陳柯元 陳臻 包啟科 湯海嵐 蔡嘉賓

摘?要：針對現(xiàn)行市場退役鋰電池梯次利用技術(shù)不完善的現(xiàn)狀，本項目旨在解決退役鋰電池梯次判定時采集獲得的多參數(shù)建模的困難性，提出利用大數(shù)據(jù)技術(shù)處理鏈接式表格搜索設(shè)想。就促進行業(yè)龍頭企業(yè)的退役鋰電池梯次利用安全操作規(guī)范化和退役鋰電池梯次利用市場化，點明操作關(guān)注點，探索未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)突破點?；谏鲜鲑Y料，本項目對退役鋰電池梯次利用技術(shù)進行合理展望，分析該技術(shù)的前景及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：退役鋰電池;梯次利用;鋰電池

預測至2020年，累計退役重量達12～17萬噸。如果直接對退役鋰電池進行金屬回收，剩下的80%的電池容量將是極大浪費;如果對退役鋰電池回收前先進行梯次利用，即將鋰電池包、模組或單體重新檢測、分選并配組，再應(yīng)用于對電池容量和功率等要求不像電動汽車那么嚴格的場所（比如電網(wǎng)、太陽能和風能等儲能領(lǐng)域，寬帶無線基站蓄電池等），可以有效延長電池的生命周期，減少電池使用成本。預測到2020年，梯次利用市場規(guī)模約64億元，2025年約282億元[1]。為此，2012年《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》和2016年《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》均明確提出要大力發(fā)展鋰電池梯次利用，引導健全、完善相關(guān)技術(shù)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

一、現(xiàn)狀分析

美國、日本以及歐洲等發(fā)達國家于2000年左右就在鋰電池梯次利用進行了大量技術(shù)投入，技術(shù)領(lǐng)先。國內(nèi)在大規(guī)模鋰電池梯次利用技術(shù)方面，起步較晚，與發(fā)達國家相比還有較大差距。本項目針對電池行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)年25000噸鋰電池梯次利用和資源回收生產(chǎn)線所面臨的關(guān)鍵問題開展研究。

二、研究內(nèi)容

退役鋰電池梯次利用是個百億級的市場，梯次利用產(chǎn)業(yè)化過程諸多關(guān)鍵技術(shù)尚不完善。目前，鋰電池使用過程參數(shù)類型多、參數(shù)采集不完備且采集方法差異大，導致獲取的過程數(shù)據(jù)分布呈現(xiàn)量大、高維、非高斯、非線性、異構(gòu)和異源等特點，使快速準確的梯次利用關(guān)鍵性能估計難以實施。此外，鋰電池鹽水放電法生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生嚴重的重金屬污染。

退役鋰電池性能估計數(shù)據(jù)包括電芯工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、出廠和退役電池表面完整度、出廠和退役電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、出廠、使用過程和退役后電池電特性數(shù)據(jù)。電芯工藝數(shù)據(jù)包括正負極材料、電解液、隔膜等;生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)包括正負極材料實際厚度、隔膜實際厚度、電解液實際比例濃度、生產(chǎn)環(huán)境溫度、電池排列位置等;電池表面完整度包括無劃痕、壓痕，電池標記清楚，無編號缺失等特征;電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括無氣脹、漏液、變形等特征。電池電特性數(shù)據(jù)包括開路電壓、工作電壓、極化電壓、靜態(tài)容量、實際容量、放電深度、內(nèi)阻、循環(huán)壽命、環(huán)境溫度、散熱條件、充放電進度、空氣潮濕度和通風條件等數(shù)十個指標。針對傳統(tǒng)鋰電池規(guī)?；烹姇r，電池重金屬會泄露入鹽水，產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染問題。利用石墨具有較好的導電性，且屬于退役電池自身的廢料（退役電池負極材料，成本可以忽略）。項目組目前已采用粉狀石墨對18650柱狀鋰電池和軟包電池進行了批量放電實驗，結(jié)果表明80%左右的電池24小時內(nèi)可以放電完畢，但是由于粉狀石墨與電池正負極接觸不充分，存在20%左右電池無法放電或放電時間較長問題，以及粉狀石墨放電規(guī)?；烹姇r存在嚴重的粉塵污染問題。

三、關(guān)鍵技術(shù)

為了確保數(shù)據(jù)的規(guī)范、統(tǒng)一且測試成本低廉，篩選電池參數(shù)并制定合理的測試方法是關(guān)鍵問題，解決此問題涉及利用合作企業(yè)現(xiàn)有的成熟鉛酸電池測試技術(shù)和已有的鋰電池測試技術(shù)。此外，為了測量過程參數(shù)，需要對現(xiàn)有的鋰離子電池包軟硬件進行升級改造，以實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)存儲。

