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      行業資訊

      適合梯次利用的動力電池是什么樣的?

      來源:寶鄂實業    2019-03-19 14:36    點擊量:
      隨著國家出臺具體政策,關于動力電池梯次利用的話題最近多了起來??吹骄W上有這樣一個問題:三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池以及其他正極材料的電池,哪種類型更適合梯次利用?
       
      我們不管官方,不管回收有責的主機廠,不管大眾,只站在希望投身這個行業的從業者的角度,看待這個問題。我應該把時間精力投入到哪個領域,才能最值得。這里的值得,既包括穩定收益的可能性大,也應該包含時間維度,長期以后,我的領域至少還存在。
       
      針對這個問題,不好直接回答,因為梯次利用的收益高低并不完全取決于三元還是鐵鋰。這里轉個彎,討論一下,什么特點的電池適合進一步開發梯次利用?
       
      1 正極材料不同帶來電芯性能的區別
       
      正極材料的安全性,能量密度和功率密度是當前不同車型對鋰電池類型做出取舍的基本依據,但后文可以看到,動力電池自身的特性,并不能完全的決定梯次利用性能的好壞。
      1)錳酸鋰
       
      錳酸鋰,作為使用歷史比較長的一種鋰電池材料,其安全性高,尤其抗過充能力強,是一大突出優點。由于錳酸鋰自身結構穩定性好,在電芯設計時,正極材料的用量不必超越負極太多。這樣,使得整個體系中的活性鋰離子的數量不多,在負極充滿以后,不會有太多的鋰離子存于正極。即使出現了過充情形,也不會出現大量鋰離子在負極沉積形成結晶的狀況。因而,錳酸鋰的耐過充能力在常用材料中是最好的。
       
      另外,材料價格低廉,并且對生產工藝要求相對不高,是比較早取得廣泛應用的正極材料。
       
       
      2)磷酸鐵鋰
       
      磷酸鐵鋰的優點主要體現在安全性和循環壽命上。主要的決定因素來自于磷酸鐵鋰的橄欖石結構。這樣的結構,一方面導致磷酸鐵鋰較低的離子擴散能力,另一方面也使它具備了較好的高溫穩定性,和良好的循環性能。
       
      磷酸鐵鋰的缺點也比較明顯,能量密度低,一致性差以及低溫性能不佳。
       
      能量密度低是材料自身的化學性質決定的,一個磷酸鐵鋰大分子只能對應容納一個鋰離子。
       
       
      3)三元鋰
       
      三元鋰正極材料,綜合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三中材料的優點,在同一只電芯內部形成協同效應,兼顧了材料結構的穩定性、活性和較低成本三個要求,是三種主要正極材料中能量密度最高的一種。其低溫效果也明顯的好于磷酸鐵鋰電池。
       
      三種元素中,Ni的含量越高,則電芯的能量密度越高,同時,電芯的安全性越低。在實際應用中,三種材料在電芯中的比例關系,隨著時間的推移一直在發生變動。人們對能量密度的追求越來越高,因而Ni 的占比也越來越高。而電池本身安全性能的改進和系統監控處理事故能力的提高,也會推進三元鋰電池市場擴張的腳步
       
       
      2 退役動力電池的主要對標是鉛酸蓄電池
       
      對于當前正在應用鉛酸蓄電池的場景,很多都是價格敏感,空間不敏感,性能不敏感,才選擇使用鉛酸電池的。當退役動力電池解決了價格問題,則很大可能替代鉛酸的部分應用。
       
      有文獻專門對比了鉛酸蓄電池與推理動力鋰電池的特性。根據大多數汽車制造商和電池廠的建議,應該更換殘留7080%容量的EV鋰離子電池組,否則可能發生意想不到的駕駛故障和安全問題。目前這一過程通常發生在車輛運行35年后,需要考慮更換電動車動力電池組。
       
      盡管退役鋰電池的一些性能參數有所下降,但與鉛酸電池相比仍有優勢。從表1的數據表中可以看出,退役電池的循環壽命和能量密度遠高于鉛酸電池,同時鉛酸蓄電池的價格優勢較弱。
       
      3 影響梯次利用的主要因素
       
      1)檢測、篩選、再加工成本
       
      退役動力電池的再利用生存空間,可能會隨著新電池成本的下降而逐漸被擠壓。短期內,不會受到其他類型電源的沖擊,包括降價以后的新電芯的沖擊,這是選擇梯次利用電芯細分品類首先需要考慮的因素。
       
