特斯拉动力电池的梯次利用是如何实现的?
如果不能的话,韩国、日本、美国的新能源汽车的动力电池大多用的是三元电池,那这些电池的梯次利用,如特斯拉动力电池的梯次利用是如何实现的?
如果该电池剩余寿命在80%容量以下时,安全风险控可,剩余寿命可接受,则可以梯次利用
目前电池的截止寿命被限定在初始容量的80%,主要的原因是,根据以往的测试&统计数据,剩余容量在80%以后,安全风险较大,且很容易出现循环跳水的情况(具体原因无非是活性锂或活性物质损失,导致锂离子往复运动的某个过程被中断)。
如果在新体系开发出来后,测试过程发现,继续循环到70%或者60%,仍未出现跳水(容量快速衰减)情况,则可以在80进%容量时进行梯次利用。这种说法,无论是三元还是铁锂,都适用
梯次利用和回收的关系:
如果可以梯次利用:初次使用→梯次利用→回收
如果不能(or不值得)梯次利用:初次使用→回收
要谈为什么三元不是更适合适合梯次利用而是回收资源,要从动力电池和储能电池的区别谈起。注意这里说的是适合与否,而不是绝对的能不能。你要非要拿三元梯次利用做储能电池,也未必就不可以,只是以我之见,更适合直接回收材料。
动力电池,主要适用于便携式储能,需要较高的能量密度和功率密度,很高的安全性,很高的循环寿命。因为车用电池自重在整车重量和空间上已经占用了较多部分,而且车用电池需要频繁地最大限度充电和放电,并且涉及到较为复杂多变的工作状况和人员安全保障。现阶段动力电池对价格进一步下降的要求,相比于安全忧虑,里程焦虑和使用寿命等其他问题,还暂时没有那么迫切。
储能电池,主要应用于电站的削峰填谷,或者一些固定设备储能,例如太阳能路灯,家用不间断电源等。相比之下,储能电池对能量密度的要求没有那么高,更为重要的是成本和倍率性能,对应着电流剧烈变化时的充放电性能(注意和功率密度不一样)。
另外,动力电池之所以报废,或者说之所以会容量持续衰减以至于最后必须弃用,是出于什么原因呢?
从电化学角度来看,电池关键材料电极和电解液组成的混合体系,在电池中是热力学不稳定的,依赖钝化膜的生成带来的动力学稳定性去维持循环寿命。但随着不断充放电,材料会不可避免地膨胀收缩,电极表面的钝化膜的不断生长和失去,带来电解液和活性物质的消耗。同时动力电池因为质量缺陷带来不可避免的过充,生成锂树枝晶,也会消耗电解液并带来安全性问题。另一方面,电极的氧化还原反应本身存在不可逆性,即便是在实验室做小电池,电解液远远过量,循环很多次(差的材料500周,好的材料也难以超过一万,车用电池例如出租车目前必须一天一充放,电池用十年,就是3650周,要求容量还能保持80%,现阶段只有部分型号的磷酸铁锂电池可以达到)之后,活性材料储存的的容量也会不断衰减,最终同样会失去大量容量。但在商用电池的电解液较少,主要的还是电解液消耗带来的性能下降。
现在我们回过头来,对比一下两种材料的各方面指标
价格,三元更高
每周容量衰减,磷酸铁锂更好
放电电压平台,三元更高(3.7vs3.3)
倍率性能,三元更好
质量比容量,两者差不多(ncm111三元为160,523则为180,磷酸铁锂170,均按照平台附近容量来计算)
压实密度,三元更好(更高的压实密度能使得同样体积的电池里能装下更多质量的活性物质)
导电性,三元更好(导电性差是倍率差的根本原因,也意味着需要加更多无法储存能量,只提供导电作用的的炭黑)
安全性,磷酸铁锂更好
电解液消耗,磷酸铁锂更好
(以上两条还是因为三元电压较高,稍微过充就开始氧化电解液)
等等
总的来说,三元更贵,寿命范围内电性能更加,能带来更好的能量密度和功率密度,但成本更高,实用寿命较低,容量衰减较快,安全性较差
对于题目所说的问题,最主要的就是,三元具有较快的容量衰减和较高的价格。至于安全性倒未必那么重要,储能电站相比于动力电池是可以建设更加完备的安全系统的,材料的自身高活性带来的单体不安全性可以得到相对更好的控制。
上述结果这就意味着,三元动力电池报废时,三元自身的容量已经下降很多了,尤其是已经消耗了太多的电解液,不再具有很高的使用价值。然而三元的自身价格较高,这是因为三元使用的钴,镍原料价格较高且还在持续上涨,且未来三元仍然是研究重点,因此具有较高的回收价值。
因此,三元适合回收正极材料。当然不是说三元就不可以回收做储能,只是性能不再有明显优势,而且可以预见的是安全性也更差,因为随着材料不断循环,比表面积变大,活性位点也随之增加了。当然了,你非要再梯次利用之后回收,也未必一定不行,毕竟大规模储能要求的电化学性能不像便携式储能那么苛刻,主要得追求价格。另一方面,材料在电池里的消耗,不会影响金属的总量,梯次利用之后再回收材料也是可行的。两个途径究竟哪个更合适,其实还需要更多工作去进行论证。
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