锂电池梯次利用

背景近年来，受益于政策、补贴，我国新能源汽车呈现快速增长，进而导致动力锂电池的需求量和报废量不断增长。统计数据显示，2015年中国锂电池总产量47.13Gwh，其中，动力电池产量16.9Gwh，占比36.07%；消费锂电池产量23.69Gwh，占比50.26%；储能锂电池产量1.73Gwh，占比3.67%。《报告》测算，到2020年动力锂电池的需求量将达到125Gwh，报废量将达32.2Gwh，约50万吨；到2023年，报废量将达到101Gwh，约116万吨。当前，电池金属材料资源的供需不平衡正逐渐显现。随着新能源车下游需求逐步明确，国内动力电池厂商2016-2017年纷纷扩大产能，尤其是三元电池的扩张，进一步提升了对钴的需求因此从废旧电池中回收再利用钴也越来越具有经济性。对企业而言，动力电池回收蕴藏着巨大的商机，经过回收处理，可以为电池生产商节约原材料成本。此外，动力电池回收还与政府建设低碳经济和环境友好型社会密切相关。电动汽车的动力电池性能会随着充电次数的增加而衰减，当电池容量衰减至额定容量的80%以下时，动力电池就不适于应用在电动汽车上，这意味着其在电动汽车上的使用寿命终止。如果直接将电池淘汰，必将造成资源的严重浪费，同时也会导致环境污染。国标GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》明确规定了电动汽车用动力蓄电池的单体、模块和标准箱尺寸规格要求。这一标准可有效解决此前存在于动力电池梯次利用中，动力电池由于尺寸不一难以匹配储能电站或家用储能设备结构的难题，也降低了动力电池的梯次回收利用的门槛。国标GB/T34014-2017《汽车动力蓄电池编码规则》规定了动力电池编码基本原则、编码对象、代码结构和数据载体。该标准发布，可在动力电池生产管理、维护和溯源、电动汽车关键参数监控，特别是在动力电池回收利用环节，凭借可追溯性和唯一性，更加准确地确定动力电池回收的责任主体。国标GB/T34015-2017《车用动力电池回收利用余能检测》。则规范了动力电池外观检查、极性检测、电压判别、充放电电流判别、余能测试等检测流程，为车用动力电池的余能检测提供评价依据，有助于提高废旧动力蓄电池余能检测的安全性和科学性。随着新能源汽车保有量的增长，动力锂电池的梯次利用和回收成为一个必须面对的问题。在动力锂电池梯次利用和回收尚未发展成熟的情况下，运营模式就显得尤为重要，这关乎成本和盈利等企业切身利益。目前国内已有企业在动力锂电池的梯次利用和回收方面展开布局，运营模式也各有不同。动力电池梯次利用的意义在于从电池原材料—电池—电池系统—汽车应用—二次利用—资源回收—电池原材料的电池全生命周期使用角度考虑，可以降低电池成本，避免环境污染。针对退役的动力电池，有两种可行的处理方法。一种是直接作为工业废品，进行报废和拆解，提炼其中的原材料，实现原材料的循环利用。另一种方式则是考虑退役的动力电池，虽然已经不满足汽车的使用条件，但仍然拥有一定的余能，其寿命并未完全终止，可以用在其他领域作为电能的载体使用，从而充分发挥其剩余价值。退役电池单体之间存在差异，尤其是均匀性上，有时候能量的衰减是非线性、断崖式的，就如同木桶理论——最短的木板起决定作用，最差的电池则决定了整个储能系统的性能目前我国动力电池回收处理技术发展较为成熟，但管理相对落后，阻碍了动力电池回收产业的发展。主要表现在：回收网络不健全，回收网络主要由中小回收公司组成，难以得到有效回收；回收企业规模较小，工艺水平不健全，较难保证资源回收效率；存在没有经营许可的企业非法从事废旧动力电池回收，带来安全和环保隐患。据了解，目前国内外对废旧锂离子电池的回收过程是：首先彻底放电，然后对电池进行拆解分离出正极、负极、电解液和隔膜等各组成部分，再对电极材料进行碱浸出、酸浸出、除杂后进行萃取以实现有价金属的富集。梯次利用梯次利用的前提首先从全生命周期追溯。如果不解决电池使用过程中到底怎么使用的、使用状况是什么样的，梯次利用也无从谈起。