什么样的动力电池更适合梯次利用？要怎么了解
来源：宝鄂实业
2019-03-17 11:03
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随着国家出台具体政策，关于动力电池梯次利用的话题最近多了起来。看到网上有这样一个问题：三元锂电池、磷酸铁锂电池以及其他正极材料的电池，哪种类型更适合梯次利用？
我们不管官方，不管回收有责的主机厂，不管大众，只站在希望投身这个行业的从业者的角度，看待这个问题。我应该把时间精力投入到哪个领域，才能最值得。这里的值得，既包括稳定收益的可能性大，也应该包含时间维度，长期以后，我的领域至少还存在。
针对这个问题，不好直接回答，因为梯次利用的收益高低并不完全取决于三元还是铁锂。这里转个弯，讨论一下，什么特点的电池适合进一步开发梯次利用？
1 正极材料不同带来电芯性能的区别
正极材料的安全性，能量密度和功率密度是当前不同车型对锂电池类型做出取舍的基本依据，但后文可以看到，动力电池自身的特性，并不能完全的决定梯次利用性能的好坏。
1）锰酸锂
锰酸锂，作为使用历史比较长的一种锂电池材料，其安全性高，尤其抗过充能力强，是一大突出优点。由于锰酸锂自身结构稳定性好，在电芯设计时，正极材料的用量不必超越负极太多。这样，使得整个体系中的活性锂离子的数量不多，在负极充满以后，不会有太多的锂离子存于正极。即使出现了过充情形，也不会出现大量锂离子在负极沉积形成结晶的状况。因而，锰酸锂的耐过充能力在常用材料中是最好的。
另外，材料价格低廉，并且对生产工艺要求相对不高，是比较早取得广泛应用的正极材料。
2）磷酸铁锂
磷酸铁锂的优点主要体现在安全性和循环寿命上。主要的决定因素来自于磷酸铁锂的橄榄石结构。这样的结构，一方面导致磷酸铁锂较低的离子扩散能力，另一方面也使它具备了较好的高温稳定性，和良好的循环性能。
磷酸铁锂的缺点也比较明显，能量密度低，一致性差以及低温性能不佳。
能量密度低是材料自身的化学性质决定的，一个磷酸铁锂大分子只能对应容纳一个锂离子。
3）三元锂
三元锂正极材料，综合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三中材料的优点，在同一只电芯内部形成协同效应，兼顾了材料结构的稳定性、活性和较低成本三个要求，是三种主要正极材料中能量密度最高的一种。其低温效果也明显的好于磷酸铁锂电池。
三种元素中，Ni的含量越高，则电芯的能量密度越高，同时，电芯的安全性越低。在实际应用中，三种材料在电芯中的比例关系，随着时间的推移一直在发生变动。人们对能量密度的追求越来越高，因而Ni 的占比也越来越高。而电池本身安全性能的改进和系统监控处理事故能力的提高，也会推进三元锂电池市场扩张的脚步
2 退役动力电池的主要对标是铅酸蓄电池
对于当前正在应用铅酸蓄电池的场景，很多都是价格敏感，空间不敏感，性能不敏感，才选择使用铅酸电池的。当退役动力电池解决了价格问题，则很大可能替代铅酸的部分应用。
有文献专门对比了铅酸蓄电池与推理动力锂电池的特性。根据大多数汽车制造商和电池厂的建议，应该更换残留7080％容量的EV锂离子电池组，否则可能发生意想不到的驾驶故障和安全问题。目前这一过程通常发生在车辆运行35年后，需要考虑更换电动车动力电池组。
尽管退役锂电池的一些性能参数有所下降，但与铅酸电池相比仍有优势。从表1的数据表中可以看出，退役电池的循环寿命和能量密度远高于铅酸电池，同时铅酸蓄电池的价格优势较弱。
表一，锂离子电池和铅酸电池的参数比较
3 影响梯次利用的主要因素
1）检测、筛选、再加工成本
退役动力电池的再利用生存空间，可能会随着新电池成本的下降而逐渐被挤压。短期内，不会受到其他类型电源的冲击，包括降价以后的新电芯的冲击，这是选择梯次利用电芯细分品类首先需要考虑的因素。
GGII数据显示，2017年年底动力电池价格较2017年初下滑20%~25%。磷酸铁锂电池组价格从年初的1.8~1.9元/Wh下降到年底的1.45~1.55元/Wh。三元动力电池包价格从年初的1.7~1.8元/Wh下降到年底的1.4~1.5元/Wh。
有新闻报道称，2017年中期，我国动力电池比能量为180Wh/kg，到2020年，动力电池比能量也会不断提升，将达到300Wh/kg。到2020年，全球电池系统每千瓦时平均价格，大约在1000元人民币、100美元和100欧元之间。”
