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什么样的动力电池更适合梯次利用呢?

2021-11-25   点击量:30

随着国家出台具体政策,有关动力锂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:三元锂离子电池、磷酸铁锂离子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差别


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离子电池类型做出取舍的基本依据,但后文可以看到,动力锂电池自身的特性,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离子电池材料,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


磷酸铁锂的优点重要体现在安全性和循环寿命上。重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,是三种重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离子电池。


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,也会推进三元锂离子电池市场扩张的脚步


2退役动力锂电池的重要对标是铅酸蓄电池


关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。当退役动力锂电池解决了价格问题,则很大可能替代铅酸的部分应用。


有文献专门比较了铅酸蓄电池与推理动力锂离子电池的特性。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,要考虑更换电动汽车动力锂电池组


尽管退役锂离子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影响梯次利用的重要因素


1)检测、筛选、再加工成本


退役动力锂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。短时间内,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要考虑的因素。


GGII数据显示,2017年年底动力锂电池价格较2017年初下降20%~25%。磷酸铁锂离子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。三元动力锂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,我国动力锂电池比能量为180Wh/kg,到2020年,动力锂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。假如可以利用历史数据,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,动力锂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,动力锂电池都经历了什么滥用,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/T32960)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)动力锂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,低速电动汽车辆,通讯基站,新能源路灯等等。关于每一种应用场景,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,关注电池的什么性能,这是客观存在的联动关系。


4一个典型的退役动力锂电池应用场景举例通讯基站


ChunboZHU于2017年发表在IEEE上的一篇论文,《Effectofremainingcyclelifeoneconomyofretiredelectricvehiclelithium-ionbatterysecond-useinbackuppowerforcommunicationbasestation》,针对通讯基站利用动力锂电池的推理模型,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,关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


在我国,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。我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含义为每个月停电次数4.5次。


***一种或两种电力场景含义为每月停电次数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,在比较备用锂离子电池和铅酸电池的工作条件时,要分析的参数都是相同的。这些参数重要包括: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离子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离子电池的经济性,可以通过公式(1)计算。


其中:


R:年成本节省率,%;


Pbaac:铅酸电池的年平均成本,万人民币;


LiAAC:退役的锂离子电池的年平均成本,万人民币。


根据公式(2)评估年度成本,


其中:


AAC:年平均成本,万人民币/年;


cost:估算或操作周期的总成本,万人民币;


Topr:估计或操作周期,年份。


估算运营周期的总成本(COST)


重要包括备用电池组的总成本;后期维护费用,电池组初始安装费用和更换费用以及废旧电池组的剩余价值。当计算操作周期时,同时考虑日历寿命和循环寿命。


电池循环寿命持续时间(Tperl)由电池的循环寿命(Ncl)和运行策略(Noc)决定。运行策略是指充电的数量以及根据工作条件和应用场景获得的电池组每日完成的放电周期。这个参数可以通过使用(4)来计算。


基站完工并运行后,备用电池的成本重要是电池组使用寿命达到期限时的更换费用,可由(5)式计算。


3)估计结果分析


目前在我国,新动力锂电池价格约为2.2元/Wh,退役锂离子电池的平均电池价格约为0.73元/Wh,筛选和重组部件的成本约为0.60元/Wh。考虑到目前使用退役锂离子电池正处于试运行阶段,批量生产后仍有价格空间,所以把基站可用的退役锂离子电池系统价格定在1.1元/Wh。我国十三五发展规划确定的锂离子电池价格为0.8元/小时,现在的新旧电池比例计算,在十三五发展规划完成后,退役锂电电池电量估计应达到0.265元/Wh。考虑到可用电池的比例(部分电池因各种原因无法进行二次利用,暂定比例为50%)和退役锂离子电池的容量衰减(暂定70%),并且根据目前的电池筛选和分组方法,重新调整后的退役电池价格估计为0.265/50%/70%=0.757。因此,使用目标单价为0.7元/Wh的采购价格进行比较分析。


按照电池报废后,要付出的价格为0就可以得到电池组,而筛选重组后的购买价格分别设定为1.1元/Wh和0.7元/小时,在各种工况下循环,退役锂离子电池与铅酸电池相比,成本节省率结果如下图所示。


在新能源领域,退役锂离子电池剩余循环寿命为443次(购买价格1.1元/小时)和286次(购买价格0.7元/小时)时,退役锂离子电池总成本与铅酸电池相同。随着剩余循环寿命的新增,退役锂离子电池的经济效益显著新增。这重要是因为在这个场景中,电池组的运行状况是电池组每天要完成一次充放电循环,所以电池组的剩余循环寿命是影响经济性的最重要因素;经济效益属于剩余循环寿命敏感型。


在另外三个应用场景中,即使购买价格不同,当退役锂的剩余循环寿命为219次(高温场景),214次(一种或两种电量)时,储蓄率达到固定值,274次(三种或四种电力),并且随着剩余循环寿命的新增,成本节省率将不会提高。例如在高温场景中,这个场景关于电池组的操作情况约为4.5次/月的充电和放电周期,因此电池组的日历寿命是影响经济的重要因素,成本节省率对日历寿命敏感。该场景的实际计算是:当铅酸电池循环寿命为200次,退役锂离子电池剩余循环寿命为400次时,在这个场景中,循环寿命时间分别可以达到3.65年和7.31年,比相应的日历寿命时间(2.5年(铅酸电池,约137次循环寿命)和4年(退役锂离子电池,约219循环寿命))长的多。根据经济计算模型,在计算中起用途的参数是电池的日历寿命,剩余循环寿命的新增不能改善成本节省性。另外两个场景的情况是相似的,这里不再重复。


1)具有明确历史数据,可以通过数据分析,基本获得其安全性和剩余价值评估结果的电芯,更具二次利用的优势;


2)规格统一,包括外形、性能参数等,总体数量大的电芯,比如主流容量规格的18650。随着官方出台电池标准的执行,市场运营相关经验的逐渐丰富,相信电芯、电池组的统一性会越来越好,越来越有利于二次利用。


3)关于规格参数过于复杂,单一品类数量过小的电芯(在动力锂电池市场启动初期,电芯类型比较复杂),恐怕做原料回收,集中处置,是更合理的方式。


4)考虑具体应用场景,根据对标产品评价退役电池的经济性,是具体开发动力锂电池二次利用产品的好方式,而不是直接做出判断。


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钜大特种电池工程研究院

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