你知道什么樣的電池更適合電動車？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-07 10:57
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我們不管官方，不管回收有責的主機廠，不管大眾，只站在希望投身這個行業(yè)的從業(yè)者的角度，看待這個問題。我應(yīng)該把時間精力投入到哪個領(lǐng)域，才能最值得。這里的值得，既包括穩(wěn)定收益的可能性大，也應(yīng)該包含時間維度，長期以后，我的領(lǐng)域至少還存在。
針對這個問題，不好直接回答，因為梯次利用的收益高低并不完全取決于三元還是鐵鋰。這里轉(zhuǎn)個彎，討論一下，什么特點的電池適合進一步開發(fā)梯次利用？
1 正極材料不同帶來電芯性能的區(qū)別
正極材料的安全性，能量密度和功率密度是當前不同車型對鋰電池類型做出取舍的基本依據(jù)，但后文可以看到，動力電池自身的特性，并不能完全的決定梯次利用性能的好壞。
1）錳酸鋰
錳酸鋰，作為使用歷史比較長的一種鋰電池材料，其安全性高，尤其抗過充能力強，是一大突出優(yōu)點。由于錳酸鋰自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，在電芯設(shè)計時，正極材料的用量不必超越負極太多。這樣，使得整個體系中的活性鋰離子的數(shù)量不多，在負極充滿以后，不會有太多的鋰離子存于正極。即使出現(xiàn)了過充情形，也不會出現(xiàn)大量鋰離子在負極沉積形成結(jié)晶的狀況。因而，錳酸鋰的耐過充能力在常用材料中是最好的。
另外，材料價格低廉，并且對生產(chǎn)工藝要求相對不高，是比較早取得廣泛應(yīng)用的正極材料。
2）磷酸鐵鋰
磷酸鐵鋰的優(yōu)點主要體現(xiàn)在安全性和循環(huán)壽命上。主要的決定因素來自于磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)，一方面導致磷酸鐵鋰較低的離子擴散能力，另一方面也使它具備了較好的高溫穩(wěn)定性，和良好的循環(huán)性能。
磷酸鐵鋰的缺點也比較明顯，能量密度低，一致性差以及低溫性能不佳。
能量密度低是材料自身的化學性質(zhì)決定的，一個磷酸鐵鋰大分子只能對應(yīng)容納一個鋰離子。
3）三元鋰
三元鋰正極材料，綜合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三中材料的優(yōu)點，在同一只電芯內(nèi)部形成協(xié)同效應(yīng)，兼顧了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、活性和較低成本三個要求，是三種主要正極材料中能量密度最高的一種。其低溫效果也明顯的好于磷酸鐵鋰電池。
三種元素中，Ni的含量越高，則電芯的能量密度越高，同時，電芯的安全性越低。在實際應(yīng)用中，三種材料在電芯中的比例關(guān)系，隨著時間的推移一直在發(fā)生變動。人們對能量密度的追求越來越高，因而Ni 的占比也越來越高。而電池本身安全性能的改進和系統(tǒng)監(jiān)控處理事故能力的提高，也會推進三元鋰電池市場擴張的腳步
2 退役動力電池的主要對標是鉛酸蓄電池
對于當前正在應(yīng)用鉛酸蓄電池的場景，很多都是價格敏感，空間不敏感，性能不敏感，才選擇使用鉛酸電池的。當退役動力電池解決了價格問題，則很大可能替代鉛酸的部分應(yīng)用。
有文獻專門對比了鉛酸蓄電池與推理動力鋰電池的特性。根據(jù)大多數(shù)汽車制造商和電池廠的建議，應(yīng)該更換殘留7080％容量的EV鋰離子電池組，否則可能發(fā)生意想不到的駕駛故障和安全問題。目前這一過程通常發(fā)生在車輛運行35年后，需要考慮更換電動車動力電池組。
