1 如何考慮電池老化程度？

 

文章介紹了一種從一致性這個維度考慮梯次利用電池老化程度的方法。8個48V/12Ah電池組由16S1P/12Ah LiFePO 4 電池組成，首先，將每個電池組單獨以0.1C（1.2A）放電至40V；休息30分鐘后，以相同的C率將每個電池組充電至53.5V。其次，串聯(lián)這8個電池組，形成一個384V/12Ah電池串。第三，將電池0.2C（2.4A）放電，記錄每個電池組中所有電池的電壓變化。前800秒放電過程電壓變化情形，

每個電池組內每只電芯的離散程度，

以上述方法進行篩選，顯然，電池組1和5的電池電壓比其他電池的電壓分布更寬，pack1是老化程度最深的，pack5居其次。

 

2 如何考慮第二次利用電芯的成本？

 

討論一個電池的成本問題，其壽命是影響電池總成本的關鍵因素。從技術上講，電池組的壽命包括日歷壽命和循環(huán)壽命。日歷壽命一般在15到20年之間，受環(huán)境條件影響，如濕度，溫度，腐蝕，振動等。其次，循環(huán)壽命與放電深度（DOD），充電和放電電流（C率）和工作溫度有關。更大的DOD，更大的充電和放電電流以及更高的工作溫度，都會使得電池的循環(huán)壽命更短。由于以串聯(lián)或并聯(lián)的方式與電芯結合，電池組的使用壽命與電芯的壽命非常相似。

 

全生命周期度電成本，就是在相同測試條件下，直至電芯的第二個壽命周期規(guī)定的截止條件到達以前，全部曾經(jīng)充入過電池的電量的總和，或者電池曾經(jīng)放出的全部電量的總和。數(shù)值上等于平均每次充入電池電量乘以充電次數(shù)?？陀^來看，這個參數(shù)才是用戶實際使用了的電池。電池成本，一般按照每千瓦時電量多少錢。然而，對于終端用戶而言，他們的感受里，除了能夠跑多遠這個空間指標，還有一個能夠用多長時間的時間指標。同樣10萬元一輛車，用3年和用5年，每年的用車成本相差40%，這個差距不可謂不大。因此，落實到全生命周期度電成本上，才是最直觀的成本評價方法。

動力電池第一次使用時，一般的，循環(huán)壽命是主導因素。而二次利用的鋰電池，根據(jù)具體應用場景的不同，可能需要以考察日歷壽命為主。比如不連續(xù)工作制的應用情況，待機時間遠遠大于工作循環(huán)時間，比如UPS，日歷壽命決定了電池使用時間的上限。因此，需要確定真正的終點是什么，再去考慮成本。

 

全生命周期度電成本，與電池容量、電壓和使用壽命三個因素有關，同樣的造價，電池容量越大，電壓越高，壽命越長，則該成本越低。

 

3 關于電池價值評估的幾個觀點

 

1） 使用過的電池組的剩余價值評估

 

有文獻給出了幾種綜合評估電池成本的方式，沒有具體區(qū)分應用場景，而給出的通用評估方式。

 

 

其中，R/N表示當前剩余價值的百分數(shù)；η是0和1之間的一個數(shù)值，表示實際條件與理想條件之間的差異，差異越大越接近0，差異越小越接近1。

 

用剩余價值百分數(shù)乘以電池pack的初始價格，得到當前pack的現(xiàn)實價值。

 

2）二次利用電池組的加工成本

 

從梯次利用加工商的角度看，再利用電池包總成本包括再循環(huán)成本，再制造（分類，電池分級，重組，檢驗，驗證）成本，運營費用，雜項費用等，根據(jù)經(jīng)驗值，給每類成本劃定一個比例。

而后，針對不同應用場景，配置個性化的輔助設備，則還需要一部分加工費用，被命名為升級制造費用。

 

3）綜合收益最大的觀點

 

