動力電池梯級利用的技術(shù)和商業(yè)化探索

1、動力電池梯級利用的技術(shù)和商業(yè)化探索電動汽車資源網(wǎng)2015-11-30 10:33:38新能源汽車 行業(yè)動向 產(chǎn)銷分析閱讀(353)評論(0)聲明：本文由入駐搜狐公眾平臺的作者撰寫，除搜狐官方賬號外，觀點僅代表作者本人，不代表搜狐立場。舉報動力電池梯級利用的技術(shù)和商業(yè)化探索來源：電動汽車資源網(wǎng)特約作者：夏軍一、 井噴的電動汽車市場2014年是中國電動汽車市場正式啟動的元年，此前多年的政策推動、技術(shù)積累、市場需求在這一年達到了共振，使得電動汽車呈現(xiàn)出產(chǎn)銷兩旺的局面。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2014年，中國共生產(chǎn)純電動乘用車3.55萬輛，插電式混合動力乘用車1.7萬輛，純電動商用車1.1

2、萬輛，插電式混合動力商用車1.1萬輛，合計總共生產(chǎn)電動汽車7.45萬輛。進入2015年，狂熱的勢頭有增無減，市場繼續(xù)以令人膛目結(jié)舌的速度快速發(fā)展，據(jù)工信部發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2015年10月，我國新能源汽車產(chǎn)量5.07萬輛，環(huán)比增長55%，同比增長8倍。2015年110月，新能源汽車累計生產(chǎn)20.69萬輛，同比增長3倍。其中，純電動乘用車生產(chǎn)8.71萬輛，同比增長3倍，插電式混合動力乘用車生產(chǎn)4.55萬輛，同比增長3倍；純電動商用車生產(chǎn)5.93萬輛，同比增長9倍，插電式混合動力商用車生產(chǎn)1.50萬輛，同比增長88%。截止到2015年10月底，我國已經(jīng)累計生產(chǎn)各類型新能源汽車超過了32萬輛。整個產(chǎn)業(yè)的

3、發(fā)展速度超過了絕大多數(shù)人的想象，以至于產(chǎn)業(yè)鏈的上下游企業(yè)都沒有做好準備，來迎接如此兇猛的產(chǎn)業(yè)化浪潮。以電動汽車的核心零部件鋰電池為例，產(chǎn)業(yè)最前端的鋰礦并未大規(guī)模擴產(chǎn)，產(chǎn)能不能滿足成倍增長的市場需求，在全球大宗商品持續(xù)走低的情況下，電池級的碳酸鋰價格從年初開始一路走高，由4萬元/噸上漲到7萬元/噸，預(yù)計年底有望上升至8萬元/噸，市場資源極度緊張，常常有價無市。鈷，鎳等稀有金屬資源也在加速去庫存，有可能在明年產(chǎn)生供給缺口，上演鋰資源的上漲行情。中游的電芯企業(yè)，受制于原材料供給不足和產(chǎn)能擴張速度較慢，產(chǎn)品也是供不應(yīng)求的狀態(tài)，成規(guī)模的電芯企業(yè)從今年下半年開始就很少接新的訂單，而是優(yōu)先滿足大客戶的訂單需

4、求。市場的爆炸式發(fā)展，使得所有的企業(yè)都在為了滿足出貨量而加速，為了拿中央和地方政策而奔走，產(chǎn)品的質(zhì)量問題、安全問題、使用問題、服務(wù)問題、售后問題、配套問題層出不窮，一定程度上影響了產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。在市場狂熱的背后，諸多環(huán)節(jié)的不完善，不合理，甚至胡作非為，為電動汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來了重重隱患，埋下了一個個定時炸彈。我們需要仔細思考這些問題，提前采取有效的應(yīng)對措施，避免出現(xiàn)狂熱過后一地雞毛的情況，建立一個產(chǎn)業(yè)可能需要幾十年的時間，而要毀掉一個產(chǎn)業(yè)，也許只需要幾年的時間。二、 退役電池去向何處電動汽車產(chǎn)銷量的爆發(fā)式增長，帶動了動力鋰電池的同比例增長，2014年我國動力鋰電池產(chǎn)量超過4GWh，201

