12S-37Ah 方形模组在连接电池测试系统后，经过 14 min 就达到了预计目标电压值。该过程中电压由 42.387 V 下降至 38.434 V，共下降 3.953 V。采用 37 Ah 电流及 1C 放电倍率进行放电，整个过程释放能量 351.458 Wh。通过双向电表得出，电能回馈 240 Wh，电能回馈效率为 68 %。2P6S-53Ah 方形模组在连接电池测试系统后，经过35 min 达到预计目标电压值。该过程中电压由 21.079 V下降至 19.218 V，共下降 1.860 V。采用 53 Ah 电流及 1C 放电倍率进行放电，整个过程释放能量628.610 Wh。通过双向电表记录得出，电能回馈430 Wh，电能回馈效率为 68 %。

表1 1P12S-37AH 方形模组放电数据

由表 2 可知经过电池测试系统处理过的电池单体放电时间较短。37 Ah 的单体电池 2 h 即可完成放电，而未经过处理的 37 Ah 单体电池则需要 4 h。同样经过处理的 57 Ah 单体电池 2.5 h 即可放电完成，而未处理的 57 Ah 单体电池则需要 5.5 h 方可降至安全电压。

表2 电池单体的电数据

以电池测试系统处理时间为 t1，经过电池测试系统处理的单体电池放电完全的时间为 t2，未经过电池测试系统处理的单体电池放电至贮存安全电压的时间为 t3。按公式

进行效率对比。37 Ah 单体电池放电效率提高 44 %，53 Ah 单体电池放电效率提高 43 %。

图1、2 分别为 1P12S-37Ah 方形模组和 P6S-53Ah 方形模组的能量释放曲线。由图可见，曲线平滑，表明能量释放过程很稳定，未产生能量波动以及异常现象。经过多次生产实验验证，采用该方式放电处理工艺安全可靠，并没有较大的安全风险。

2 讨论

现有的火法回收工艺必须要对电池进行放电，用以降低生产和存贮过程中的安全风险，而目前的放电设备耗时过长，导致效率过低，成本变高。通过本研究可知，在电池模组拆解为单体前，使用电池测试系统对其进行放电处理，可将效率提高 40 %以上。另外，相较于传统的化学浸泡放电和外接电路法放电，使用电池测试系统对电池模组放电，可以对残存的电能进行回收。余能回收率可达到65 % 以上。目前常见方形电池模组平均质量在15～20 kg，参与能量在 600 Wh 左右。以一家年回收 10 万 t 的厂家为例，该厂电池单体释放的能量约为 300 万 kWh/a。如果按照能量回馈效率 68 % 核算，该厂可以回收 204 万 kWh/a。如果按照 0.85 元/kWh电价来算，该厂可节约 173.4 万元/a。

3 结束语

随着新能源汽车行业的飞速发展，无论是从经济还是环境方面考虑，锂电池回收成为了必不可少的一份工作。面对巨大的市场，生产效率的提升就是制胜的法宝。在“碳达峰、碳中和”政策的驱动下，清洁能源的开发和应用愈发关键。目前，锂电池的发展正处于变革的缺口之中。随着动力锂电池的大规模应用和退役期的临近，退役锂电池的回收必然会带来新的机遇和挑战。在未来，锂电池的电极材料将会发生变化，回收过程将会变得更加复杂，只有通过创新和改进回收方法，才能满足未来退役锂电池的需求，提高效率与成本的协调[4]。