鋰電池梯次利用

1、背景近年來,受益于政策、補貼,我國新能源汽車呈現(xiàn)快速增長,進而導致動力鋰電池的需求量和報廢量不斷增長.統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2021年中國鋰電池總產(chǎn)量47.13Gwh,其中,動力電池產(chǎn)量16.9Gwh,占比36.07%消費鋰電池產(chǎn)量23.69Gwh,占比50.26%儲能鋰電池產(chǎn)量1.73Gwh,占比3.67%?報告?測算,到2021年動力鋰電池的需求量將到達125Gwh,報廢量將達32.2Gwh,約50萬噸；到2023年,報廢量將到達101Gwh,約116萬噸.當前,電池金屬材料資源的供需不平衡正逐漸顯現(xiàn).隨著新能源車下游需求逐步明確,國內(nèi)動力電池廠商2021-2021年紛紛擴大產(chǎn)能,尤其是三元電池的

2、擴張,進一步提升了對鉆的需求因此從廢舊電池中回收再利用鉆也越來越具有經(jīng)濟性.對企業(yè)而言,動力電池回收蘊藏著巨大的商機,經(jīng)過回收處理,可以為電池生產(chǎn)商節(jié)約原材料本錢.止匕外,動力電池回收還與政府建設低碳經(jīng)濟和環(huán)境友好型社會密切相關.電動汽車的動力電池性能會隨著充電次數(shù)的增加而衰減,當電池容量衰減至額定容量的80蛆下時,動力電池就不適于應用在電動汽車上,這意味著其在電動汽車上的使用壽命終止.如果直接將電池淘汰,必將造成資源的嚴重浪費,同時也會導致環(huán)境污染.國標GB/T34013-2021?電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸?明確規(guī)定了電動汽車用動力蓄電池的單體、模塊和標準箱尺寸規(guī)格要求.這一標準可有

3、效解決此前存在于動力電池梯次利用中,動力電池由于尺寸不一難以匹配儲能電站或家用儲能設備結構的難題,也降低了動力電池的梯次回收利用的門檻.國標GB/T34014-2021?汽車動力蓄電池編碼規(guī)那么?規(guī)定了動力電池編碼根本原那么、編碼對象、代碼結構和數(shù)據(jù)載體.該標準發(fā)布,可在動力電池生產(chǎn)治理、維護和溯源、電動汽車關鍵參數(shù)監(jiān)控,特別是在動力電池回收利用環(huán)節(jié),憑借可追溯性和唯一性,更加準確地確定動力電池回收的責任主體.國標GB/T34015-2021?車用動力電池回收利用余能檢測?.那么標準了動力電池外觀檢查、極性檢測、電壓判別、充放電電流判別、余能測試等檢測流程,為車用動力電池的余能檢測提供評價依據(jù)

4、,有助于提升廢舊動力蓄電池余能檢測的平安性和科學性.隨著新能源汽車保有量的增長,動力鋰電池的梯次利用和回收成為一個必須面對的問題.在動力鋰電池梯次利用和回收尚未開展成熟的情況下,運營模式就顯得尤為重要,這關乎本錢和盈利等企業(yè)切身利益.目前國內(nèi)已有企業(yè)在動力鋰電池的梯次利用和回收方面展開布局,運營模式也各有不同.動力電池梯次利用的意義在于從電池原材料一電池一電池系統(tǒng)一汽車應用一二次利用一資源回收一電池原材料的電池全生命周期使用角度考慮,可以降低電池本錢,防止環(huán)境污染.針對退役的動力電池,有兩種可行的處理方法.一種是直接作為工業(yè)廢品,進行報廢和拆解,提煉其中的原材料,實現(xiàn)原材料的循環(huán)利用.另一種方

5、式那么是考慮退役的動力電池,雖然已經(jīng)不滿足汽車的使用條件,但仍然擁有一定的余能,其壽命并未完全終止,可以用在其他領域作為電能的載體使用,從而充分發(fā)揮其剩余價值.退役電池單體之間存在差異,尤其是均勻性上,有時候能量的衰減是非線性、斷崖式的,就如同木桶理論一一最短的木板起決定作用,最差的電池那么決定了整個儲能系統(tǒng)的性能目前我國動力電池回收處理技術開展較為成熟,但治理相對落后,阻礙了動力電池回收產(chǎn)業(yè)的開展.主要表現(xiàn)在：回收網(wǎng)絡不健全,回收網(wǎng)絡主要由中小回收公司組成,難以得到有效回收；回收企業(yè)規(guī)模較小,工藝水平不健全,較難保證資源回收效率；存在沒有經(jīng)營許可的企業(yè)非法從事廢舊動力電池回收,帶來安全和環(huán)保