5、5年預(yù)計會超過15GWh，而2016年有望達到25GWh?？紤]當前動力鋰電池市場仍然以磷酸鐵鋰為主，如果以120Wh/kg的重量比能量來計算，2014年的動力電池總重量超過3.4萬噸。按照國務(wù)院的規(guī)劃，到2020年時，新能源汽車市場存量超過500萬輛，以一輛車平均配備20kWh的電池來估算，約有1億kWh（1000 GWh）的鋰離子電池進入汽車市場，如果以重量比能量180Wh/kg（預(yù)測2020年可達到的指標）來計算，市場流通的動力電池總重量高達555萬噸。考慮到鋰電池當中含有鋰、鎳、鈷等稀有金屬，以及有毒有害的電解質(zhì)和其他化學(xué)材料，如果不能進行妥當?shù)幕厥绽?，不但會造成極大的稀有金屬資源浪費

6、，而且會對環(huán)境造成巨大的破壞，與創(chuàng)造環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟背道而馳。一般而言，當動力電池使用一段時間或循環(huán)一定次數(shù)之后，其容量或功率特性衰退較為明顯，無法滿足車用要求，需要從汽車市場退役。但是，退役的動力電池仍然潛藏巨大的剩余價值，其容量和功率仍然可以滿足多種儲能場合的需求，如UPS、通信基站、數(shù)據(jù)中心、電動自行車、風光發(fā)電儲能等應(yīng)用。因此，開展梯級利用技術(shù)研究，充分發(fā)揮動力電池的剩余價值，是非常有必要的。當動力電池的性能衰退到很低的時候，就需要進行報廢處理，提煉有經(jīng)濟價值的稀有金屬資源，對有毒副作用的化學(xué)物質(zhì)進行無毒化處理，徹底消除環(huán)境污染問題。以我國當前動力電池企業(yè)和pack企業(yè)的技術(shù)實

7、力，以及電動汽車整車企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化水平，動力電池的普遍壽命在35年，有些甚至更短。2014年是我國電動汽車發(fā)展的爆發(fā)元年，按照可使用壽命推算，預(yù)計在20172018年左右迎來動力電池集中退役的巨大壓力，將有上萬噸的動力電池退出市場，等待回收處理。 從當前看，相關(guān)企業(yè)約有2年左右的時間，可以在退役電池的回收利用方面做技術(shù)積累和商業(yè)化探索。因此，如何應(yīng)對電動汽車后市場，合理的回收和利用汽車退役下來的動力電池，不是等電動汽車市場發(fā)展到很大規(guī)模之后才去考慮和規(guī)劃的，而是應(yīng)該在當前，進行技術(shù)、市場、產(chǎn)業(yè)、政策、環(huán)保等各方面的研究和實踐，完善電動汽車市場的相關(guān)配套體系建設(shè)。三、 動力電池回收利用的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀國

8、務(wù)院在節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20122020）中明確規(guī)定：“(五)加強動力電池梯級利用和回收管理。制定動力電池回收利用管理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系，明確各相關(guān)方的責任、權(quán)利和義務(wù)。引導(dǎo)動力電池生產(chǎn)企業(yè)加強對廢舊電池的回收利用，鼓勵發(fā)展專業(yè)化的電池回收利用企業(yè)。嚴格設(shè)定動力電池回收利用企業(yè)的準入條件，明確動力電池收集、存儲、運輸、處理、再生利用及最終處置等各環(huán)節(jié)的技術(shù)標準和管理要求。加強監(jiān)管，督促相關(guān)企業(yè)提高技術(shù)水平，嚴格落實各項環(huán)保規(guī)定，嚴防重金屬污染?！钡?，如前文所述，由于電動汽車市場發(fā)展太快，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈遠遠談不上成熟，動力電池回收利用的體系還處在非常原始的階段，

