適合梯次利用的動(dòng)力電池是什么樣的？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-19 14:36
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隨著國(guó)家出臺(tái)具體政策，關(guān)于動(dòng)力電池梯次利用的話題最近多了起來(lái)?？吹骄W(wǎng)上有這樣一個(gè)問(wèn)題：三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池以及其他正極材料的電池，哪種類(lèi)型更適合梯次利用？
我們不管官方，不管回收有責(zé)的主機(jī)廠，不管大眾，只站在希望投身這個(gè)行業(yè)的從業(yè)者的角度，看待這個(gè)問(wèn)題。我應(yīng)該把時(shí)間精力投入到哪個(gè)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(shí)間維度，長(zhǎng)期以后，我的領(lǐng)域至少還存在。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，不好直接回答，因?yàn)樘荽卫玫氖找娓叩筒⒉煌耆Q于三元還是鐵鋰。這里轉(zhuǎn)個(gè)彎，討論一下，什么特點(diǎn)的電池適合進(jìn)一步開(kāi)發(fā)梯次利用？
1 正極材料不同帶來(lái)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(dāng)前不同車(chē)型對(duì)鋰電池類(lèi)型做出取舍的基本依據(jù)，但后文可以看到，動(dòng)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(zhǎng)的一種鋰電池材料，其安全性高，尤其抗過(guò)充能力強(qiáng)，是一大突出優(yōu)點(diǎn)。由于錳酸鋰自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，在電芯設(shè)計(jì)時(shí)，正極材料的用量不必超越負(fù)極太多。這樣，使得整個(gè)體系中的活性鋰離子的數(shù)量不多，在負(fù)極充滿以后，不會(huì)有太多的鋰離子存于正極。即使出現(xiàn)了過(guò)充情形，也不會(huì)出現(xiàn)大量鋰離子在負(fù)極沉積形成結(jié)晶的狀況。因而，錳酸鋰的耐過(guò)充能力在常用材料中是最好的。
另外，材料價(jià)格低廉，并且對(duì)生產(chǎn)工藝要求相對(duì)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(diǎn)主要體現(xiàn)在安全性和循環(huán)壽命上。主要的決定因素來(lái)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(dǎo)致磷酸鐵鋰較低的離子擴(kuò)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(diǎn)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(xué)性質(zhì)決定的，一個(gè)磷酸鐵鋰大分子只能對(duì)應(yīng)容納一個(gè)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(diǎn)，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(gè)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(shí)，電芯的安全性越低。在實(shí)際應(yīng)用中，三種材料在電芯中的比例關(guān)系，隨著時(shí)間的推移一直在發(fā)生變動(dòng)。人們對(duì)能量密度的追求越來(lái)越高，因而Ni 的占比也越來(lái)越高。而電池本身安全性能的改進(jìn)和系統(tǒng)監(jiān)控處理事故能力的提高，也會(huì)推進(jìn)三元鋰電池市場(chǎng)擴(kuò)張的腳步
2 退役動(dòng)力電池的主要對(duì)標(biāo)是鉛酸蓄電池
對(duì)于當(dāng)前正在應(yīng)用鉛酸蓄電池的場(chǎng)景，很多都是價(jià)格敏感，空間不敏感，性能不敏感，才選擇使用鉛酸電池的。當(dāng)退役動(dòng)力電池解決了價(jià)格問(wèn)題，則很大可能替代鉛酸的部分應(yīng)用。
有文獻(xiàn)專(zhuān)門(mén)對(duì)比了鉛酸蓄電池與推理動(dòng)力鋰電池的特性。根據(jù)大多數(shù)汽車(chē)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(wèn)題。目前這一過(guò)程通常發(fā)生在車(chē)輛運(yùn)行35年后，需要考慮更換電動(dòng)車(chē)動(dòng)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(shì)。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(yuǎn)高于鉛酸電池，同時(shí)鉛酸蓄電池的價(jià)格優(yōu)勢(shì)較弱。
3 影響梯次利用的主要因素
1）檢測(cè)、篩選、再加工成本
退役動(dòng)力電池的再利用生存空間，可能會(huì)隨著新電池成本的下降而逐漸被擠壓。短期內(nèi)，不會(huì)受到其他類(lèi)型電源的沖擊，包括降價(jià)以后的新電芯的沖擊，這是選擇梯次利用電芯細(xì)分品類(lèi)首先需要考慮的因素。