梯次利用技术难点一是探索最佳配组方案，标准模组直接梯次利用是最佳方案，单只问题电芯导致模组需要拆解并重新组合。难点二是集中式大型储能电站安全性。磷酸铁锂电芯的大规模储能梯次利用是可行的，退役的三元电芯的集中式储能方案不现实，适合直接资源化回收。难点三是BMS元器件老化，电子元器件的老化失效需要技术验证。2009年日本东芝提出对SCIB电池进行二次利用。2013年之后，国内众多动力电池企业、电动汽车企业也都积极开展动力电池梯次利用基础研究。电动汽车市场化快速发展让动力电池的梯次利用有了“现实需求”，研发及应用逐渐增多。电动汽车的梯次利用要考虑到电动汽车的复杂性，但技术上总体可行。在工程示范应用方面，国网建有30KW/1MWh梯次利用锰酸锂电池储能系统和250KW/1MWh梯次利用磷酸铁锂电池储能系统。总体来讲，我们需要关注三个方面的问题：①技术性可行性方面：包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性，涉及到老化、失效机理，后续寿命，安全性、可靠性检测、分级筛选技术、工况测试，重组与管理技术等方面，但相关标准目前仍缺失。②经济可行性方面，包括旧电池成本计运输/检测、重组成本，新电池成本的快速降低，低成本的竞争性储能技术，再利用的收益，需要快速检测/分选/成本技术，电池系统组件综合再利用等。③市场方面，所有权复杂、电池残值、风险责任、电力市场，这方面还需要政府支撑与扶持，产业界的积极响应和。总体来说，随着动力电池技术进步和性能的提高，相关标准的逐步完善，都利于其梯次利用。而动力电池梯次利用的经济性随着储能市场的发展及电池梯次利用规模化的应用，也逐渐显现。在回收工艺方面，我们实现了电池安全无污染的拆解，通过碱液中和去除电解液，对碱液也进行处理和再利用，同时也实现正负极、隔膜等所有材料的有效分离，对碱液实现全收集和净化处理。创新之处是碱液中和，无高温煅烧，无烟尘、尾气排放，实现100%分离，同时适用于LFP与三元电池回收处理。但同时也存在挑战，即设备自动化低和处理效率低。从整个投入来看，回收处理1吨废旧电池的花费约在5575元，回收处理1吨废旧三元电池的收益为5900元。三元电池回收可实现预期经济效益，LFP电池回收，须通过提高回收处理效率以期实现经济效益平衡。总而言之，要实现铁锂电池回收，回收效率是一个关键。我国正处于电池梯次利用的起步阶段，技术难点还有重组技术、寿命预测和离散整合技术等。寿命预测是整个梯次利用产品技术的关键点，如果不掌握产品的使用寿命，试问如何为客户提供质量保证呢？所以从电池企业的角度出发，攻克寿命预测技术是梯次利用项目的重中之重。当然，寿命预测技术之所以难，是由于很多关键技术集中体现，如衰减机理、检测、消耗量等。还有一个难点，在不同的情况、不同的地区环境和工况下，电池的消耗速率并不一样，同一时间退役的一批电池，将出现不同的衰减速率，而将分布不均匀的电池重新应用于一个产品中，对于整个行业来讲，这是一个难点。离散整合技术的关键点就是在管理系统里如何让系统更有效地应用剩余的能量，目前业内都在集中力量攻克这个难点，重点解决不同的离散程度的电池包如何在一个系统里高效运行。电池材料回收方面，宁德时代与具备材料回收资质的企业合作。从操作流程来讲，主要包括电池包分类、拆解及材料回收三步骤。目前，针对材料回收的拆解环境、运输条件，企业都在制定标准，今年可推出材料回收和包装运输的标准，计划在2017年推行一系列梯次利用标准。具体而言，电池拆解是通过破碎变成电极粉，再将相关金属进行回收；材料回收主要是通过电极粉、经过酸碱、萃取，然后变成三元材料，最终呈现的产物是硫酸镍、硫酸锰、硫酸钴等。对此，确保回收过程也是环保回收是衡量梯次利用的一个重要标准，因此过程监控显得非常重要。基于此，国家对场地、拆解环境、拆解设备、拆解人员做出相应的要求，企业在制定标准时也涉及到设备、人员资质、拆解环境、油水分离等问题。总而言之，材料回收在保证环保的同时，要达到较高的回收率。