9、目前我國車用動力電池回收利用的現(xiàn)狀是：Ø 前幾年受電動汽車動力電池市場規(guī)模的限制，尚未形成產(chǎn)業(yè)化的回收利用市場，無明確的標準規(guī)范約束，無政府的財政政策扶持Ø 沿用鎳氫、鎳鎘、鉛酸電池的回收處理路線，采用濕法工藝、火法工藝或機械法工藝提取銅、鋁、鋰、鎳、鈷、錳等有價值的金屬Ø 從事回收利用的企業(yè)或單位大多都不具備相關(guān)資質(zhì)和環(huán)保條件，回收行為受利益驅(qū)使，缺乏監(jiān)管和約束Ø 相關(guān)回收企業(yè)規(guī)模小、環(huán)保沒施缺乏、技術(shù)落后，綜合資源利用率低，回收過程對環(huán)境污染嚴重Ø 退役電池大多數(shù)直接報廢，拆解和回收原材料，對梯級利用研究不夠，僅有示范項目，沒有有效的商業(yè)化

10、探索Ø 責任主體不清，利益關(guān)系不清，車主、整車企業(yè)、電池企業(yè)、梯級利用企業(yè)、報廢回收企業(yè)尚未形成一條完整的回收利用產(chǎn)業(yè)鏈為貫徹落實節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）和國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見（國辦發(fā)201435號），引導(dǎo)電動汽車動力蓄電池有序回收利用，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部會同有關(guān)部門，組織研究制定了電動汽車動力蓄電池回收利用技術(shù)政策（2015年版）（征求意見稿）。制定回收利用技術(shù)政策的目的，是指導(dǎo)相關(guān)企業(yè)合理開展電動汽車動力蓄電池的生產(chǎn)及回收利用工作，建立上下游企業(yè)聯(lián)動的動力蓄電池回收利用體系。落實生產(chǎn)者責任延伸制度，電動汽車生產(chǎn)企業(yè)

11、（含進口商，下同）應(yīng)承擔電動汽車廢舊動力蓄電池回收利用的主要責任，動力蓄電池生產(chǎn)企業(yè)（含進口商，下同）應(yīng)承擔電動汽車生產(chǎn)企業(yè)售后服務(wù)體系之外的廢舊動力蓄電池回收利用的主要責任，梯級利用電池生產(chǎn)企業(yè)（以下簡稱“梯級利用企業(yè)”）應(yīng)承擔梯級利用電池回收利用的主要責任，報廢汽車回收拆解企業(yè)應(yīng)負責回收報廢汽車上的動力蓄電池。此外，中國汽車標準化技術(shù)委員會車用動力電池回收利用標準起草工作組已于2015年1月完成車用動力電池回收利用拆解規(guī)范、車用動力電池回收利用余能檢測兩個國家推薦性標準的行業(yè)意見征求，相關(guān)國標的制定工作在穩(wěn)步推進當中。從政策制定者的角度來看，應(yīng)該說政府已經(jīng)充分意識到了建立動力電池回收利用體

12、系的重要性和緊迫性，在標準和規(guī)范方面展開部署，引導(dǎo)相關(guān)的責任企業(yè)建立完善的回收利用產(chǎn)業(yè)鏈。從已收集的梯級利用案例來看，在理論研究和示范工程方面較多，在商業(yè)化推廣方面，國內(nèi)還處在初期的探索階段，國外已有商業(yè)案例。美國創(chuàng)業(yè)公司FreeWire利用退役動力電池研發(fā)移動式充電產(chǎn)品，面向家庭和樓宇，成本可以做到100/kWh，折合人民幣0.6元/Wh，如果規(guī)?；嵘?，成本還可以進一步降低，已經(jīng)具備相當大的經(jīng)濟價值。國內(nèi)的電動汽車龍頭企業(yè)比亞迪也在積極開展梯級利用的商業(yè)化研究，采用退役的動力電池探索大規(guī)模的梯級利用產(chǎn)品，走在了國內(nèi)企業(yè)的前列。針對梯級利用的商業(yè)利益分析和技術(shù)可行性分析，已經(jīng)持續(xù)進行了十年以

