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。化学体系、各种规格和批次、各个生产厂家、各种健康状态的电池模组，如何进行有效的管理，确保他们在今后的岁月中健康工作，安度晚年？在硬件方面，应确保BMS的硬件归一化设计，兼容各种不同的模组，而不必针对不同的模组和产品，开发多种规格的硬件产品。这样可以简化BMS的硬件开发、升级和维护，降低产品的成本。在软件方面，需要做到底层软件模块化、标准化和固定化，应用层软件做到模块化、标准化和智能化，能够自适应各种类型的模组，并能够自我学习，在运行过程中为模组和电芯建立模型，做到智能化的监控、预测、诊断、报警和各类在线服务。软件的升级可在线进行，并可远程升级。5.成本控制毫无疑问，成本是梯次利用的最大优势，也是梯次利用经济效益的来源。那么如何做到良好的成本控制，将系统成本做到新电池产品的三分之一，甚至五分之一，将直接决定梯次利用是否能够发展成为一个庞大的产业。在原材料环节，如何以较低的成本拿到电池pack，如何降低pack和模组拆解的难度，如何针对不同pack复用流水线和工艺，如何简化测试，如何建立电池模型等，都会影响后续的产品成本。在产品开发环节，如上面所讲，系统集成是关键，电池模组混用、系统柔性化设计、BMS鲁棒性设计等，都能有效降低产品物料成本。在产品的运维环节，如何确定合理的质保年限，做到智能化的管理，远程诊断和维护等，都会影响产品的生命周期成本。6.产业链整合动力电池的梯次利用产业链，涉及到用户(车主或商业运营单位)、车企、动力电池企业、梯次利用企业，如何创造一个共生共赢的产业链生态圈，是必须要考虑的。如果仅仅是后端的梯次利用企业获利，那么用户、车企、以及动力电池企业，就没有足够的动力去参与和推动动力电池的梯次利用，产业规模就难以起来。这既需要政府层面建立相关规范和标准，也需要产业链各环节的企业，一起紧密合作，尝试成立电动汽车后市场的产业联盟，大家一起来参与，才能推动产业健康发展。7.商业模式创新对于动力电池的梯次利用衍生产品，客户在知情的情况下，会对产品的性能、寿命、可靠性、安全性等心存疑虑，产品的推广会存在一定的阻碍。在产品的推广和应用方面，要充分考虑客户的现状和诉求，多种商业运作方式相结合，在充分帮助客户获利的基础上，获得自己的利益。可充分借鉴其他行业的一些成功经验，如分期付款、分时租赁、盈利后结算、托管运营、甚至免费供货(靠后续增值服务)等，探索梯次利用方面的有效商业模式。二、可靠性与安全性难题1.电芯的容量和内阻离散性即使经过严格筛选的退役电池模组，在重新配对成组为系统之后，由于大多数电芯都已进入生命周期的中后期，其老化(劣化)速度不一，并且情况较刚出厂的电池要恶劣的多，突出表现为容量和内阻的差异越来越大，导致系统在可用容量和充放电功率方面越来越弱，可靠性问题严重。这种老化速度的离散性变化趋势，严重时会使得产品的性能和寿命远低于预期，增加产品的售后风险。那么在技术研究上面，除了上述已经谈到了的分组和成组技术，还需要结合BMS的智能化管理和电力电子的功率变换技术，通过BMS在运行过程中去“感知”这种变化趋势，并找出系统的短板，再通过电力电子技术去平衡或弥补“缺陷”，一定程度而言，可以延缓这种加速老化的趋势，延长使用寿命。2.潜在的安全隐患针对拆借后的电池模组，仅通过目视检查，是无法发现一些安全缺陷的，如轻微胀气、漏液、内短路、外壳破损、绝缘失效、极柱腐蚀等。如果这些安全缺陷不被检查出来，相关模组用到新产品中，那么会导致新产品存在较为严重的安全隐患。采取简单、快速而有效的检查措施为拆解后的电池模组进行安全“体检”，这是非常重要的测试工序。在新产品运行过程中，BMS仍然承担着电池“家庭医生”的角色，必须时刻对安全状态进行监控，排查隐患，及时采取措施。在梯次利用市场，BMS的安全检测功能显得尤为重要，如同人到中年，身体自然不如年轻人那么健康，及时体检，能够发现大多数疾病的前兆。三、梯次利用的市场和商业前景电动汽车动力电池的梯次利用，必须找到适合的市场，并能够产生良好的经济效益，这样才能推动产业化的发展，实现真正的变废为宝，最大限度的挖掘剩余价值。这个市场，不能是远期的市场，而应该是当前存在的市场，且退役的动力电池在该市场中具备一定的产品竞争优势，使得该市场中的相关企业有足够的利益驱动，采用梯次利用的动力电池组作为部件。经过初步的分析，我们找到了动力电池梯次利用的3个潜在市场，这些市场既有足够大的规模，也与电池产业息息相关(其主要部件就是电池组)，动力电池的梯次利用技术可以与这些市场实现无缝对接，快速实现产业化。锂电池的回收过程中面临的一些问题，就是隔膜和电解液难以回收，负极回收价值也不是特别高，正极的回收价值比较高。现在国家路线是提升电池高比能量，使得目前整个电池材料的发展是朝着一个高镍材料的方向发展，相比与钴元素，我们未来整个电池回收在元素方面的回收积极性或价值会逐渐的降低。电池回收可以分为梯级利用和再生利用。梯级利用是我司重点考虑的问题，我希望电池包可以实现整包级别或者模组级别的梯级利用。对于单体级别梯级利用是不看好的，如果单体拆解一整套的流程走下来，一方面成本比较高，另一方面在整个电芯拆解的过程中，势必会用到各种切割或则打磨，可能会产生察觉不到的各种各样的问题，可能对电池的性能会产生巨大的影响。虽然我们倾向于电池包级别，进行梯级利用，但面对的问题是比较多的，其中最主要的问题，是否有这样的市场可以匹配我们的电池系统级别的运用。目前来看，电池包经过简单的拆解得到电池模组，我们目前是比较看好这块的，因为模块层级扩展性比较好，可以适用于不同的市场。在梯次利用方面，我们需要解决一些比较大的科学技术问题：第一个是梯级电池的分选技术问题，对于专业的电池汽车来说，我司可以把分选技术做的很好。一方面，我们比较了解我们的电芯，另一方面我们有相应的检测设备，保证我们的电芯可以得到比较好的分选，从而保证梯级利用的寿命和较低的成本；第二个需要关注的问题是梯级目标市场的匹配性，如何找到匹配的市场来使用我们梯级的电池包或者电池模组，而不需要拆解到电芯才能得到应用。第三是梯级电池成组的技术，我们已有相应的新电池产线，可以适用于梯级电池成组，因此，这方面不是一个问题。第四面临的另一重大问题是电池管理系统的可重复利用性，现有的BMS都是针对某一个电动汽车而进行的设计，大部分采用一些主从式或集中式的电池管理系统模块，而这又不适用于储能应用。后期我们的规划分布式的电池管理系统，模组梯级利用时，匹配一个相对来说扩展性比较好的主板，就可以实现对整个的储能应用系统的的管理。在再生利用方面，目