最后，电池材料回收是通过“物理+化学”的方法，整车企业无须过多考虑后端处理的问题。相对而言，梯次利用更能够发挥产品的最大价值，实现循环经济的利益最大化，是更为绿色和环保的做法。但梯次利用所面临的难题和挑战也非常的多，如果不能有效解决，就不能实现真正的产业化。1.电池拆解动力电池退役时，是整个pack从车上拆解下来的。不同的车型有不同的电池pack设计，其内外部结构设计，模组连接方式，工艺技术各不相同，意味着不可能用一套拆解流水线适合所有的电池pack和内部模组。那么，在电池拆解方面，就需要进行柔性化的配置，将拆解流水线进行分段细化，针对不同的电池pack，在制定拆解操作流程时，要尽可能复用现有流水线的工段和工序，以提高作业效率，降低重复投资。在拆解作业时，不可能完全实现自动化，必然存在大量的人工作业，而pack本身是高能量载体，如果操作不当，可能会发生短路、漏液等各种安全问题，进而可能造成起火或爆炸，导致人员伤亡和财产损失。因此，采取什么样的措施和方法，确保电池拆解过程中的安全作业，是梯次利用的一个重点。2.剩余寿命预测这里分两种情况考虑，一种是动力电池在服役期间，其相关运行数据有完整记录，那么当梯次利用的厂家拿到这些数据之后，结合电池的出厂数据，可以建立电池模组的简单寿命模型，能够大致估算出，在特定运行条件下电池模组的剩余寿命(根据所设定的终止条件)。另一种情况就恶劣的多了，动力电池的使用情况并无数据记录，仅有出厂时的原始数据(如标称容量、电压、额定循环寿命等)，使用过程未知，当前状态未知。当梯次利用的厂家拿到电池后，如何判断其健康状态和剩余寿命呢？这就需要对每个模组进行测试，先明确其当前的健康状态，然后要根据测试数据和出厂时的原始数据，建立一个对应关系，根据不同的材料体系，大致估算其潜藏的剩余价值。第二种情况，梯次利用的成本会提高很多，测试设备、测试费用、测试时间、分析建模等，都会增加不少的成本，导致梯次利用的经济价值降低。基于有限的数据，对剩余寿命的预测也是不准确的，这无疑又会增加梯次利用产品的品质风险，使得产品的生命周期成本较高。所以，如何做到快速无损的检测，是该种情况下梯次利用的关键所在。3.系统集成技术梯次利用，最合理的应该是拆解到模组级，而不是电芯级，因为电芯之间的连接通常都是激光焊接或其他刚性连接工艺，要做到无损拆解，难度极大，考虑成本和收益，得不偿失。不同批次的电池模组，甚至来自不同厂家的电池模组，如何在同一系统中混用？这里面有几个系统集成技术必须着重考虑并解决：1)分组技术需要对不同的电池模组建立数据库，根据材料体系、容量、内阻、剩余循环寿命等参数重新分组。分组参数设定要合理，过大不好，模组离散性大，成组为系统后，对系统性能和寿命影响很大；过小也不行，分组过于严格，会导致可匹配的模组少，系统集成困难，产品成本很高。2)成组技术什么类型的电池模组可以成组为系统，这需要结合产品定位和目标市场(高端？中端？低端？)，现有电池模组等级和类型，以及产品开发具体目标(性能，寿命等)，建立一个系统级模型，推算出相关的匹配系数，确定产品的总体方案。3)系统柔性设计这里有两个方面需要考虑：系统结构方面，需要充分考虑不同模组可能具有不同的尺寸，重量和串并联数，那么系统内部的结构设计应该是在X，Y，Z轴方向都有很大的弹性，以兼容不同的模组，固定方式既要考虑紧固性和可靠性，又要考虑弹性和便于快速装卸；模组的线束连接方面，多柔性化考虑，做到可快插和快换。4.电池管理系统的鲁棒性(锂)电池管理系统的设计，一直是个世界级的难题，直到目前为止，也没有哪个公司在这个领域做到相当的成熟，最多实现了产业化而已。针对电池组的优化管理，尚无非常有效的解决方案，因为电芯并不是一个特性比较明确的物理系统，而是一个在不断变化的化学系统，其各项参数都与运行工况、外部环境、内部劣化速度相关，随时间在不断的变化。国外在算法和理论研究方面走的比较早，在工程方面也有深厚积累，所以产业相对成熟。国内在BMS软硬件研发方面，起步较晚(最近几年的事情)，理论研究不