      GGII數據顯示,2017年年底動力電池價格較2017年初下滑20%~25%。磷酸鐵鋰電池組價格從年初的1.8~1.9元/Wh下降到年底的1.45~1.55元/Wh。三元動力電池包價格從年初的1.7~1.8元/Wh下降到年底的1.4~1.5元/Wh。
       
      有新聞報道稱,2017年中期,我國動力電池比能量為180Wh/kg,到2020年,動力電池比能量也會不斷提升,將達到300Wh/kg。到2020年,全球電池系統每千瓦時平均價格,大約在1000元人民幣、100美元和100歐元之間。”
       
      當新舊電池的差價接近檢測、再加工、設備更換、舊電池維護維修等二次利用電池的綜合成本以后,就可能出現舊電池沒有再利用價值的情況。如果可以利用歷史數據,則省去部分檢測成本,這個時刻會來的晚一些。
       
      沒有再利用的沖動以后,動力電池只有拆解回收原材料這個方式集中處理。電池拆解應該是生命周期較長的一種電芯處理方式。當然,電芯二次處理以及統一規格、模組設計,電池包運營模式等等,對電芯級別的二次利用都有影響,還需要觀察相關技術發展情況,加工成本的降低趨勢。
       
       
      2)處理技術有降成本的空間,提高效率的空間
       
      這個角度其實是1)的延伸,什么樣的電芯能夠實現少量研發支持批量生產應用呢?
       
      a規格一致性
       
      在電動汽車產業前期出現,電芯種類多,量又不大,而電芯的檢測,不同類型的電芯,參數個性化很強,因此,可以說,到目前,18650等通用規格的電芯,比較具備研究價值。
       
      b有歷史數據的電芯
       
      有了歷史數據,動力電池都經歷了哪些濫用,充放電容量總體變化情況,電壓等等都記錄在案。借助對電芯外部特性與內在結構之間關系的研究成果,不用拿到電池就可以先進行初步的一致性評價,剩余價值評價,安全性評價。
       
      有官方文件要求,2017年之后注冊登記的新能源汽車產品,非個人購買的新能源車輛、
       
      個人購買的商用車及專用車,按照國家標準《電動汽車遠程服務與管理系統技術規范》(GB/T 32960)要求上傳相關數據。個人購買的新能源乘用車,在整車車輛狀態、充電狀態、運行模式發生變化時上傳相關數據,但不包括定位數據。在此之前,不同車輛電芯的數據記錄情況可能參差不齊。
       
       
      3)動力電池二次利用的場景
       
      目前熟知的是電力儲能電站,新能源電站,家用儲能,電力補給車輛,低速電動車輛,通訊基站,新能源路燈等等。對于每一種應用場景,對電池的性能要求,對價格的敏感程度,沒有具體數據,不敢往下結論,后續掌握具體數據后,在另起題目進一步討論。但他們需求的不同,必然影響用戶選擇時,關注電池的哪些性能,這是客觀存在的聯動關系。
       
       
      4 一個典型的退役動力電池應用場景舉例——通訊基站
       
      Chunbo ZHU于2017年發表在IEEE上的一篇論文,《Effect of remaining cycle life on economy of retired electric vehicle lithium-ion battery second- use in backup power for communication base station》,針對通訊基站利用動力電池的推理模型,文章有發表周期,數據僅供參考。從這個案例不難看出,應用場景的詳細信息,對于評價一種電芯的應用是否合適,是非常重要的,因此過于籠統的評價合適或者不合適,這不科學。
       
       
      1)工作條件和應用場景
       
      在中國,通信基站數量非常龐大,分布范圍很廣,在偏遠郊區,道路兩側,山頂上建設了越來越多的基站。隨著技術的進步,電網無法到達的偏遠地區,太陽能和風能等可再生能源向基站供電也已經廣泛出現。
       
      目前,購買鉛酸電池的市場價格及其后處理費用分別為0.6元/ Wh和0.2元/Wh。中國鐵塔有限公司開發的測試標準所要求的鉛酸蓄電池的循環壽命超過200次。根據通信基站管理單元的研究,通信基站的備用電源工作條件,應用場景及相關的詳細參數列于表二。
       