13、上，相關(guān)的研究文章和分析報告也為數(shù)不少，已經(jīng)為產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展積累了一定的理論基礎(chǔ)。在示范工程方面，大多集中于分布式發(fā)電、電網(wǎng)儲能和充電站等，多為中大規(guī)模的電池系統(tǒng)，比較適合課題性的研究和成果的展示，在應(yīng)用方面的探索，應(yīng)該集中在工業(yè)和民用領(lǐng)域。四、 動力電池梯級利用的技術(shù)難點分析梯級利用的最大價值在于低成本，以較低的成本，獲得較高的性能，從而在某些應(yīng)用場合獲得良好的經(jīng)濟效益。因此，梯級利用的技術(shù)研究一定要以低成本為核心，脫離這個著眼點，很容易陷入為追求技術(shù)指標而忽略商業(yè)價值的困境，使得梯級利用的商業(yè)運作步履維艱。如果以鉛酸電池的價格作為參考，利用梯級利用的動力電池進行二次開發(fā)，推向市場的模組或系統(tǒng)

14、級產(chǎn)品，其產(chǎn)品單價的合理區(qū)間應(yīng)該在0.50.8元/Wh。要達到這個目標，梯級利用的技術(shù)需要著重考慮幾個方面。1. Pack拆解工藝和規(guī)范從整車退役的動力電池，一般是把Pack從車上整體拆卸下來，在做梯級利用之前，需要將pack拆開，獲得電池模組或電芯?？紤]到電芯之間的連接方式一般都是焊接（激光焊，電阻焊，超聲波焊等），如果要拆解到電芯級別，就會對電芯極柱，電芯外殼，以及電芯內(nèi)部造成不同程度的損傷，有可能造成電芯安全問題或電芯報廢，所以這種方式是不可取的。真正合理的做法是電池模組之間是軟性連接設(shè)計，拆解時只將電池模組拆解出來，而不破壞模組的結(jié)構(gòu)和連接，從而實現(xiàn)真正的無損拆解。不同的車型有不同的p

15、ack設(shè)計，其內(nèi)外部結(jié)構(gòu)設(shè)計，模組連接方式，工藝技術(shù)各不相同，意味著不可能用一套拆解工藝和規(guī)范適合所有pack和模組。在pack拆解方面，就需要進行柔性化的配置，將拆解流水線進行分段細化，針對不同pack，要盡可能復(fù)用現(xiàn)有流水線的工段和工序，以提高作業(yè)效率，降低重復(fù)投資。電池拆解后的分類，標簽，存放，信息錄入和追溯等相關(guān)工作對于產(chǎn)業(yè)化非常重要，需要探索合理和高效的方式。在拆解作業(yè)時，存在大量的人工作業(yè)，如果操作不當，可能會發(fā)生短路、漏液等各種安全問題，進而可能造成起火或爆炸，導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失。 所以，如何保證作業(yè)安全，降低事故隱患，也是大規(guī)模pack拆解所必須解決的問題。2. 電池模組余

16、能預(yù)測如果動力電池在使用期間，其相關(guān)運行數(shù)據(jù)有完整記錄，結(jié)合電池的出廠數(shù)據(jù)，可以建立電池模組的簡單壽命模型，能夠大致估算出，在特定運行條件下電池模組的剩余壽命。這種方式，可以節(jié)約檢測時間和費用。如果動力電池的使用情況無數(shù)據(jù)記錄，或者無法拿到使用數(shù)據(jù)，僅有出廠時的原始數(shù)據(jù)（如標稱容量、電壓、額定循環(huán)壽命等），需要對每個模組進行測試、均衡、計算，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和出廠時的原始數(shù)據(jù)，建立一個對應(yīng)關(guān)系，大致估算其剩余壽命。針對這種情況，每一個模組的測試時間，測試費用，都會影響梯級利用的成本。測試設(shè)備、測試場地、測試費用、測試時間、分析建模等，都會增加不少的成本，導(dǎo)致梯次利用的經(jīng)濟價值降低。如何快速、準確的