盡管退役鋰電池的一些性能參數(shù)有所下降，但與鉛酸電池相比仍有優(yōu)勢。從表1的數(shù)據(jù)表中可以看出，退役電池的循環(huán)壽命和能量密度遠高于鉛酸電池，同時鉛酸蓄電池的價格優(yōu)勢較弱。
表一，鋰離子電池和鉛酸電池的參數(shù)比較
3 影響梯次利用的主要因素
1）檢測、篩選、再加工成本
退役動力電池的再利用生存空間，可能會隨著新電池成本的下降而逐漸被擠壓。短期內(nèi)，不會受到其他類型電源的沖擊，包括降價以后的新電芯的沖擊，這是選擇梯次利用電芯細分品類首先需要考慮的因素。
GGII數(shù)據(jù)顯示，2017年年底動力電池價格較2017年初下滑20%~25%。磷酸鐵鋰電池組價格從年初的1.8~1.9元/Wh下降到年底的1.45~1.55元/Wh。三元動力電池包價格從年初的1.7~1.8元/Wh下降到年底的1.4~1.5元/Wh。
有新聞報道稱，2017年中期，我國動力電池比能量為180Wh/kg，到2020年，動力電池比能量也會不斷提升，將達到300Wh/kg。到2020年，全球電池系統(tǒng)每千瓦時平均價格，大約在1000元人民幣、100美元和100歐元之間。”
當新舊電池的差價接近檢測、再加工、設(shè)備更換、舊電池維護維修等二次利用電池的綜合成本以后，就可能出現(xiàn)舊電池沒有再利用價值的情況。如果可以利用歷史數(shù)據(jù)，則省去部分檢測成本，這個時刻會來的晚一些。
沒有再利用的沖動以后，動力電池只有拆解回收原材料這個方式集中處理。電池拆解應(yīng)該是生命周期較長的一種電芯處理方式。當然，電芯二次處理以及統(tǒng)一規(guī)格、模組設(shè)計，電池包運營模式等等，對電芯級別的二次利用都有影響，還需要觀察相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況，加工成本的降低趨勢。
2）處理技術(shù)有降成本的空間，提高效率的空間
這個角度其實是1）的延伸，什么樣的電芯能夠?qū)崿F(xiàn)少量研發(fā)支持批量生產(chǎn)應(yīng)用呢？
a規(guī)格一致性
在電動汽車產(chǎn)業(yè)前期出現(xiàn)，電芯種類多，量又不大，而電芯的檢測，不同類型的電芯，參數(shù)個性化很強，因此，可以說，到目前，18650等通用規(guī)格的電芯，比較具備研究價值。
b有歷史數(shù)據(jù)的電芯
有了歷史數(shù)據(jù)，動力電池都經(jīng)歷了哪些濫用，充放電容量總體變化情況，電壓等等都記錄在案。借助對電芯外部特性與內(nèi)在結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的研究成果，不用拿到電池就可以先進行初步的一致性評價，剩余價值評價，安全性評價。
有官方文件要求，2017年之后注冊登記的新能源汽車產(chǎn)品，非個人購買的新能源車輛、
個人購買的商用車及專用車，按照國家標準《電動汽車遠程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 32960）要求上傳相關(guān)數(shù)據(jù)。個人購買的新能源乘用車，在整車車輛狀態(tài)、充電狀態(tài)、運行模式發(fā)生變化時上傳相關(guān)數(shù)據(jù)，但不包括定位數(shù)據(jù)。在此之前，不同車輛電芯的數(shù)據(jù)記錄情況可能參差不齊。
3）動力電池二次利用的場景
目前熟知的是電力儲能電站，新能源電站，家用儲能，電力補給車輛，低速電動車輛，通訊基站，新能源路燈等等。對于每一種應(yīng)用場景，對電池的性能要求，對價格的敏感程度，沒有具體數(shù)據(jù)，不敢往下結(jié)論，后續(xù)掌握具體數(shù)據(jù)后，在另起題目進一步討論。但他們需求的不同，必然影響用戶選擇時，關(guān)注電池的哪些性能，這是客觀存在的聯(lián)動關(guān)系。