      2) 成本計算模型
       
      無論備用電源的工作條件如何,在比較備用鋰電池和鉛酸電池的工作條件時,要分析的參數都是相同的。這些參數主要包括:電池容量,購買單價,安裝和更換成本,電力,電池組的廢舊處理成本,根據工作條件確定的不同操作策略,電池電量要求和電池放電時間等。
       
      根據公式(2)評估年度成本,
      估算運營周期的總成本(COST)
       
      主要包括備用電池組的總成本;后期維護費用,電池組初始安裝費用和更換費用以及廢舊電池組的剩余價值。當計算操作周期時,同時考慮日歷壽命和循環壽命。
       
      電池循環壽命持續時間(Tperl)由電池的循環壽命(Ncl)和運行策略(Noc)決定。運行策略是指充電的數量以及根據工作條件和應用場景獲得的電池組每日完成的放電周期。這個參數可以通過使用(4)來計算。
       
      3)估計結果分析
       
      目前在中國,新動力電池價格約為2.2元/Wh,退役鋰電池的平均電池價格約為0.73元/Wh,篩選和重組部件的成本約為0.60元/ Wh??紤]到目前使用退役鋰電池正處于試運行階段,批量生產后仍有價格空間,所以把基站可用的退役鋰電池系統價格定在1.1元/ Wh。中國“十三五”發展規劃確定的鋰電池價格為≤0.8元/小時,現在的新舊電池比例計算,在“十三五”發展規劃完成后,退役鋰電電池電量估計應達到0.265元/ Wh??紤]到可用電池的比例(部分電池因各種原因無法進行二次利用,暫定比例為50%)和退役鋰電池的容量衰減(暫定70%),并且根據目前的電池篩選和分組方法,重新調整后的退役電池價格估計為0.265 / 50%/ 70%= 0.757。因此,使用目標單價為0.7元/ Wh的采購價格進行比較分析。
       
       
      在新能源領域,退役鋰電池剩余循環壽命為443次(購買價格1.1元/小時)和286次(購買價格0.7元/小時)時,退役鋰電池總成本與鉛酸電池相同。隨著剩余循環壽命的增加,退役鋰電池的經濟效益顯著增加。這主要是因為在這個場景中,電池組的運行狀況是電池組每天要完成一次充放電循環,所以電池組的剩余循環壽命是影響經濟性的最重要因素; 經濟效益屬于剩余循環壽命敏感型。
       
       
      在另外三個應用場景中,即使購買價格不同,當退役鋰的剩余循環壽命為219次(高溫場景),214次(一種或兩種電量)時,儲蓄率達到固定值, 274次(三種或四種電力),并且隨著剩余循環壽命的增加,成本節省率將不會提高。例如在高溫場景中,這個場景對于電池組的操作情況約為4.5次/月的充電和放電周期,因此電池組的日歷壽命是影響經濟的主要因素,成本節省率對日歷壽命敏感。該場景的實際計算是:當鉛酸電池循環壽命為200次,退役鋰電池剩余循環壽命為400次時,在這個場景中,循環壽命時間分別可以達到3.65年和7.31年,比相應的日歷壽命時間(2.5年(鉛酸電池,約137次循環壽命)和4年(退役鋰電池,約219循環壽命))長的多。根據經濟計算模型,在計算中起作用的參數是電池的日歷壽命,剩余循環壽命的增加不能改善成本節省性。另外兩個場景的情況是相似的,這里不再重復。
      5 總結
       
      1)具有明確歷史數據,可以通過數據分析,基本獲得其安全性和剩余價值評估結果的電芯,更具二次利用的優勢;
       
      2)規格統一,包括外形、性能參數等,總體數量大的電芯,比如主流容量規格的18650。隨著官方出臺電池標準的執行,市場運營經驗的逐漸豐富,相信電芯、電池組的統一性會越來越好,越來越有利于二次利用。
       
      3)對于規格參數過于復雜,單一品類數量過小的電芯(在動力電池市場啟動初期,電芯類型比較復雜),恐怕做原料回收,集中處置,是更合理的方式。
       
      4)考慮具體應用場景,根據對標產品評價退役電池的經濟性,是具體開發動力電池二次利用產品的好方式,而不是直接做出判斷。

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