新能源汽车磷酸铁锂电池电极回收与梯次利用改进

张天一

摘要：随着科技的发展，越来越多新能源汽车投入使用，但是汽车动力电池电池容量低于80%就会报废，随之而来报废或者退役问题逐渐凸显出来。为了减少电池资源浪费等问题，不少学者提出梯次利用的方式，但是现在中国磷酸铁锂电池的回收方式并不完善，梯次利用上还处于起步阶段。本文主要在当下动力电池梯次利用的大背景下，以全生命周期优化管理为突破口，讨论当今磷酸铁锂动力电池的回收以及梯次利用，并在梯次利用中收集、筛选和分类上进行深入探讨，进一步优化梯次利用体系。

Abstract： With the development of science and technology， more and more new energy vehicles are put into use， but the battery capacity of automotive power batteries will be scrapped below 80%， and the problems of scrapping or decommissioning will gradually become apparent. In order to reduce the waste of battery resources and other issues， many scholars have proposed a method of step utilization， but the recycling method of lithium iron phosphate batteries in China is not perfect， and the step utilization is still in its infancy. This article mainly discusses the recycling of lithium iron phosphate current batteries and the use of the ladder in the current background of the power battery's ladder utilization， and takes the full life cycle optimization management as the breakthrough， and conducts an in-depth discussion on the collection， screening and classification of the ladder utilization， and further optimizes the step utilization system.

關键词：磷酸铁锂电池;动力电池;梯次利用;全生命周期优化管理

Key words： lithium iron phosphate battery;power battery;step utilization;optimal management of the entire life cycle

中图分类号：TM912                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）04-0202-03

1  研究背景

在整个电动汽车产业链条中，动力锂电池已经成为电动汽车发展的核心，它也成为了电池行业与汽车行业的关键结合点，例如锂电池与梯次成组技术的应用就成为了新能源汽车发展规划的关键。就目前来看，国内磷酸铁锂电池已经成为电动汽车所采用的首选动力电池。这种电池相比于传统铅酸电池以及镍氢电池在储能效果上表现更好，电池能量密度更大，循环寿命更长且充电无记忆效应表现更佳。如果就电池单体看，它基本能够满足对电池体积、功率与寿命等等方面的高要求，能够有效满足当前的电动汽车发展应用需求。

就传统车用电池组而言，其满充容量如果达到不到额定容量的80%就要被淘汰，整体寿命大约为3～5年。磷酸铁锂电池组则不然，它的整体使用寿命大约在8～10年左右，不过它的整体生产制造成本、运维成本都相对较高，这在一定程度上严重阻碍了当前电动汽车产业的发展。而且伴随着当前我国大量电动汽车的生产与普及，锂离子电池淘汰后所造成的资源浪费与环境污染都为城市生态化发展带来巨大压力[1]。

为了解决这一问题，磷酸铁锂电池梯次利用发展技术应运而生，它所规划的发展路线明确、产业链条建设布局清晰，但它也存在一定的技术难点，可以说是优劣势并存。简单来说，磷酸铁锂电池梯次利用技术的核心本质就是对电动汽车中动力电池无法满足功率与能量需求的电池进行更换，并将这些淘汰电池再利用到其它领域中，例如储能领域，如此可充分发挥锂离子电池中剩余80%的电能容量，不至于造成电池资源的巨大浪费，同时它也在一定程度上降低了传统磷酸铁锂电池的应用维护成本。

2  研究目的

了解现在新能源汽车中磷酸铁锂电池的回收与利用情况，调查磷酸铁锂电池梯次利用的现状，在现行磷酸铁锂动力电池梯次利用的基础上进行创新性改进并提出建议，主要从电池退役后的收集、筛选、分类、管理等几方面进行梳理改进，从而提动力电池的梯次利用效率，不仅可以降低电池的维护成本，也可以促进我国进一步加强推进磷酸铁锂电池梯次利用的脚步，为我国锂动力电池的重复利用贡献一份力量，减少资源的浪费。