GGII數(shù)據(jù)顯示，2017年年底動(dòng)力電池價(jià)格較2017年初下滑20%~25%。磷酸鐵鋰電池組價(jià)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?jiǎng)恿﹄姵?/a>包價(jià)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(bào)道稱(chēng)，2017年中期，我國(guó)動(dòng)力電池比能量為180Wh/kg，到2020年，動(dòng)力電池比能量也會(huì)不斷提升，將達(dá)到300Wh/kg。到2020年，全球電池系統(tǒng)每千瓦時(shí)平均價(jià)格，大約在1000元人民幣、100美元和100歐元之間。”
當(dāng)新舊電池的差價(jià)接近檢測(cè)、再加工、設(shè)備更換、舊電池維護(hù)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(méi)有再利用價(jià)值的情況。如果可以利用歷史數(shù)據(jù)，則省去部分檢測(cè)成本，這個(gè)時(shí)刻會(huì)來(lái)的晚一些。
沒(méi)有再利用的沖動(dòng)以后，動(dòng)力電池只有拆解回收原材料這個(gè)方式集中處理。電池拆解應(yīng)該是生命周期較長(zhǎng)的一種電芯處理方式。當(dāng)然，電芯二次處理以及統(tǒng)一規(guī)格、模組設(shè)計(jì)，電池包運(yùn)營(yíng)模式等等，對(duì)電芯級(jí)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(shì)。
2）處理技術(shù)有降成本的空間，提高效率的空間
這個(gè)角度其實(shí)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(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)前期出現(xiàn)，電芯種類(lèi)多，量又不大，而電芯的檢測(cè)，不同類(lèi)型的電芯，參數(shù)個(gè)性化很強(qiáng)，因此，可以說(shuō)，到目前，18650等通用規(guī)格的電芯，比較具備研究?jī)r(jià)值。
b有歷史數(shù)據(jù)的電芯
有了歷史數(shù)據(jù)，動(dòng)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(duì)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(jìn)行初步的一致性評(píng)價(jià)，剩余價(jià)值評(píng)價(jià)，安全性評(píng)價(jià)。
有官方文件要求，2017年之后注冊(cè)登記的新能源汽車(chē)產(chǎn)品，非個(gè)人購(gòu)買(mǎi)的新能源車(chē)輛、
個(gè)人購(gòu)買(mǎi)的商用車(chē)及專(zhuān)用車(chē)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)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(gè)人購(gòu)買(mǎi)的新能源乘用車(chē)，在整車(chē)車(chē)輛狀態(tài)、充電狀態(tài)、運(yùn)行模式發(fā)生變化時(shí)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(chē)輛電芯的數(shù)據(jù)記錄情況可能參差不齊。
3）動(dòng)力電池二次利用的場(chǎng)景
目前熟知的是電力儲(chǔ)能電站，新能源電站，家用儲(chǔ)能，電力補(bǔ)給車(chē)輛，低速電動(dòng)車(chē)輛，通訊基站，新能源路燈等等。對(duì)于每一種應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)電池的性能要求，對(duì)價(jià)格的敏感程度，沒(méi)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(jìn)一步討論。但他們需求的不同，必然影響用戶選擇時(shí)，關(guān)注電池的哪些性能，這是客觀存在的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。
4 一個(gè)典型的退役動(dòng)力電池應(yīng)用場(chǎng)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(duì)通訊基站利用動(dòng)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(gè)案例不難看出，應(yīng)用場(chǎng)景的詳細(xì)信息，對(duì)于評(píng)價(jià)一種電芯的應(yīng)用是否合適，是非常重要的，因此過(guò)于籠統(tǒng)的評(píng)價(jià)合適或者不合適，這不科學(xué)。
1）工作條件和應(yīng)用場(chǎng)景
在中國(guó)，通信基站數(shù)量非常龐大，分布范圍很廣，在偏遠(yuǎn)郊區(qū)，道路兩側(cè)，山頂上建設(shè)了越來(lái)越多的基站。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電網(wǎng)無(wú)法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源向基站供電也已經(jīng)廣泛出現(xiàn)。
目前，購(gòu)買(mǎi)鉛酸電池的市場(chǎng)價(jià)格及其后處理費(fèi)用分別為0.6元/ Wh和0.2元/Wh。中國(guó)鐵塔有限公司開(kāi)發(fā)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所要求的鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命超過(guò)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(chǎng)景及相關(guān)的詳細(xì)參數(shù)列于表二。
2） 成本計(jì)算模型
