电动汽车动力电池梯次利用的现状情况

随着电动汽车在汽车市场销售份额的不断增加,其内部老旧电池的处理问题愈发受到社会各界的重视。旧电池部件的二次利用,可以间接降低电池的成本价格,还能减少电池垃圾对生态环境的污染。旧电池也可作为储能部件,为电网系统、电力市场提供部分辅助服务。老旧电池的二次利用技术将会开辟一个新兴的市场。

在中国新能源汽车产业大规模推广之初,动力电池的梯次利用就曾被提及。2011年起,动力电池回收利用工作被纳入中国新能源汽车推广应用的政策体系,政府也在2012-2020年节能与新能源汽车产业发展规划中,对动力电池回收利用工作进行了明确规划。但由于当时的动力电池大多处于示范运营阶段,动力电池的梯次利用工作并未真正开展。

伴随着新能源汽车的爆发式增长,动力电池回收市场也在壮大。数据显示,截至2017年,我国电动汽车、新能源汽车销售量已达到77万辆,保有量超过160万辆,占世界的一半。据中国汽车技术研究中心预测,随着电动汽车市场规模不断增长,中国动力电池将迎来“报废潮”,动力电池平均报废年限为5~8年,2018年~2020年,全国累计报废动力电池将达12万~20万吨,到2025年动力电池年报废量或达35万吨的规模,大约是2016年报废量的20倍。

随着社会对环境污染、碳排放等问题越来越重视,对于退役动力电池进行梯次利用,一直被认为是新能源汽车动力电池退役后的主要去处,然而,也有人从安全性和经济性层面考虑,认为动力电池梯次利用就是一个“伪命题”。然而,随着中国动力电池退役潮的临近,以及相关标准的陆续公布,动力电池的梯次利用将在退役电池规模和政策方面获得更多支撑,梯次利用势在必行。

业界为“动力电池梯次利用”领域下定论:不适合大型储能

中关村储能产业技术联盟秘书长张静认为,动力电池在储能上梯次利用确实存在一些问题,但说它是“伪命题”似乎还不太合适。一方观点从节约成本、绿色发展的角度认为,将退役动力电池用于储能,可以体现出动力电池全生命周期的价值,也可以节约一些成本,并让锂离子电池真正做到“绿色”;另一方则从技术角度考虑,认为经过在动力系统中的使用,电芯性能已有很大改变,再用于储能系统,电芯性能方面会存在问题,而解决这些问题又会增加更多的成本投入。

中兴派能营销事业部总经理冯朝晖表示如果进行梯次利用,大规模储能并不是退役动力电池的理想选择,例如一辆电动汽车的带电量约30-100KWh,而大型储能电站通常在6-7MWh左右,一个大型储能电站相当于几千辆电动汽车,对电芯在一致性方面的要求,显然比电动汽车要高得多。而且电动汽车2-3天才充一次电,而储能电站基本每天都要循环至少一次,这对电芯的相关性能也有更高的要求。大型储能项目在很多方面,对电芯的要求要远高于电动汽车。

阳光电源高级技术经理吴磊也表示,退役动力电池最难的步骤是筛选。每辆车的行驶状况不同,导致电池的容量、内阻等无法一致,且储能系统和汽车动力系统电芯数量不是一个数量级,筛选工作繁重巨大。即使成功筛选后继续应用在储能系统中,这些不同工况的电芯如何管理,也是一个问题。

浙江超威电力有限公司储能事业部总经理李敏表示,梯次电池放电倍率达到0.3C以上还比较困难,动力电池在储能领域的梯次利用还有局限性,并且在提高光伏发电的预测曲线精度方面,暂时不推荐使用梯次电池技术

德国莱茵TUV大中华区太阳能及燃料电池技术服务总经理李卫春表示,在动力电池梯次利用方面,需要一些标准来判断退役电池是否适合用于储能,以及按照哪些规范来进行应用。

中国工程院院士杨裕生指出,电化学储能具备的十大性能,最主要的就是安全性,只有在确保安全的前提下,电化学储能才能发挥它在能源革命中的作用,推动中国绿色能源的发展。也正因如此,对于安全性要求非常高的大型储能项目,需要在电芯的选择上更加谨慎。而动力电池梯次利用,也应着眼于微网、备用电源等小规模储能领域,或应用在电动自行车、低速电动车等动力领域。