3  研究方法

本研究主要采用了文献研究法、实地调查法和访谈法。文献研究法主要是查阅现在我国磷酸铁锂动力电池的使用情况，以及我国在新能源汽车退役磷酸铁锂铁的回收与利用情况，并针对现行的回收与梯次利用技术进行总结，为后续研究和改进做铺垫。实地调查法主要去阜阳当地的4S汽车店，对当地汽车企业进行调查访问，咨询当地企业对待磷酸铁锂电池的回收与利用态度以及现在电池梯次利用的情况。在提出改进方案之后也会去企业找相关技术人员再进行一次探讨，最大限度保证电池回收的可实施性。访谈法主要是和化学领域的老师专家进行访谈，询问他们对于电池回收利用的看法，以及向他们求证梯次利用改进的方式是否合理，为下一步实验和推广做好充足准备。

4  研究结果

4.1 全生命周期优化管理磷酸铁锂电池梯次利用所面向的社会、经济与产业问题

在新能源汽车发展大行其道的当今社会，汽车动力电池保有量已经呈现出快速发展趋势，它的销量突飞猛进，但相应问题也日益凸显。究其根本，需要分析动力磷酸铁锂电池的基本材质内容，它其中就包含了镍、钴以及稀土等等，这些材料的成本非常之高，且在电池报废后造成了大量的资源浪费与环境污染，这是当前全球各国都亟待解决的问题。而针对动力磷酸铁锂电池的梯次利用技术则面向全球各个国家提出，它更面向国家社会、经济与产业等相关问题。

4.1.1 面向社会的问题分析

根据我国在新能源汽车发展相关规划，预计到2020年纯电动汽车与插电式混合动力汽车的累计产销量将超过500万辆，这意味着届时将产生大量的废弃磷酸铁锂电池。这些电池如果不加以合理处理将会为自然生态环境与社会经济发展带来一系列压力问题，例如占用大量的存储对方空间，电池中重金属化学物流出对于土壤、水文的污染影响等等，特别是电解液泄露直接威胁人类健康安全。为了解决这一问题，我国就已經开始推广使用磷酸铁锂电池梯次利用技术，该技术的关键不但局限于对环境污染问题的解决，它还希望形成良好的循环利用模式。比如说将报废处理的电池应用于建筑的太阳能光伏储能系统中，它专门应用于对可再生能源稳定输出的辅助方面，同时也能缓解废旧电池随意被丢弃所带来的重金属污染问题。可以说，该技术在面向社会问题解决方面起到了极大实践应用作用价值。

4.1.2 面向经济的问题分析

在面向经济问题方面，国内希望利用磷酸铁锂电池梯次利用技术体系深度开发、拓展动力电池市场，结合科学论证与磷酸铁锂电池评估发觉它的二次利用价值，实现对动力电池的再利用优化过程。一般来说，废弃的动力电池在经过汽车生产商回收后可采用梯次利用技术进行二次改造，为其他电动汽车需求者所再次利用。换言之，汽车生产商希望建立一套健全的回收体系，深度提取废弃电池中的稀有金属等等原材料，实现对电池的充分循环利用，最大限度降低电池生产应用成本。目前的电动汽车非常依赖于磷酸铁锂动力电池，其电池成本就占到整车成本30%以上，为了解决电池容量低于80%便无法再应用于电动汽车中这一问题，采用梯次利用技术方式可实现对大量废旧动力电池的资源回收利用最大化，构建新能源汽车动力电池梯次利用的系统化与规模化技术体系，将电池生产与应用利润提升到较高水平。

4.1.3 面向产业的问题分析

要推动动力电池梯次利用技术的发展还必须建设电动汽车产业链，保证产业发展的贯通性。考虑到我国不同汽车企业中电池发展路线也各不相同，所以针对不同企业不同电动汽车的规格、评测结果、技术要求等等展开综合分析，明确梯次利用技术应用的有效性。目前像国家电网下属的北京公司、上海公司、浙江公司等等都纷纷展开了针对动力电池的“余能”研究，希望基于传统动力电池容量技术内容进一步研究其电池参与容量可用价值，并配合动力电池回收梯次构建科技化产业市场，面向产业解决动力电池余能利用问题。

4.2 全生命周期优化管理磷酸铁锂电池的梯次利用技术路径

就磷酸铁锂电池而言，还要继续构建全生命周期优化管理体系，进一步提升其梯次利用技术发展路径。

4.2.1 梯次利用电池收集数据库

为了更方便更快捷地获取磷酸铁锂电池的相关个体信息，应该尽快建立全国联网的磷酸铁锂电池数据库。由于每个电池都具有独特性，建议将电池身份具体化，为每个电池组、电池进行编号处理，建立行业统一标准，以二维码或者条形码的形式统一录入数据库系统，形成全国磷酸铁锂电池身份系统。