当新旧电池的差价接近检测、再加工、设备更换、旧电池维护维修等二次利用电池的综合成本以后，就可能出现旧电池没有再利用价值的情况。如果可以利用历史数据，则省去部分检测成本，这个时刻会来的晚一些。
没有再利用的冲动以后，动力电池只有拆解回收原材料这个方式集中处理。电池拆解应该是生命周期较长的一种电芯处理方式。当然，电芯二次处理以及统一规格、模组设计，电池包运营模式等等，对电芯级别的二次利用都有影响，还需要观察相关技术发展情况，加工成本的降低趋势。
2）处理技术有降成本的空间，提高效率的空间
这个角度其实是1）的延伸，什么样的电芯能够实现少量研发支持批量生产应用呢？
a规格一致性
在电动汽车产业前期出现，电芯种类多，量又不大，而电芯的检测，不同类型的电芯，参数个性化很强，因此，可以说，到目前，18650等通用规格的电芯，比较具备研究价值。
b有历史数据的电芯
有了历史数据，动力电池都经历了哪些滥用，充放电容量总体变化情况，电压等等都记录在案。借助对电芯外部特性与内在结构之间关系的研究成果，不用拿到电池就可以先进行初步的一致性评价，剩余价值评价，安全性评价。
有官方文件要求，2017年之后注册登记的新能源汽车产品，非个人购买的新能源车辆、
个人购买的商用车及专用车，按照国家标准《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》（GB/T 32960）要求上传相关数据。个人购买的新能源乘用车，在整车车辆状态、充电状态、运行模式发生变化时上传相关数据，但不包括定位数据。在此之前，不同车辆电芯的数据记录情况可能参差不齐。
3）动力电池二次利用的场景
目前熟知的是电力储能电站，新能源电站，家用储能，电力补给车辆，低速电动车辆，通讯基站，新能源路灯等等。对于每一种应用场景，对电池的性能要求，对价格的敏感程度，没有具体数据，不敢往下结论，后续掌握具体数据后，在另起题目进一步讨论。但他们需求的不同，必然影响用户选择时，关注电池的哪些性能，这是客观存在的联动关系。
4 一个典型的退役动力电池应用场景举例——通讯基站
Chunbo ZHU于2017年发表在IEEE上的一篇论文，《Effect of remaining cycle life on economy of retired electric vehicle lithium-ion battery second- use in backup power for communication base station》，针对通讯基站利用动力电池的推理模型，文章有发表周期，数据仅供参考。从这个案例不难看出，应用场景的详细信息，对于评价一种电芯的应用是否合适，是非常重要的，因此过于笼统的评价合适或者不合适，这不科学。
1）工作条件和应用场景
在中国，通信基站数量非常庞大，分布范围很广，在偏远郊区，道路两侧，山顶上建设了越来越多的基站。随着技术的进步，电网无法到达的偏远地区，太阳能和风能等可再生能源向基站供电也已经广泛出现。
目前，购买铅酸电池的市场价格及其后处理费用分别为0.6元/ Wh和0.2元/Wh。中国铁塔有限公司开发的测试标准所要求的铅酸蓄电池的循环寿命超过200次。根据通信基站管理单元的研究，通信基站的备用电源工作条件，应用场景及相关的详细参数列于表二。
表二，基站的工作条件和应用场景参数
*新能源场景，在白天使用太阳能作为基站电源并给电池组充电，晚上使用备用电池组来维持基站的运行，电池组相当于每天1次充放电循环。
**高温场景和三种或四种电场景定义为每个月停电次数≤4.5次。
***一种或两种电力场景定义为每月停电次数≤3.5次。这里只有正常供电停电，才会用到电池供电。
2） 成本计算模型
无论备用电源的工作条件如何，在比较备用锂电池和铅酸电池的工作条件时，要分析的参数都是相同的。这些参数主要包括：电池容量，购买单价，安装和更换成本，电力，电池组的废旧处理成本，根据工作条件确定的不同操作策略，电池电量要求和电池放电时间等。
下面是各个成本估算相关参数的公式表述。在成本分析中，最重要的指标是退役锂电池与铅酸电池相比每年平均节省多少成本，该指标直接反应退役锂电池的经济性，可以通过公式（1）计算。