6、隱患.據(jù)了解,目前國內(nèi)外對廢舊鋰離子電池的回收過程是：首先徹底放電,然后對電池進行拆解別離出正極、負極、電解液和隔膜等各組成局部,再對電極材料進行堿浸出、酸浸出、除雜后進行萃取以實現(xiàn)有價金屬的富集.梯次利用梯次利用的前提首先從全生命周期追溯.如果不解決電池使用過程中到底怎么使用的、使用狀況是什么樣的,梯次利用也無從談起.梯次利用技術難點一是探索最正確配組方案,標準模組直接梯次利用是最正確方案,單只問題電芯導致模組需要拆解并重新組合.難點二是集中式大型儲能電站平安性.磷酸鐵鋰電芯的大規(guī)模儲能梯次利用是可行的,退役的三元電芯的集中式儲能方案不現(xiàn)實,適合直接資源化回收.難點三是BMS元器件老化,電子

7、元器件的老化失效需要技術驗證.2021年日本東芝提出對SC舊電池進行二次利用.2021年之后,國內(nèi)眾多動力電池企業(yè)、電動汽車企業(yè)也都積極開展動力電池梯次利用根底研究.電動汽車市場化快速開展讓動力電池的梯次利用有了現(xiàn)實需求,研發(fā)及應用逐漸增多.電動汽車的梯次利用要考慮到電動汽車的復雜性,但技術上總體可行.在工程示范應用方面,國網(wǎng)建有30KW/1MWh梯次利用鈕酸鋰電池儲能系統(tǒng)和250KW/1MWh梯次利用磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng).總體來講,我們需要關注三個方面的問題：技術性可行性方面：包括老化程度、后期衰退、平安性、可靠性,涉及到老化、失效機理,后續(xù)壽命,平安性、可靠性檢測、分級篩選技術、工況測試,

8、重組與治理技術等方面,但相關標準目前仍缺失.經(jīng)濟可行性方面,包括舊電池本錢計運輸/檢測、重組本錢,新電池本錢的快速降低,低本錢的競爭性儲能技術,再利用的收益,需要快速檢測/分選/成本技術,電池系統(tǒng)組件綜合再利用等.市場方面,所有權復雜、電池殘值、風險責任、電力市場,這方面還需要政府支撐與扶持,產(chǎn)業(yè)界的積極響應和.總體來說,隨著動力電池技術進步和性能的提升,相關標準的逐步完善,都利于其梯次利用.而動力電池梯次利用的經(jīng)濟性隨著儲能市場的開展及電池梯次利用規(guī)模化的應用,也逐漸顯現(xiàn).在回收工藝方面,我們實現(xiàn)了電池平安無污染的拆解,通過堿液中和去除電解液,對堿液也進行處理和再利用,同時也實現(xiàn)正負極、隔膜

9、等所有材料的有效別離,對堿液實現(xiàn)全收集和凈化處理.創(chuàng)新之處是堿液中和,無高溫煨燒,無煙塵、尾氣排放,實現(xiàn)100附離,同時適用于LFP與三元電池回收處理.但同時也存在挑戰(zhàn),即設備自動化低和處理效率低.從整個投入來看,回收處理1噸廢舊電池的花費約在5575元,回收處理1噸廢舊三元電池的收益為5900元.三元電池回收可實現(xiàn)預期經(jīng)濟效益,LFP電池回收,須通過提升回收處理效率以期實現(xiàn)經(jīng)濟效益平衡.總而言之,要實現(xiàn)鐵鋰電池回收,回收效率是一個關鍵.我國正處于電池梯次利用的起步階段,技術難點還有重組技術、壽命預測和離散整合技術等.壽命預測是整個梯次利用產(chǎn)品技術的關鍵點,如果不掌握產(chǎn)品的使用壽命,試問如何為

10、客戶提供質(zhì)量保證呢所以從電池企業(yè)的角度出發(fā),攻克壽命預測技術是梯次利用工程的重中之重.當然,壽命預測技術之所以難,是由于很多關鍵技術集中表達,如衰減機理、檢測、消耗量等.還有一個難點,在不同的情況、不同的地區(qū)環(huán)境和工況下,電池的消耗速率并不一樣,同一時間退役的一批電池,將出現(xiàn)不同的衰減速率,而將分布不均勻的電池重新應用于一個產(chǎn)品中,對于整個行業(yè)來講,這是一個難點.離散整合技術的關鍵點就是在治理系統(tǒng)里如何讓系統(tǒng)更有效地應用剩余的能量,目前業(yè)內(nèi)都在集中力量攻克這個難點,重點解決不同的離散程度的電池包如何在一個系統(tǒng)里高效運行.電池材料回收方面,寧德時代與具備材料回收資質(zhì)的企業(yè)合作.從操作流程來講,主

