鉅大LARGE | 點擊量：846次 | 2021年04月13日
什么是動力鋰電池？適合梯次利用的究竟是什么樣的動力鋰電池
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差別
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離子電池類型做出取舍的基本依據(jù)，但后文可以看到，動力鋰電池自身的特性，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離子電池材料，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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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用的正極材料。
2）磷酸鐵鋰
磷酸鐵鋰的優(yōu)點重要體現(xiàn)在安全性和循環(huán)壽命上。重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(zhì)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(nèi)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，是三種重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離子電池。
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，也會推進三元鋰離子電池市場擴張的腳步
2退役動力鋰電池的重要對標是鉛酸蓄電池
關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。當退役動力鋰電池解決了價格問題，則很大可能替代鉛酸的部分應用。
有文獻專門比較了鉛酸蓄電池與推理動力鋰離子電池的特性。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，要考慮更換電動汽車動力鋰電池組。
盡管退役鋰離子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影響梯次利用的重要因素
1）檢測、篩選、再加工成本
退役動力鋰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。短時間內(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要考慮的因素。
GGII數(shù)據(jù)顯示，2017年年底動力鋰電池價格較2017年初下降20%~25%。磷酸鐵鋰離子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。三元動力鋰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，我國動力鋰電池比能量為180Wh/kg，到2020年，動力鋰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。假如可以利用歷史數(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，動力鋰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(chǎn)應用呢？
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)，動力鋰電池都經(jīng)歷了什么濫用，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(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《電動汽車遠程服務與管理系統(tǒng)技術規(guī)范》（GB/T32960）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）動力鋰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，低速電動汽車輛，通訊基站，新能源路燈等等。關于每一種應用場景，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，關注電池的什么性能，這是客觀存在的聯(lián)動關系。
4一個典型的退役動力鋰電池應用場景舉例通訊基站
ChunboZHU于2017年發(fā)表在IEEE上的一篇論文，《Effectofremainingcyclelifeoneconomyofretiredelectricvehiclelithium-ionbatterysecond-useinbackuppowerforcommunicationbasestation》，針對通訊基站利用動力鋰電池的推理模型，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，關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
在我國，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。我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含義為每個月停電次數(shù)4.5次。
***一種或兩種電力場景含義為每月停電次數(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，在比較備用鋰離子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)重要包括：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離子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離子電池的經(jīng)濟性，可以通過公式（1）計算。
其中：
R：年成本節(jié)省率，％；
Pbaac：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）
重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：
Topr：估算或操作周期，年份；
Pb_Tperl：鉛酸電池組循環(huán)壽命持續(xù)時間，年；
Pb_Tcal：鉛酸電池組日歷壽命時間，年；
Li_Tperl：退役的鋰離子電池組循環(huán)使用期限時間，一年；
Li_Tcal：退役的鋰離子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，備用電池的成本重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；
Topr：操作周期可以取鉛酸和退役鋰離子電池的最小公倍數(shù)，年；
Tperl：電池組循環(huán)使用期限，年，；
Tcal：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，退役鋰離子電池循環(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
目前在我國，新動力鋰電池價格約為2.2元/Wh，退役鋰離子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離子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離子電池系統(tǒng)價格定在1.1元/Wh。我國十三五發(fā)展規(guī)劃確定的鋰離子電池價格為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％）和退役鋰離子電池的容量衰減（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，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)，退役鋰離子電池與鉛酸電池相比，成本節(jié)省率結果如下圖所示。
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
在新能源領域，退役鋰離子電池剩余循環(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，退役鋰離子電池總成本與鉛酸電池相同。隨著剩余循環(huán)壽命的新增，退役鋰離子電池的經(jīng)濟效益顯著新增。這重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)壽命的新增，成本節(jié)省率將不會提高。例如在高溫場景中，這個場景關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)濟的重要因素，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，退役鋰離子電池剩余循環(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（退役鋰離子電池，約219循環(huán)壽命））長的多。根據(jù)經(jīng)濟計算模型，在計算中起用途的參數(shù)是電池的日歷壽命，剩余循環(huán)壽命的新增不能改善成本節(jié)省性。另外兩個場景的情況是相似的，這里不再重復。
5總結
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準的執(zhí)行，市場運營相關經(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）關于規(guī)格參數(shù)過于復雜，單一品類數(shù)量過小的電芯（在動力鋰電池市場啟動初期，電芯類型比較復雜），恐怕做原料回收，集中處置，是更合理的方式。
4）考慮具體應用場景，根據(jù)對標產(chǎn)品評價退役電池的經(jīng)濟性，是具體開發(fā)動力鋰電池二次利用產(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)展的預加熱手段重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，重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，要消耗約10%的電池能量，而且費時，有時要加熱幾十分鐘才能達到目標溫度，同時還要設計比較復雜的加熱電路[]。
Chao-YangWang等[,]設計出一種獨特的電池自加熱結構，結構簡單，節(jié)能省時。這種電池結構及其原理如圖4所示。在疊片方形電池結構中插入一片鎳箔，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極焊接。當要自加熱時，正極、激活端之間的開關閉合，電池對鎳箔放電，出現(xiàn)歐姆熱，電池開始自加熱，實驗表明采用這種結構的電池僅要12.5s就能從-20℃加熱到0℃，而且僅消耗2.9%的電池容量。這說明這種結構具有很大的實用化前景。