这些观点都表明,退役动力电池要想在储能上梯次利用,那么应用的系统应该尽量简单,否则得不偿失。

梯次利用虽有难题,但其势不可挡

从整个新能源汽车产业看,投入应用的动力电池规模越大,其管理难度也就越大,动力电池的规格尺寸等越需要标准化、规范化。2017年8月4日,GB/T34015-2017《车用动力电池回收利用——余能检测》、GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》、GB/T34014-2017《汽车动力电池编码规则》三项动力电池国家标准的详细内容已正式公布。这三项国家标准使动力电池的信息追溯成为可能,梯次利用更加安全、有序和规范。10月11日,国家发改委官网挂出的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》(下称《指导意见》)描绘了储能技术十年发展“路线图”,其中就指出,完善动力电池全生命周期监管,开展对淘汰动力电池进行储能梯次利用研究。

从国家推荐标准的出台到国家强制标准的制定,动力电池的梯次利用正获得越来越有力的支撑。现在,行业内热议的不是梯次利用的真伪问题,而是如何将动力电池的梯次利用与新能源汽车的发展无缝衔接,将动力电池的梯次利用向前推进。

超威集团的动力电池梯次利用有一套详细的解决方案:回收的锂电池价格约为新电池价格的20%,如果回收的锂动力电池组设计参数及运行数据保存良好且符合梯次利用要求,公司录入储能系统配组参数后,直接入库作为储能系统配组电池。如果回收的锂动力电池组设计参数及运行数据不清楚,超威集团将进行电性能和安全性能检测,如果符合储能应用要求,将直接录入储能系统配组参数,入库作为储能系统配组电池。如果整个锂动力电池组不符合储能要求,将对基本的模组单元进行检测,符合要求者作为储能电池入库;不符合要求者,进入回收仓库。

天津力神电池股份有限公司副总工程师苏金然从能量密度、成本、标准化、自动化、技术成熟度和梯次利用六个维度分析了18650和21700电池的优劣。通过对比,苏金然认为,18650在能量密度和成本方面不如21700优势明显,但在技术成熟度和梯次利用方面,21700不如18650。中国生产21700电池的时间并不长,21700动力电池的退役期还有几年,21700的梯次利用还可以进一步研究和探索。

从伪命题到进展初现:中国铁塔公司的动力蓄电池梯级利用试验站点

工信部官网显示,中国铁塔公司自2015年10月,先后在黑龙江、天津等9省市建设了57个退役新能源汽车动力蓄电池梯级利用试验站点,涵盖备电、削峰填谷、微电网等各种使用工况,对梯级利用模式进行了积极有益的实践探索。通信基站一般通过电网系统供电,但需要配置后备电池,以保证在停电期间持续稳定运行。铅酸电池原是通信基站备电的主流,但随着锂电池成本的不断下降,这种能量密度更高、寿命更长的电池正变得更具竞争力,而梯级利用电池则有望进一步降低成本。铁塔公司在全国拥有180万座通信基站,有潜力消耗大规模的退役动力电池。

中国铁塔股份有限公司能源创新中心高级总监高健就储能电池市场需求和锂电池回收梯次利用等问题表态:中国铁塔在储能电池上需求巨大,锂电池占比达到2%左右;锂电池回收梯次利用已在扩大试点阶段,会成为梯次利用电池主要的应用领域。高健表示基于铁塔这个特点,梯次利用一般不会出现电池自燃爆炸或者没有达到要求的问题。首先单座铁塔基站需要的备用电池是30KWh,也就是需要62.5KWh的退役动力电池,与一辆新能源汽车动力电池容量相当,同一辆车退役下来的动力电池可以做成模组,也就避免了电池一致性不好的劣势。再者,铁塔基站不会采用大电压大电流的方式对电池充电,也就降低了电池在充电过程中发生爆炸燃烧的几率。而且铁塔的环境相对空旷,对能量密度的要求不是那么高,还可以进行实时监控,这样就保证了安全性。

铁塔公司目前在全国范围内拥有180万座基站,备电需要电池约54GWh;60万座削峰填谷站需要电池约44GWh;50万座新能源站需要电池约48GWh。合计需要电池约146GWh。以存量站电池6年的更换周期计算,每年需要电池约22.6GWh;以每年新建基站10万个计算,预计新增电站需要电池约2.4GWh。合计每年共需要电池约25GWh。预计到2020年之前递次利用市场总量68.5GWh,梯次利用电池大概有38.36GWh,大概能满足铁塔公司38%的用量,在2020年以后递次利用电池满足铁塔公司需求的基础上还有一定的富裕,铁塔公司会积极充分发挥自身的优势,在分布式储能行业试图推向商业化。