11、要包括電池包分類、拆解及材料回收三步驟.目前,針對材料回收的拆解環(huán)境、運輸條件,企業(yè)都在制定標準,今年可推出材料回收和包裝運輸?shù)臉藴?方案在2021年推行一系列梯次利用標準.具體而言,電池拆解是通過破碎變成電極粉,再將相關金屬進行回收；材料回收主要是通過電極粉、經(jīng)過酸堿、萃取,然后變成三元材料,最終呈現(xiàn)的產(chǎn)物是硫酸鍥、硫酸銳、硫酸鉆等.對此,保證回收過程也是環(huán)?；厥帐呛饬刻荽卫玫囊粋€重要標準,因此過程監(jiān)控顯得非常重要.基于此,國家對場地、拆解環(huán)境、拆解設備、拆解人員做出相應的要求,企業(yè)在制定標準時也涉及到設備、人員資質(zhì)、拆解環(huán)境、油水別離等問題.總而言之,材料回收在保證環(huán)保的同時,要到達較高

12、的回收率.最后,電池材料回收是通過“物理+化學的方法,整車企業(yè)無須過多考慮后端處理的問題.相對而言,梯次利用更能夠發(fā)揮產(chǎn)品的最大價值,實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的利益最大化,是更為綠色和環(huán)保的做法.但梯次利用所面臨的難題和挑戰(zhàn)也非常的多,如果不能有效解決,就不能實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化.1 .電池拆解動力電池退役時,是整個pack從車上拆解下來的.不同的車型有不同的電池pack設計,其內(nèi)外部結構設計,模組連接方式,工藝技術各不相同,意味著不可能用一套拆解流水線適合所有的電池pack和內(nèi)部模組.那么,在電池拆解方面,就需要進行柔性化的配置,將拆解流水線進行分段細化,針對不同的電池pack,在制定拆解操作流程時,要盡可

13、能復用現(xiàn)有流水線的工段和工序,以提升作業(yè)效率,降低重復投資.在拆解作業(yè)時,不可能完全實現(xiàn)自動化,必然存在大量的人工作業(yè),而pack本身是高能量載體,如果操作不當,可能會發(fā)生短路、漏液等各種平安問題,進而可能造成起火或爆炸,導致人員傷亡和財產(chǎn)損失.因此,采取什么樣的舉措和方法,保證電池拆解過程中的平安作業(yè),是梯次利用的一個重點.2 .剩余壽命預測這里分兩種情況考慮,一種是動力電池在服役期間,其相關運行數(shù)據(jù)有完整記錄,那么當梯次利用的廠家拿到這些數(shù)據(jù)之后,結合電池的出廠數(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根據(jù)所設定的終止條件o另一種情況就惡劣的多

14、了,動力電池的使用情況并無數(shù)據(jù)記錄,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,使用過程未知,當前狀態(tài)未知.當梯次利用的廠家拿到電池后,如何判斷其健康狀態(tài)和剩余壽命呢這就需要對每個模組進行測試,先明確其當前的健康狀態(tài),然后要根據(jù)測試數(shù)據(jù)和出廠時的原始數(shù)據(jù),建立一個對應關系,根據(jù)不同的材料體系,大致估算其潛藏的剩余價值.第二種情況,梯次利用的本錢會提升很多,測試設備、測試費用、測試時間、分析建模等,都會增加不少的本錢,導致梯次利用的經(jīng)濟價值降低.基于有限的數(shù)據(jù),對剩余壽命的預測也是不準確的,這無疑又會增加梯次利用產(chǎn)品的品質(zhì)風險,使得產(chǎn)品的生命周期本錢較高.所以,如何做到快速無損的檢測,