4 一個典型的退役動力電池應(yīng)用場景舉例——通訊基站
Chunbo ZHU于2017年發(fā)表在IEEE上的一篇論文，《Effect of remaining cycle life on economy of retired electric vehicle lithium-ion battery second- use in backup power for communication base station》，針對通訊基站利用動力電池的推理模型，文章有發(fā)表周期，數(shù)據(jù)僅供參考。從這個案例不難看出，應(yīng)用場景的詳細信息，對于評價一種電芯的應(yīng)用是否合適，是非常重要的，因此過于籠統(tǒng)的評價合適或者不合適，這不科學。
1）工作條件和應(yīng)用場景
在中國，通信基站數(shù)量非常龐大，分布范圍很廣，在偏遠郊區(qū)，道路兩側(cè)，山頂上建設(shè)了越來越多的基站。隨著技術(shù)的進步，電網(wǎng)無法到達的偏遠地區(qū)，太陽能和風能等可再生能源向基站供電也已經(jīng)廣泛出現(xiàn)。
目前，購買鉛酸電池的市場價格及其后處理費用分別為0.6元/ Wh和0.2元/Wh。中國鐵塔有限公司開發(fā)的測試標準所要求的鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命超過200次。根據(jù)通信基站管理單元的研究，通信基站的備用電源工作條件，應(yīng)用場景及相關(guān)的詳細參數(shù)列于表二。
表二，基站的工作條件和應(yīng)用場景參數(shù)
*新能源場景，在白天使用太陽能作為基站電源并給電池組充電，晚上使用備用電池組來維持基站的運行，電池組相當于每天1次充放電循環(huán)。
**高溫場景和三種或四種電場景定義為每個月停電次數(shù)≤4.5次。
***一種或兩種電力場景定義為每月停電次數(shù)≤3.5次。這里只有正常供電停電，才會用到電池供電。
2） 成本計算模型
無論備用電源的工作條件如何，在比較備用鋰電池和鉛酸電池的工作條件時，要分析的參數(shù)都是相同的。這些參數(shù)主要包括：電池容量，購買單價，安裝和更換成本，電力，電池組的廢舊處理成本，根據(jù)工作條件確定的不同操作策略，電池電量要求和電池放電時間等。
下面是各個成本估算相關(guān)參數(shù)的公式表述。在成本分析中，最重要的指標是退役鋰電池與鉛酸電池相比每年平均節(jié)省多少成本，該指標直接反應(yīng)退役鋰電池的經(jīng)濟性，可以通過公式（1）計算。
其中：
R ：年成本節(jié)省率，％；
Pb aac：鉛酸電池的年平均成本，萬人民幣；
LiAAC ：退役的鋰離子電池的年平均成本，萬人民幣。
根據(jù)公式（2）評估年度成本，
其中：
AAC ：年平均成本，萬人民幣/年；
cost：估算或操作周期的總成本，萬人民幣；
Topr ：估計或操作周期，年份。
估算運營周期的總成本（COST）
主要包括備用電池組的總成本；后期維護費用，電池組初始安裝費用和更換費用以及廢舊電池組的剩余價值。當計算操作周期時，同時考慮日歷壽命和循環(huán)壽命。
其中：
T opr ：估算或操作周期，年份；
Pb_T perl ：鉛酸電池組循環(huán)壽命持續(xù)時間，年；
Pb_T cal ：鉛酸電池組日歷壽命時間，年；
Li_T perl ：退役的鋰電池組循環(huán)使用期限時間，一年；
Li_T cal ：退役的鋰電池包裝日歷的使用時間，年。
電池循環(huán)壽命持續(xù)時間（Tperl）由電池的循環(huán)壽命（Ncl）和運行策略（Noc）決定。運行策略是指充電的數(shù)量以及根據(jù)工作條件和應(yīng)用場景獲得的電池組每日完成的放電周期。這個參數(shù)可以通過使用（4）來計算。