17、估算電池模組的剩余壽命，是動力電池梯級利用的關(guān)鍵所在。3. 系統(tǒng)集成技術(shù)l 模組分組技術(shù)需要根據(jù)運行數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)對不同的電池模組建立數(shù)據(jù)庫，根據(jù)材料體系、容量、內(nèi)阻、剩余循環(huán)壽命等參數(shù)對模組重新分組。模組分組參數(shù)的合理性，直接影響到后面重新組合的系統(tǒng)性能，具體如何確定相關(guān)參數(shù)，需要做大量的研究工作，兼顧成本和性能。l 系統(tǒng)成組技術(shù)基于電池模組的分組等級和類型，以及產(chǎn)品開發(fā)具體目標，建立一個系統(tǒng)級模型，推算出相關(guān)的匹配系數(shù)，確定產(chǎn)品的總體方案。l 結(jié)構(gòu)柔性化設(shè)計技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該兼容不同的模組，固定方式既要考慮緊固性和可靠性，又要考慮彈性和便于快速裝卸；模組的線束連接多柔性化考慮，做到可快插

18、和快換。l BMS的魯棒性BMS需做到模塊化、標準化和智能化，能夠自適應(yīng)各種類型的模組，并能夠自我學(xué)習，在運行過程中為模組和電芯建立模型，做到智能化的監(jiān)控、預(yù)測、診斷、報警和各類在線服務(wù)。軟件的升級可在線進行，并可遠程升級。4. 安全性和可靠性由于大多數(shù)電芯都已進入生命周期的中后期，其老化（劣化）速度不一，并且情況較剛出廠的電池要惡劣的多，突出表現(xiàn)為容量和內(nèi)阻的差異越來越大，導(dǎo)致系統(tǒng)在可用容量和充放電功率方面越來越弱，可靠性問題嚴重。這種老化速度的離散性變化趨勢，嚴重時會使得產(chǎn)品的性能和壽命遠低于預(yù)期，增加產(chǎn)品的使用風險和售后風險。拆解后的電池模組，僅通過目視檢查，是無法發(fā)現(xiàn)一些安全缺陷的，如

19、輕微脹氣、漏液、內(nèi)短路、外殼破損、絕緣失效、極柱腐蝕等。采取簡單、快速而有效的檢查措施為拆解后的電池模組進行安全“體檢”，這是非常重要的測試工序。另外，在新產(chǎn)品運行過程中，BMS仍然承擔著電池“家庭醫(yī)生”的角色，必須時刻對安全狀態(tài)進行監(jiān)控，排查隱患，及時采取措施。所以，針對梯級利用的產(chǎn)品，BMS的安全性和可靠性檢測功能要予以強化，通過電子手段有效監(jiān)控和保障產(chǎn)品的安全性和可靠性。5. 成本控制如何做到良好的成本控制，將系統(tǒng)成本做到新電池產(chǎn)品的三分之一，甚至更低，將直接決定梯次利用產(chǎn)業(yè)化前景。如何以較低的成本拿到電池pack，如何針對不同pack復(fù)用流水線和工藝，如何簡化測試，如何快速建模等，都會影響后續(xù)的產(chǎn)品成本。在產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)集成是關(guān)鍵，電池模組混用、系統(tǒng)柔性化設(shè)計、BMS魯棒性設(shè)計等，都能有效降低產(chǎn)品物料成本。在產(chǎn)品的運維環(huán)節(jié)，如何確定合理的質(zhì)保年限，做到智能化的管理，遠程診