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(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)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(dǎo)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(xué)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(biāo)是鉛酸蓄電池

 

對于當(dāng)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(dāng)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(xiàn)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(yuǎn)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(xì)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(dá)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)《電動汽車遠(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(xì)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(xué)。

 

 

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(yuǎn)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(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，太陽能和風(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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(dāng)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(biāo)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(biāo)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(dāng)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。

 

 

 

其中：

 

Ncl：電池組的循環(huán)壽命，次數(shù)；

 

Noc：運行策略，每天循環(huán)次數(shù)。

 

 

基站完工并運行后，備用電池的成本主要是電池組使用壽命達(dá)到期限時的更換費用，可由（5）式計算。

 

 

 

其中：

 

COSTopr ：更換費用，萬元人民幣；

 

T opr ：操作周期可以取鉛酸和退役鋰電池的最小公倍數(shù)，年；

 

T perl ：電池組循環(huán)使用期限，年，；

 

T cal ：電池組日歷使用壽命，年；

 

COSTrplbpl ：電池組的單個更換成本，萬元。

 

 

從前面表二數(shù)據(jù)可以看到，退役鋰電池循環(huán)壽命長，能量密度高，因而更換次數(shù)少，更換起來更加方便，進而更換成本比鉛酸要低。

 

 

3）估計結(jié)果分析

 

目前在中國，新動力電池價格約為2.2元/Wh，退役鋰電池的平均電池價格約為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行階段，批量生產(chǎn)后仍有價格空間，所以把基站可用的退役鋰電池系統(tǒng)價格定在1.1元/ Wh。中國“十三五”發(fā)展規(guī)劃確定的鋰電池價格為≤0.8元/小時，現(xiàn)在的新舊電池比例計算，在“十三五”發(fā)展規(guī)劃完成后，退役鋰電電池電量估計應(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法進行二次利用，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)整后的退役電池價格估計為0.265 / 50％/ 70％= 0.757。因此，使用目標(biāo)單價為0.7元/ Wh的采購價格進行比較分析。

 

按照電池報廢后，需要付出的價格為0就可以得到電池組，而篩選重組后的購買價格分別設(shè)定為1.1元/ Wh和0.7元/小時，在各種工況下循環(huán)，退役鋰電池與鉛酸電池相比，成本節(jié)省率結(jié)果如下圖所示。

 

 

 

a) 購買價格為0.7元/Wh，循環(huán)壽命對節(jié)能率的影響

 

 

 

 

b) 購買價格1.1元/小時，循環(huán)壽命對節(jié)能率的影響

 

 

在新能源領(lǐng)域，退役鋰電池剩余循環(huán)壽命為443次（購買價格1.1元/小時）和286次（購買價格0.7元/小時）時，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)濟效益顯著增加。這主要是因為在這個場景中，電池組的運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)濟性的最重要因素; 經(jīng)濟效益屬于剩余循環(huán)壽命敏感型。

 

 

在另外三個應(yīng)用場景中，即使購買價格不同，當(dāng)退役鋰的剩余循環(huán)壽命為219次（高溫場景），214次（一種或兩種電量）時，儲蓄率達(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)省率將不會提高。例如在高溫場景中，這個場景對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)濟的主要因素，成本節(jié)省率對日歷壽命敏感。該場景的實際計算是：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，在這個場景中，循環(huán)壽命時間分別可以達(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））長的多。根據(jù)經(jīng)濟計算模型，在計算中起作用的參數(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。另外兩個場景的情況是相似的，這里不再重復(fù)。

 

 

5 總結(jié)

 

1）具有明確歷史數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)分析，基本獲得其安全性和剩余價值評估結(jié)果的電芯，更具二次利用的優(yōu)勢；

 

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。隨著官方出臺電池標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，市場運營經(jīng)驗的逐漸豐富，相信電芯、電池組的統(tǒng)一性會越來越好，越來越有利于二次利用。

 

3）對于規(guī)格參數(shù)過于復(fù)雜，單一品類數(shù)量過小的電芯（在動力電池市場啟動初期，電芯類型比較復(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)用場景，根據(jù)對標(biāo)產(chǎn)品評價退役電池的經(jīng)濟性，是具體開發(fā)動力電池二次利用產(chǎn)品的好方式，而不是直接做出判斷。    此外通過預(yù)加熱手段，人為提高電池的使用溫度也是保證電池在超低溫環(huán)境中正常使用的一個重要途徑。目前發(fā)展的預(yù)加熱手段主要分為外部加熱和內(nèi)部加熱兩種，外部加熱是目前普遍使用的手段，主要是借助外部加熱器件對電池周圍的空氣、液體或是相變材料加熱，達(dá)到電池能夠正常放電的溫度范圍，但是這種方法不僅能量消耗較大，需要消耗約10%的電池能量，而且費時，有時需要加熱幾十分鐘才能達(dá)到目標(biāo)溫度，同時還需要設(shè)計比較復(fù)雜的加熱電路[]。

       Chao-Yang Wang等[,]設(shè)計出一種獨特的電池自加熱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)能省時。這種電池結(jié)構(gòu)及其原理如圖4所示。在疊片方形電池結(jié)構(gòu)中插入一片鎳箔，鎳箔留出兩個端口，一個端口伸出電池外部作為自加熱激活端，另一個端口與電池負(fù)極焊接。當(dāng)需要自加熱時，正極、激活端之間的開關(guān)閉合，電池對鎳箔放電，產(chǎn)生歐姆熱，電池開始自加熱，實驗表明采用這種結(jié)構(gòu)的電池僅需要12.5s就能從-20℃加熱到0℃，而且僅消耗2.9%的電池容量。這說明這種結(jié)構(gòu)具有很大的實用化前景。