無(wú)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(shí)，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(gòu)買(mǎi)單價(jià)，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(shí)間等。
根據(jù)公式（2）評(píng)估年度成本，
估算運(yùn)營(yíng)周期的總成本（COST）
主要包括備用電池組的總成本；后期維護(hù)費(fèi)用，電池組初始安裝費(fèi)用和更換費(fèi)用以及廢舊電池組的剩余價(jià)值。當(dāng)計(jì)算操作周期時(shí)，同時(shí)考慮日歷壽命和循環(huán)壽命。
電池循環(huán)壽命持續(xù)時(shí)間（Tperl）由電池的循環(huán)壽命（Ncl）和運(yùn)行策略（Noc）決定。運(yùn)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(chǎng)景獲得的電池組每日完成的放電周期。這個(gè)參數(shù)可以通過(guò)使用（4）來(lái)計(jì)算。
3）估計(jì)結(jié)果分析
目前在中國(guó)，新動(dòng)力電池價(jià)格約為2.2元/Wh，退役鋰電池的平均電池價(jià)格約為0.73元/Wh，篩選和重組部件的成本約為0.60元/ Wh。考慮到目前使用退役鋰電池正處于試運(yùn)行階段，批量生產(chǎn)后仍有價(jià)格空間，所以把基站可用的退役鋰電池系統(tǒng)價(jià)格定在1.1元/ Wh。中國(guó)“十三五”發(fā)展規(guī)劃確定的鋰電池價(jià)格為≤0.8元/小時(shí)，現(xiàn)在的新舊電池比例計(jì)算，在“十三五”發(fā)展規(guī)劃完成后，退役鋰電電池電量估計(jì)應(yīng)達(dá)到0.265元/ Wh。考慮到可用電池的比例（部分電池因各種原因無(wú)法進(jìn)行二次利用，暫定比例為50％）和退役鋰電池的容量衰減（暫定70％），并且根據(jù)目前的電池篩選和分組方法，重新調(diào)整后的退役電池價(jià)格估計(jì)為0.265 / 50％/ 70％= 0.757。因此，使用目標(biāo)單價(jià)為0.7元/ Wh的采購(gòu)價(jià)格進(jìn)行比較分析。
在新能源領(lǐng)域，退役鋰電池剩余循環(huán)壽命為443次（購(gòu)買(mǎi)價(jià)格1.1元/小時(shí)）和286次（購(gòu)買(mǎi)價(jià)格0.7元/小時(shí)）時(shí)，退役鋰電池總成本與鉛酸電池相同。隨著剩余循環(huán)壽命的增加，退役鋰電池的經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)場(chǎng)景中，電池組的運(yùn)行狀況是電池組每天要完成一次充放電循環(huán)，所以電池組的剩余循環(huán)壽命是影響經(jīng)濟(jì)性的最重要因素; 經(jīng)濟(jì)效益屬于剩余循環(huán)壽命敏感型。
在另外三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，即使購(gòu)買(mǎi)價(jià)格不同，當(dāng)退役鋰的剩余循環(huán)壽命為219次（高溫場(chǎng)景），214次（一種或兩種電量）時(shí)，儲(chǔ)蓄率達(dá)到固定值， 274次（三種或四種電力），并且隨著剩余循環(huán)壽命的增加，成本節(jié)省率將不會(huì)提高。例如在高溫場(chǎng)景中，這個(gè)場(chǎng)景對(duì)于電池組的操作情況約為4.5次/月的充電和放電周期，因此電池組的日歷壽命是影響經(jīng)濟(jì)的主要因素，成本節(jié)省率對(duì)日歷壽命敏感。該場(chǎng)景的實(shí)際計(jì)算是：當(dāng)鉛酸電池循環(huán)壽命為200次，退役鋰電池剩余循環(huán)壽命為400次時(shí)，在這個(gè)場(chǎng)景中，循環(huán)壽命時(shí)間分別可以達(dá)到3.65年和7.31年，比相應(yīng)的日歷壽命時(shí)間（2.5年（鉛酸電池，約137次循環(huán)壽命）和4年（退役鋰電池，約219循環(huán)壽命））長(zhǎng)的多。根據(jù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算模型，在計(jì)算中起作用的參數(shù)是電池的日歷壽命，剩余循環(huán)壽命的增加不能改善成本節(jié)省性。另外兩個(gè)場(chǎng)景的情況是相似的，這里不再重復(fù)。
5 總結(jié)
1）具有明確歷史數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析，基本獲得其安全性和剩余價(jià)值評(píng)估結(jié)果的電芯，更具二次利用的優(yōu)勢(shì)；
2）規(guī)格統(tǒng)一，包括外形、性能參數(shù)等，總體數(shù)量大的電芯，比如主流容量規(guī)格的18650。隨著官方出臺(tái)電池標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的逐漸豐富，相信電芯、電池組的統(tǒng)一性會(huì)越來(lái)越好，越來(lái)越有利于二次利用。
3）對(duì)于規(guī)格參數(shù)過(guò)于復(fù)雜，單一品類(lèi)數(shù)量過(guò)小的電芯（在動(dòng)力電池市場(chǎng)啟動(dòng)初期，電芯類(lèi)型比較復(fù)雜），恐怕做原料回收，集中處置，是更合理的方式。
4）考慮具體應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)對(duì)標(biāo)產(chǎn)品評(píng)價(jià)退役電池的經(jīng)濟(jì)性，是具體開(kāi)發(fā)動(dòng)力電池二次利用產(chǎn)品的好方式，而不是直接做出判斷。
