动力电池梯次利用?我们再研究研究吧

老张

随着新能源汽车的发展,动力电池的“善后”工作也逐渐进入了人们视线。电池回收与梯次利用,成为了近几天电池界的热门话题。什么叫梯次利用呢?南孚电池的广告里所说的:“把玩具里拆下来的电池,放到遥控器里接着用。”就是典型的梯次利用模型。

电池回收处理掉就好了,为什么梯次利用呢。有以下三个原因:

第一,锂电池成本在新能源汽车成本中,占有较高比重。锂电池成本过高,是制约新能源汽车发展的一个重要因素。锂电池正常的使用寿命可能只有三到五年,通过梯次利用,延长锂电池的寿命,可达到降低成本的目的。

第二,如果将到达使用寿命的锂电池,直接淘汰,会造成很大的浪费。比如2014年当年,新能源汽车的销售量为7万辆,未来五年,以这个速度增长的话,到2020年,新能源汽车的保有辆将超过40万辆。如果平均单台车配备20kWh的动力电池,衰减后,平均每辆车的容量仍然有15KWh的话,即使只回收了一半,就相当于回收了3000MWh的电池。如果这些电池都进入了垃圾桶,实在是一笔很大的浪费。

动力电池

一般电动汽车动力电池衰减后平均每辆车的电池容量仍然有15KWh

第三,对于储能市场而言,成本同样是制约产业商业化发展的关键因素,因此对于低成本的储能方案的需求也非常迫切,如果能通过梯次利用得到低成本的电池解决方案,对储能行业发展也是非常有利的。

电池梯次利用的可行性问题,有过不止一次的论证。

首先,动力电池是成组使用的,可能会由于几支电芯的失效,而使得整组电池无法使用。这就意味着,这个电池组中,仍有一些电芯的性能是正常的。

其次,很多机构对回收的电池,做了大量的数据测试发现,很多退役动力电池,不论从容量、性能和循环寿命上看,仍有着尚可的表现。

这一切,都为动力电池梯次利用技术角度上的可行性提供了坚实的证据。

在国内外,梯次利用也是一个正处于研究过程中的状态,虽然有一些梯次利用的案例,但是这些案例多是示范性质的。比如北京市科委的“电动汽车锂离子电池系统全生命周期利用技术研究与示范”项目组利用退役的动力电池,在电动场地车、电动叉车和电力变电站直流系统上进行改装示范,经实测回收电池性能上相比传统铅酸电池有一定优势,且经济性较好。

日本的4R Energy株式会社将回收的电池应用于储能,开发了标称功率分别为12、24、48、72、96kW的家用和商用储能产品。这家公司是由日产和住友电工合资成立的,所以聆风电动车上退役的动力电池是他们主要的回收对象。美国的杜克能源、EnerDel、日本的伊藤忠商事,也在回收容量低于80%的退役电池,推广家用储能设备。

在这里要重点提一下美国国家可再生能源实验室(NREL)开展的锂电池梯次利用的研究项目,其中指出了车用锂电池在回收过程中的价值评估问题。一般的说,车用锂电池回收应用场合多实在电力系统(包括并网型和离网型)、家用和商用储能系统以及一些移动储能方面,并指出了二次电池若要保证经济性,一定要保证应用于经济价值较高的领域,同时也需要与电池使用条件相对匹配。

其他诸如加州理工大学、美国西北太平洋国家实验室也进行了大量的研究,主要针对不同体系电池二次利用的性能表现、电池的可靠性、电池的成本等方面做了大量的研究,由于篇幅问题,在此就不再赘述了。

如果给动力电池的梯次利用安排一个关键词,那么就是“研究”,目前梯次利用就是处于“研究”阶段,主要是基于各种模型、各种实验、各种假设、各种计算以及小规模商业或工程示范的线索。那么电池梯次利用过程中,到底遇到了什么问题?我捡几个主要的说一下:

一、寿命是个谜

虽然在动力和储能市场,都会用电池(组)全生命周期内能提供的总能量来描述电池的寿命,却有着不同的意义。动力电池中,这个容量意味着电动汽车的总行驶里程,但是在储能市场,则意味着电池的使用时间,是10年?15年?还是20年?可以看出储能电池与动力电池最大的区别是要求长时间的运行,为了延长电池寿命,储能电池组往往始终保证在20%-90%的工作区内运行的,国外很多储能项目的案例就是这么做的。即使如此,也不能保证每一块储能电池都能达到设计要求。二次利用的动力电池在服役期间,根本无法保证在20%-90%放电区间能运行,而且根据实际路况不同,可能会频繁出现大倍率放电的场景,再加上现在时兴的快速充电技术,每一项都可能对动力电池造成不可预知的伤害,虽然电池在测试性能(如电压和阻抗)和容量上可以达到储能电池的要求,但是二次服役的实际寿命到底能达到多少年,可能没有人能够知道。