面對如此復雜多源的大數(shù)據(jù)，現(xiàn)有方法難以直接對其進行建模。可根據(jù)電池老化機理，對多源參數(shù)按對關(guān)鍵性能影響的權(quán)重進行篩理排序，將其劃分成多個分塊，對各分塊并行實施降維與特征提取，同時盡可能保留對性能估計有用的特征信息是關(guān)鍵問題。由于石墨為粉狀固體，與電池正負極會存在接觸不充分問題，導致部分電池無法充分放電且放電時間較長問題。將石墨材料通過與一定比例的水混合制成漿料后，研究確定最優(yōu)水與粉狀石墨的比例、攪拌方式、時間等放電工藝是關(guān)鍵問題，使得該工藝下石墨粉與電池能充分接觸，并且放電后石墨與電池易于振動分離。

四、技術(shù)操作的關(guān)注點

（一）安全性

退役鋰電池作為固體廢物，會產(chǎn)生越來越多廢棄物，這些需要妥善處理。由于這類廢棄處理含有潛在威脅，因此，這類處理比較容易傷及人員[1]。同時，退役鋰電池比新鋰電池容易存在零件老化，過充過放，脹氣問題等嚴重影響使用的風險。這些問題不僅影響電池的性能，還為從事相應(yīng)工作的人員帶來不可預估的安全隱患。安全是儲能系統(tǒng)的第一要素，在國家相關(guān)法規(guī)不完善的當下，有能力也有必要關(guān)注梯次利用時的安全性。為維護企業(yè)合法權(quán)益和行業(yè)發(fā)展，對于企業(yè)數(shù)據(jù)的安全也需要引起極大注意。

（1）數(shù)據(jù)安全。退役鋰電池梯次利用的信息安全以數(shù)據(jù)的應(yīng)用安全性（準確性）和保密性為基軸。大數(shù)據(jù)處理可以實現(xiàn)在較短時間內(nèi)對大量數(shù)據(jù)的搜索。在現(xiàn)實生活中，企業(yè)常帶有某種具體的參數(shù)要求，因此輸入權(quán)重高的固定參數(shù)進行多次篩選，鏈接權(quán)數(shù)低的參數(shù)的該電池多張信息表，構(gòu)建以多種需求參數(shù)為基軸的圖表。為應(yīng)對黑客竊取商業(yè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建企業(yè)級防火墻，強化權(quán)限的限制級構(gòu)建可以促進信息安全。在動態(tài)周期內(nèi)，必須對關(guān)鍵數(shù)據(jù)予以重采。

（2）技術(shù)安全。退役鋰電池的制造工藝客觀上存在巨大差異，導致退役鋰電池單體以及退役電池模組之間性能差距較大，從而為協(xié)同工作時的安全性埋下隱患。這種狀況是退役鋰電池梯次利用所無法避免的。而且在現(xiàn)行梯次分類標準不統(tǒng)一的情況下，除了單一龍頭企業(yè)單解決自身退役鋰電池梯次利用外，近乎無解。退役鋰電池相較于全新鋰電池，內(nèi)部的隔熱層老化和化學物質(zhì)的活性下降等原因?qū)е落囯姵氐臒崴p性表現(xiàn)更為明顯，也意味著熱失控的幾率增加。鋰電池梯次利用有較高的精度要求，這使得行業(yè)工人要具有較高的勞動素質(zhì)，一旦拆解不當，工人將面臨觸電和熱失控的風險[3]。

（3）運存安全。隨著退役鋰電池的基數(shù)的增大，社會對梯次利用的需求增大，基于處理的滯后性，退役鋰電池梯次利用行業(yè)要解決運存安全?，F(xiàn)行鋰電池大多采用可燃的有機溶劑體系，電磁具有一定的能量，場的疊加，加之能量以熱的形式散失，在運輸車這封閉空間內(nèi)熱大量集聚，容易引發(fā)熱失控，甚至引發(fā)連鎖反應(yīng)。電磁場的存在和粉狀石墨的導電性使行業(yè)在面對特定天氣（如雷雨天氣）須及時做好防磁防暴防漏電等預備工作，嚴格執(zhí)行突發(fā)情況預案，竭力將損失降低到可控的最低限度。

（二）經(jīng)濟性與市場化結(jié)合

退役鋰電池梯次利用市場從現(xiàn)狀上講，處于一個需求小、流通范圍窄、市場規(guī)則缺乏的新興市場階段。為了保證鋰電池梯次利用技術(shù)在龍頭企業(yè)的應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)濟性和市場化必須被置于一個相當重要的位置。退役鋰電池梯次利用技術(shù)主要是對BMS的信息采集和信息分配應(yīng)用所產(chǎn)生的經(jīng)濟價值的利用。從這個意義上，退役鋰電池梯次利用市場可以被定位為一個隸屬于現(xiàn)代儲能市場的服務(wù)型市場。

（1）統(tǒng)一處理的集聚優(yōu)勢。當今限制鋰電池大規(guī)模應(yīng)用的主要影響因素是安全性和高成本。在安全性得到保障的前提下，鋰電池價格高歸因于鈷的高成本以及每個電池所需的復雜保護電路[2]。退役鋰電池梯次利用在最大限度上利用鈷資源，緩解囿于鈷的成本上漲問題。同時，基于退役鋰電池的特性，該技術(shù)也在向包括復雜的保護電路提出更高要求。大量退役鋰電池的處理由一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈完成，盡可能減少運存時間，量產(chǎn)通用保護電路，側(cè)面擴大退役鋰電池梯次利用的應(yīng)用領(lǐng)域，便于市場化。