把運營電池包新舊兩個階段整體考慮，當然，新電池階段想要有控制的運營，恐怕需要換電模式，由一個公司擁有電池，用戶只是租賃使用電池這種模式。換電模式在社會上推廣，尤其乘用車換電，實際存在著很多困難，這里暫且不提。這里著眼于這種總體綜合考慮商業(yè)模式的視角。

 

文獻中大體介紹了一個比較粗糙的模型，考慮新電池階段的成本，運營費用（包含場地，人工，維修保養(yǎng)等），租賃收益；考慮二次利用階段，同樣也是前面幾個類型的費用加上部分電池包需要篩選重組的費用。兩個階段的區(qū)別在于，新電池租賃給電動汽車用戶，后一個階段租賃給儲能用戶。把劃分新舊電池分解的時間點作為優(yōu)化對象，優(yōu)化目標為整體收益最大化。

 

這個模式，主要是與電池用戶購買整個電動汽車情況存在優(yōu)勢的。兩個階段都是租賃，綜合管理，不需要面對各色各樣電池包，電芯放在一起，盲目篩選，重組的情況。于是大量特性測試和安全管理的工作和費用都剩下了。

 

4 總結

 

我們以現(xiàn)在的眼光看待這個方法，其實，綜合管理公司掌握了電池整個壽命周期的全部數(shù)據(jù)，基本上就可以通過歷史數(shù)據(jù)對電池的性能，經(jīng)歷過哪些濫用以及還具備多少剩余價值做出評判了。結合我們當前的梯次利用問題，數(shù)據(jù)的完備性，是降低梯次利用成本，獲得電池全生命周期最大綜合收益的重要環(huán)節(jié)。

 

隨著國家出臺具體政策，關于動力電池梯次利用的話題最近多了起來?？吹骄W(wǎng)上有這樣一個問題：三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池以及其他正極材料的電池，哪種類型更適合梯次利用？

 

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。我應該把時間精力投入到哪個領域，才能最值得。這里的值得，既包括穩(wěn)定收益的可能性大，也應該包含時間維度，長期以后，我的領域至少還存在。

 

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。由于錳酸鋰自身結構穩(wěn)定性好，在電芯設計時，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，并且對生產工藝要求相對不高，是比較早取得廣泛應用的正極材料。

 

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構。這樣的結構，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決定的，一個磷酸鐵鋰大分子只能對應容納一個鋰離子。

 

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，在同一只電芯內部形成協(xié)同效應，兼顧了材料結構的穩(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。在實際應用中，三種材料在電芯中的比例關系，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，應該更換殘留70?80％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3?5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，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，還需要觀察相關技術發(fā)展情況，加工成本的降低趨勢。

 

2）處理技術有降成本的空間，提高效率的空間

 

這個角度其實是1）的延伸，什么樣的電芯能夠實現(xiàn)少量研發(fā)支持批量生產應用呢？

a規(guī)格一致性

 

在電動汽車產業(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在結構之間關系的研究成果，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《電動汽車遠程服務與管理系統(tǒng)技術規(guī)范》（GB/T 32960）要求上傳相關數(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，關注電池的哪些性能，這是客觀存在的聯(lián)動關系。

 

4  一個典型的退役動力電池應用場景舉例——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，應用場景的詳細信息，對于評價一種電芯的應用是否合適，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，山頂上建設了越來越多的基站。隨著技術的進步，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，應用場景及相關的詳細參數(shù)列于表二。

 

表二，基站的工作條件和應用場景參數(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?？紤]到目前使用退役鋰電池正處于試運行階段，批量生產后仍有價格空間，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達到0.265元/ Wh?？紤]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，重新調整后的退役電池價格估計為0.265 / 50％/ 70％= 0.757。因此，使用目標單價為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)省率結果如下圖所示。

 

在新能源領域，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。

 

在另外三個應用場景中，即使購買價格不同，當退役鋰的剩余循環(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到3.65年和7.31年，比相應的日歷壽命時間（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。