在建立磷酸铁锂电池身份系统之后，需要及时出台相关国家政策。其一，为了保障磷酸铁锂数据库的安全性，保证电池数据不会被用于其他不合法用途;其二，国家政策需大力支持和推广磷酸铁锂电池梯次利用，条件允许时可以适当再提供部分补助;其三，可以适当强制企业层面进行梯次利用数据录入，为后续梯次利用工作做准备，保障磷酸铁锂电池数据的时效性。

4.2.2 梯次接口、临界点与管理系统技术应用

要构建合理有效的磷酸铁锂电池梯次利用技术体系，实现针对电池的全生命周期优化管理，就必须最大限度降低电池使用成本，提升其使用价值。例如在梯次利用领域建立接口，解决磷酸铁锂电池利用的不兼容问题。具体来讲，要首先明确梯次接口、临界点与管理系统技术内容的通信标准与接口差异，可分析动力电池系统内部的电路接口与接口协议内容，争取为第一生命周期结束的电动汽车采用磷酸铁锂电池梯次利用技术，最大限度降低梯次利用再制造与加工成本。要全局把控梯次利用临界点，发挥梯次利用电池本身所固有的最大效用。这里所谈到的梯次利用电池临界点就包含了电动汽车用磷酸铁锂电池的性能评估标准，要结合这一性能评估标准来明确电池的第一生命期长度，再配合梯次利用更换技术对其应用领域进行分析，避免电池动力性能的无端浪费现象出现。必要时应该建立电池寿命预测模型，对电池特性进行状态评估，最后提出更高的全生命周期优化管理要求，科学延长磷酸铁锂电池的使用寿命周期。

再者，梯次利用电池储能系统的技术应用也很必要，它也围绕梯次利用基本原理创建了电池储能系统容量为100kW·h的电源电能拓扑结构。它采用到了3级管理架构设计，基于SBMS、MBMS、BMU组合形成系统支持体系，实现对电池的精细化管理进程，可对每一块电池模组进行电压与温度采样分析，以此数据实现对电池系统的管理优化。

4.2.3 自适应动态可重构电池系统与SOC估计预测技术应用

若要实现对磷酸铁锂电池的全生命周期优化管理，还要实现电池周期价值的最大化，目前可采用电池组荷点状态SOC技术，利用这一技术对电池的健康状态进行精确检查预测。作为一种智能化电池管理技术，它能够适用于不同技术应用领域中，同时兼容多种通信协议内容。

比如说自适应动态可重构电池系统建模技术，它可配合SOC估计预测技术方法对磷酸铁锂电池的充放电性能、容量衰减性能、温度特性等等进行分析，提出基于自适应动态的电池系统重构架构，解决单体电池中的动态可变拓扑连接方式，形成具有针对性的电池自适应状态分析技术体系，重构电池网络。

4.2.4 磷酸铁锂电池的退役梯次回收技术应用

最后要针对退役的磷酸铁锂电池建立梯次回收体系，其体系核心技术内容就包括了针对电池的分选评估技术体系、成组均衡分析技术体系、运行维护技术体系、经济性评估技术体系等等。要围绕当前电动汽车的大规模储能技术领域分析上述技术内容，合理规划磷酸铁锂电池的退役梯次回收时间点，并对电池容量进行客观分析评估。在磷酸铁锂电池梯次利用领域比较艰难的部分是标准统一问题，在标准统一上，建议行业众多企业成立梯次利用项目合作委员会，合作研究制定行业标准。当然，这一行业标准委员的建议需要得到国际政策支持与鼓励，如此才能保证行业标准的尽快制定与统一。

5  下一步研究计划

第一，下一步研究将进行更多实验研究，将把磷酸铁锂电池梯次利用向企业推荐梯次利用，来验证梯次利的方法是不是具有实用性。第二，针对磷酸铁锂电池一致性问题进行研究，因为电池一致性的问题一直以来事困扰研究者的重大问题，很多学者和专家在这个层面持有不同意见，且未找到一个十分高效的解决方式。下一步将进一步了解相关领域发展，思考梯次利用中电池一致性的问题。

参考文献：

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