15、是該種情況下梯次利用的關鍵所在.3.系統(tǒng)集成技術梯次利用,最合理的應該是拆解到模組級,而不是電芯級,由于電芯之間的連接通常都是激光焊接或其他剛性連接工藝,要做到無損拆解,難度極大,考慮本錢和收益,得不償失.不同批次的電池模組,甚至來自不同廠家的電池模組,如何在同一系統(tǒng)中混用這里面有幾個系統(tǒng)集成技術必須著重考慮并解決：1分組技術需要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)重新分組.分組參數(shù)設定要合理,過大不好,模組離散性大,成組為系統(tǒng)后,對系統(tǒng)性能和壽命影響很大；過小也不行,分組過于嚴格,會導致可匹配的模組少,系統(tǒng)集成困難,產(chǎn)品本錢很高.2成組技術什么類型的電池模

16、組可以成組為系統(tǒng),這需要結合產(chǎn)品定位和目標市場高端中端低端,現(xiàn)有電池模組等級和類型,以及產(chǎn)品開發(fā)具體目標性能,壽命等,建立一個系統(tǒng)級模型,推算出相關的匹配系數(shù),確定產(chǎn)品的總體方案.3系統(tǒng)柔性設計這里有兩個方面需要考慮：系統(tǒng)結構方面,需要充分考慮不同模組可能具有不同的尺寸,重量和串并聯(lián)數(shù),那么系統(tǒng)內(nèi)部的結構設計應該是在X,Y,Z軸方向都有很大的彈性,以兼容不同的模組,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；模組的線束連接方面,多柔性化考慮,做到可快插和快換.4 .電池治理系統(tǒng)的魯棒性鋰電池治理系統(tǒng)的設計,一直是個世界級的難題,直到目前為止,也沒有哪個公司在這個領域做到相當?shù)某?/p>

17、熟,最多實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化而已.針對電池組的優(yōu)化治理,尚無非常有效的解決方案,由于電芯并不是一個特性比擬明確的物理系統(tǒng),而是一個在不斷變化的化學系統(tǒng),其各項參數(shù)都與運行工況、外部環(huán)境、內(nèi)部劣化速度相關,隨時間在不斷的變化.國外在算法和理論研究方面走的比擬早,在工程方面也有深厚積累,所以產(chǎn)業(yè)相對成熟.國內(nèi)在BMS軟硬件研發(fā)方面,起步較晚最近幾年的事情,理論研究缺乏,工程應用是小步快跑,整體資源投入缺乏,各家企業(yè)都還沒有非常穩(wěn)定可靠的解決方案.在梯次利用領域,BMS所要面對的情況,比汽車領域更為復雜.面對各種化學體系、各種規(guī)格和批次、各個生產(chǎn)廠家、各種健康狀態(tài)的電池模組,如何進行有效的治理,保證他們在今

18、后的歲月中健康工作,安度晚年在硬件方面,應保證BMS的硬件歸一化設計,兼容各種不同的模組,而不必針對不同的模組和產(chǎn)品,開發(fā)多種規(guī)格的硬件產(chǎn)品.這樣可以簡化BMS的硬件開發(fā)、升級和維護,降低產(chǎn)品的本錢.在軟件方面,需要做到底層軟件模塊化、標準化和固定化,應用層軟件做到模塊化、標準化和智能化,能夠自適應各種類型的模組,并能夠自我學習,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、預測、診斷、報警和各類在線效勞.軟件的升級可在線進行,并可遠程升級.5 .本錢限制毫無疑問,本錢是梯次利用的最大優(yōu)勢,也是梯次利用經(jīng)濟效益的來源.那么如何做到良好的本錢限制,將系統(tǒng)本錢做到新電池產(chǎn)品的三分之一,甚至五

19、分之一,將直接決定梯次利用是否能夠開展成為一個龐大的產(chǎn)業(yè).在原材料環(huán)節(jié),如何以較低的本錢拿到電池pack,如何降低pack和模組拆解的難度,如何針對不同pack復用流水線和工藝,如何簡化測試,如何建立電池模型等,都會影響后續(xù)的產(chǎn)品本錢.在產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié),如上面所講,系統(tǒng)集成是關鍵,電池模組混用、系統(tǒng)柔性化設計、BMS魯棒性設計等,都能有效降低產(chǎn)品物料本錢.在產(chǎn)品的運維環(huán)節(jié),如何確定合理的質(zhì)保年限,做到智能化的治理,遠程診斷和維護等,都會影響產(chǎn)品的生命周期本錢.6 .產(chǎn)業(yè)鏈整合動力電池的梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈,涉及到用戶車主或商業(yè)運營單位卜車企、動力電池企業(yè)、梯次利用企業(yè),如何創(chuàng)造一個共生共贏的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)