二、成本仍然是敏感问题

如果让储能市场选择退役的动力电池,就需要这些电池拥有足够的价格优势。相应的,如果想通过二次利用进一步降低锂电池的使用成本,那么定价中既要包括电池的回收拆解分选的成本,也要包括对对电池初次使用中成本的摊销。电池在回收、检测、仓储、运输、二次成组等等,每一个环节都是成本项,这些项目的实际成本,可能与经济模型预测的成本有非常大的差别。在没有补贴机制保证的前提下,梯次利用的电池成本是否真的能被储能市场所接受,还有待验证。

三、技术问题还很多

第一电动转载了一篇文章,文章标题为《动力锂电池梯次利用的关键技术》,文章里描述了电池梯次利用关键技术是双向DC\DC转换器及其数控软件。此外,我想谈谈电池梯次利用过程中还可能遇到的其他问题。

在废旧电池回收处理中,首先要将电池进行失效和拆解。所谓失效,就是让电池丧失所有电量,保证拆解过程的安全。对小型电池而言,失效可能就是将正负极短接,将余电放净。工业化生产中,则使用液氮通过冷冻的方式让电池失效。梯次利用的要求正好相反,要求电池拆解下来是完好的。退役的动力电池生产厂商繁多,型号纷杂,即使相同厂家、相同型号的电芯,如果来自不同成型,其成组方式和结构也可能有较大的区别。因此,其中相当一部分工作,可能需要借助手工来完成,工人的技能水平可能会影响着电池回收过程中的成品率。同时,这种拆解过程中也存在安全隐患。

完成电池拆解后,如何对电池进行评价呢?在研究过程中,科研人员使用各种先进的仪器和方法对退役电池做了大量的检测,来评价其好坏。在生产过程中,动力电池出厂时,往往也会通过抽样的方法,完成严格出厂测试(包括性能、寿命、热稳定性、安全性等等)。梯次利用的电池,可能在这个环节上比较尴尬。首先,电池量相对较大,我们无法面面俱到的,首先在时间和成本上是不容许的,其次面面俱到的检测,可能也会对电池本身造成进一步的伤害。如果抽样检测,那么这种回收电池的抽样是否具有统计意义也是有待商榷的。

当电池检测、筛选(根据电池容量、电压、自放电、内阻等特性进行分组)顺利完成之后,就面临着二次成组的问题。所谓二次成组,就是把回收的电芯,再一次设计,组成Pack,满足客户的要求。这个环节,就牵扯到电池Pack的重新设计,加工,组装的过程。而且可能由于回收的电芯来自于不同的厂家,或规格不同,那么意味着Pack设计可能需要多个设计方案,会增加设计成本和加工成本。

电池组经过设计、生产和并在现场顺利安装完毕后,更加严峻的考验来临了!这些从“五湖四海”汇聚而来的电池们,你将如何去管理它们?这时候关键技术DC\DC可能会发挥效力,但是由于被管理的电池组内阻特性、电化学特性、热特性都都不尽相同,让本是世界级难题的BMS开发更是难上加难。

除了寿命和技术问题以外,还有许多的问题有待解决。比如电池售后问题,电池梯次利用退役后的电池回收处理问题,电池梯次利用的收益分享问题,是给电动车用户、电池生产厂家电池回收企业,还是几家去分配……电池回收谁来负责,谁来承担,是储能企业还是动力电池生产企业……

电池梯次利用应用于规模储能还有很长的路要走,但是我认为分散的、小规模的梯次利用可能更有实际意义。比如自家的新能源汽车,淘汰下的电池,稍加改装,成为自家的“移动充电宝”,或者像特斯拉能源墙一样,成为小规模分布式储能的一部分,也许是更容易实现的。

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老张 大牛作者

电池行业从业人员。长期从事“非主流”电池技术的开发工作。对电池界的新技术,新思路,很感兴趣。希望能和大家多多交流。


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