这些梯级利用电池使用一年半以来,从使用效果看,在经济、环境效益等方面都有其优势,同时,也为梯级利用电池在通信基站备能领域推广应用积累了经验。

成本控制定成败

梯级利用和再生处理是退役动力电池回收利用的两个方向,经过梯级利用后,电池也将进行再生处理。如果说无害化处理和资源再生是必须做的,那么梯级利用是必须做的吗?业内人士看来,梯级利用充分发挥了动力电池的价值,但只有保证经济性,这件事才是值得去做的。

电池的质量是梯级利用的前提。2014年以前生产的动力电池很难实现梯次利用。2014年以前,电池工艺水平还不够高,在容量衰减到80%退役以后,继续使用会出现“跳水”,即容量急剧下降,难以再次利用。近年来,电池质量已有较大幅度的提升,电池容量的衰减能够保持线性,因此梯级利用在技术上才具备了可行性。

在电池可用的前提下,通过拆解、检测、筛选、重组等步骤可以使退役电池再次运用于新的使用场景。在业内人士看来,梯级利用从技术上说并不难,难点在于成本控制。即使是电芯成本远低于新电池,拆解、筛选、重组等步骤都会增加梯级利用的成本,另外旧电池寿命较短,如果用于储能也难以像新电池一样实现无人值守,综合来看总成本可能并不低。同时,新电池的成本也在不断下降,梯级利用电池也面临和新电池之间的竞争。

彭博集团旗下新能源行业数据供应商——彭博新能源财经( Bloomberg New Energy Finance)基于对50家公司自2010年以来的跟踪调查显示,全球产能的提升或将令动力电池的价格达到史上最低位。目前,锂电池组的平均售价为每千瓦时209美元(约合人民币1383.58元),较一年以前下降了24%。而在2010年,这一数字是1000美元(约合人民币6620元)。到2025年,动力电池的价格有望下探到每千瓦时100美元(约合人民币662元)。这意味着,届时动力电池的售价将在目前的基础上降低一半以上。能源科技行业的几位关键玩家有望在2020年代中期以前帮助动力电池的售价下降到80美元。

大战略:“换电模式”+梯次利用

无论是新能源整车企业,还是动力电池企业,采用“换电模式”发展战略的同时,往往把动力电池的梯次利用纳入企业大战略并将其作为一个重要环节。

风帆有限责任公司副总经理刘双合表示公司最新发展战略:风帆已决定实行“换电模式”,动力电池模块实行标准化设计,形成“动力电池标准化模组——新能源交通工具——汽车换电运营——模组电池梯次利用——储能系统——电池回收——电极材料”这样一个完整产业链。刘双合表示,风帆通过实行“换电模式”,可控制用于梯次利用的动力电池的回收渠道,为储能系统的运转奠定基础。

北汽新能源以及车和家、蔚来汽车等新能源车企也都在实行“换电模式”,并将动力电池的梯次利用问题纳入公司的长远发展战略。北汽新能源总经理郑刚表示,换电模式的关键是要打通全价值链。他认为,从整车开发设计,到换电机构的应用、电池包的运营,再到电池梯次利用,以及到最后的无害化处理,提纯电池材料之后再返回交给电池厂商,只有把这个价值链打通,才能有效地降低整个产业链的成本。而车和家在常州建有动力电池PACK工厂,每天可处理20万颗18650电芯,该PACK厂为以后退役动力电池的梯次利用提供了条件。此外,蔚来汽车把发展基于动力电池梯次利用到储能上的能源互联网业务,作为其公司发展战略的重要一环。

宝马CEO科鲁格(Harald Krüger)表示未来宝马废旧汽车电池都将回收到储存农场。宝马宣布旧电池储存农场投入使用,500块宝马电动车电池将驱动工厂的四座风车,为莱比锡工厂提供四分之三的电力。宝马i系电动车的汽车电池的保质期为八年,八年过后电池过期后就会进入农场。届时,宝马储存农场将能为莱比锡和周边地区的电网供电,农场最大功率将达一千万瓦特,能为5万德国家庭提供一个月的电量。宝马也将在德国其他工厂设置安装储存农场。科鲁格说:“宝马的未来是电动车”,他高度评价了莱比锡工厂为宝马和宝马电动车做出了重要的贡献,计划今年大规模扩建莱比锡工厂,已经投资了20亿欧元改良莱比锡工厂。