（2）聯(lián)結(jié)電池需求。不同類型鋰電池在初始設(shè)定的目標有不同，在梯次利用的領(lǐng)域也不同。定制化加工可以激發(fā)退役鋰電池梯次利用的活力。依據(jù)粉狀石墨和水以不同比例混合后的混合物的物化特性，可以滿足多角度的電池需求，避免“高射炮迫擊蚊子”。而且發(fā)揮最大性能的退役鋰電池可以減少維修費用，將石墨的作用發(fā)揮到極致，提高資源利用率。

五、未來發(fā)展趨勢

未來退役鋰電池梯次利用的主要領(lǐng)域有：一是電力儲能市場;二是低速電動車;三是變電站或者通信基站。退役鋰電池梯次利用通過有效減少廢棄鋰電池數(shù)量獲取巨大的生態(tài)效益和社會效益。隨著退役鋰電池的基數(shù)增大，社會對退役鋰電池梯次利用的需求日趨強烈，故而退役鋰電池梯次利用市場前景一片光明。

退役鋰電池梯次利用的前途是光明的，但是道路是曲折的。退役鋰電池梯次利用全面推廣過程中，當下的弊端將隨著市場擴大而愈發(fā)凸顯。目前退役電池量較少，產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)爭奪擠占有限的退役電池資源，梯次利用電池采購價格居高不下;行業(yè)在殘值評估等技術(shù)方面存在瓶頸，需要退役鋰電池使用的歷史數(shù)據(jù)等信息用于評估退役動力蓄電池性能，以確保篩選重組的梯次利用電池產(chǎn)品安全可靠。在當前回收的退役鋰電池中，以研發(fā)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢舊退役鋰電池為主，新能源汽車退役電池較少。

我國動力電池回收市場還處于發(fā)展階段，但是退役鋰電池梯次利用可以產(chǎn)生的經(jīng)濟效益依然顯著。在退役動力電池梯次利用領(lǐng)域，當電池循環(huán)壽命高于400次時，開始產(chǎn)生盈利，隨著未來電池技術(shù)的成熟，動力電池的退役循環(huán)壽命必將呈現(xiàn)增長態(tài)勢。在報廢動力電池拆解回收方面，目前三元電池的物理回收工藝具有較高的收益，而磷酸鐵鋰電池的拆解回收仍處于虧損狀態(tài)。據(jù)預測，2020年市場上累計報廢動力電池量將達50萬噸，按三元電池占35%，磷酸鐵鋰電池占65%來算，在回收效率及成本基本不變的情況下，通過拆解回收這2類動力電池，也將產(chǎn)生4億元的純利潤，隨著電池正極材料價格的上漲，由于濕法回收工藝具有較大的材料回收效率，因此濕法回收工藝在三元電池回收方面呈現(xiàn)出較大盈利潛力，而對于磷酸鐵鋰電池的回收，選擇物理回收工藝更為合適。將磷酸鐵鋰電池退役后梯次利用和拆解回收結(jié)合起來看，不難發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池退役后的再循環(huán)利用也處于盈利狀態(tài)[4]。

梯次利用還存在效率偏低，電池剩余壽命及一致性評估等技術(shù)不成熟等問題。龍頭企業(yè)要采取多樣化激勵措施，借鑒歐美國家發(fā)展經(jīng)驗，探索可持續(xù)商業(yè)模式。

參考文獻：

[1]王九飆，周文斌，劉質(zhì)斌，等.電動汽車廢舊動力蓄電池的回收利用技術(shù)及發(fā)展[J].環(huán)境與發(fā)展，2017，29（7）：62-63.

[2]高桂蘭，賀欣，李亞光，等.廢舊車用動力鋰離子電池的回收利用現(xiàn)狀[J].環(huán)境工程，2017，35（10）：135-140.

[3]Lih?W?C，Yen?J?H，Shieh?F?H，et?al.Second-use?applications?of?lithium-ion?batteries?retired?from?electric?vehicles：Challenges，repurposing?process，cost?analysis?and?optimal?business?model[J].International?Journal?of?Advancements?in?Computing?Technology，2012：518-527.

[4]宋秀玲，戴書琪，徐永勝，等.廢舊鋰離子電池放電的實驗研究[J].應(yīng)用化工，2015（4）：594-597.

科研項目：湖州師范學院校級科研項目（2019XJKJ36）

作者簡介：陳柯元（2001—），男，浙江寧波人，就讀湖州師范學院，攻讀機械設(shè)計制造及其自動化（師范）專業(yè)。

通訊作者：蔡嘉賓，湖州師范學院教師，實驗師，研究方向：鋰電池參數(shù)結(jié)構(gòu)。