20、圈,是必須要考慮的.如果僅僅是后端的梯次利用企業(yè)獲利,那么用戶、車企、以及動力電池企業(yè),就沒有足夠的動力去參與和推動動力電池的梯次利用,產(chǎn)業(yè)規(guī)模就難以起來.這既需要政府層面建立相關標準和標準,也需要產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的企業(yè),一起緊密合作,嘗試成立電動汽車后市場的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,大家一起來參與,才能推動產(chǎn)業(yè)健康開展.7 .商業(yè)模式創(chuàng)新對于動力電池的梯次利用衍生產(chǎn)品,客戶在知情的情況下,會對產(chǎn)品的性能、壽命、可靠性、平安性等心存疑慮,產(chǎn)品的推廣會存在一定的阻礙.在產(chǎn)品的推廣和應用方面,要充分考慮客戶的現(xiàn)狀和訴求,多種商業(yè)運作方式相結合,在充分幫助客戶獲利的根底上,獲得自己的利益.可充分借鑒其他行業(yè)的一些成功經(jīng)

21、驗,如分期付款、分時租賃、盈利后結算、托管運營、甚至免費供貨靠后續(xù)增值效勞等,探索梯次利用方面的有效商業(yè)模式.二、可靠性與平安性難題1 .電芯的容量和內(nèi)阻離散性即使經(jīng)過嚴格篩選的退役電池模組,在重新配對成組為系統(tǒng)之后,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期,增加產(chǎn)品的售后風險.那么在技術研究上面,除了上述已經(jīng)談到了的分組和成組技術,還需要結合BMS的智能化治理和電力電子的功率變

22、換技術,通過BMS在運行過程中去感知這種變化趨勢,并找出系統(tǒng)的短板,再通過電力電子技術去平衡或彌補缺陷,一定程度而言,可以延緩這種加速老化的趨勢,延長使用壽命.2 .潛在的平安隱患針對拆借后的電池模組,僅通過目視檢查,是無法發(fā)現(xiàn)一些平安缺陷的,如稍微脹氣、漏液、內(nèi)短路、外殼破損、絕緣失效、極柱腐蝕等.如果這些平安缺陷不被檢查出來,相關模組用到新產(chǎn)品中,那么會導致新產(chǎn)品存在較為嚴重的平安隱患.采取簡單、快速而有效的檢查舉措為拆解后的電池模組進行平安“體檢,這是非常重要的測試工序.在新產(chǎn)品運彳T過程中,BMS仍然承當著電池家庭醫(yī)生的角色,必須時刻對平安狀態(tài)進行監(jiān)控,排查隱患,及時采取舉措.在梯次利

23、用市場,BMS的平安檢測功能顯得尤為重要,如同人到中年,身體自然不如年輕人那么健康,及時體檢,能夠發(fā)現(xiàn)大多數(shù)疾病的前兆.三、梯次利用的市場和商業(yè)前景電動汽車動力電池的梯次利用,必須找到適合的市場,并能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益,這樣才能推動產(chǎn)業(yè)化的開展,實現(xiàn)真正的變廢為寶,最大限度的挖掘剩余價值.這個市場,不能是遠期的市場,而應該是當前存在的市場,且退役的動力電池在該市場中具備一定的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢,使得該市場中的相關企業(yè)有足夠的利益驅(qū)動,采用梯次利用的動力電池組作為部件.經(jīng)過初步的分析,我們找到了動力電池梯次利用的3個潛在市場,這些市場既有足夠大的規(guī)模,也與電池產(chǎn)業(yè)息息相關其主要部件就是電池組,動力電

24、池的梯次利用技術可以與這些市場實現(xiàn)無縫對接,快速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.鋰電池的回收過程中面臨的一些問題,就是隔膜和電解液難以回收,負極回收價值也不是特別高,正極的回收價值比擬高.現(xiàn)在國家路線是提升電池高比能量,使得目前整個電池材料的開展是朝著一個高鍥材料的方向開展,相比與鉆元素,我們未來整個電池回收在元素方面的回收積極性或價值會逐漸的降低.電池回收可以分為梯級利用和再生利用.梯級利用是我司重點考慮的問題,我希望電池包可以實現(xiàn)整包級別或者模組級別的梯級利用.對于單體級別梯級利用是不看好的,如果單體拆解一整套的流程走下來,一方面本錢比擬高,另一方面在整個電芯拆解的過程中,勢必會用到各種切割或那么打磨,可能會產(chǎn)生發(fā)覺不到的各種各樣的問題,可能對電池的性能會產(chǎn)生巨大的影響.雖然我們傾向于電池包