鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:184次 | 2024年01月17日
什么是動(dòng)力鋰離子電池?適合梯次利用的究竟是什么樣的動(dòng)力鋰離子電池
針對(duì)這個(gè)問題,不好直接回答,因?yàn)樘荽卫玫氖找娓叩筒⒉煌耆Q于三元還是鐵鋰。這里轉(zhuǎn)個(gè)彎,討論一下,什么特點(diǎn)的電池適合進(jìn)一步開發(fā)梯次利用?
1、正極材料不同帶來電芯性能的差別
正極材料的安全性,能量密度和功率密度是當(dāng)前不同車型對(duì)鋰離子電池類型做出取舍的基本依據(jù),但后文可以看到,動(dòng)力鋰電池自身的特性,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離子電池材料,其安全性高,尤其抗過充能力強(qiáng),是一大突出優(yōu)點(diǎn)。由于錳酸鋰自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,在電芯設(shè)計(jì)時(shí),正極材料的用量不必超越負(fù)極太多。這樣,使得整個(gè)體系中的活性鋰離子的數(shù)量不多,在負(fù)極充滿以后,不會(huì)有太多的鋰離子存于正極。即使出現(xiàn)了過充情形,也不會(huì)出現(xiàn)大量鋰離子在負(fù)極沉積形成結(jié)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。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
另外,材料價(jià)格低廉,并且對(duì)生產(chǎn)工藝要求相對(duì)不高,是比較早取得廣泛應(yīng)用的正極材料。
2)磷酸鐵鋰
磷酸鐵鋰的優(yōu)點(diǎn)重要體現(xiàn)在安全性和循環(huán)壽命上。重要的決定因素來自于磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu),一方面導(dǎo)致磷酸鐵鋰較低的離子擴(kuò)散能力,另一方面也使它具備了較好的高溫穩(wěn)定性,和良好的循環(huán)性能。
磷酸鐵鋰的缺點(diǎn)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(xué)性質(zhì)決定的,一個(gè)磷酸鐵鋰大分子只能對(duì)應(yīng)容納一個(gè)鋰離子。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
3)三元鋰
三元鋰正極材料,綜合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三中材料的優(yōu)點(diǎn),在同一只電芯內(nèi)部形成協(xié)同效應(yīng),兼顧了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、活性和較低成本三個(gè)要求,是三種重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離子電池。
三種元素中,Ni的含量越高,則電芯的能量密度越高,同時(shí),電芯的安全性越低。在實(shí)際應(yīng)用中,三種材料在電芯中的比例關(guān)系,隨著時(shí)間的推移一直在發(fā)生變動(dòng)。人們對(duì)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(jìn)和系統(tǒng)監(jiān)控處理事故能力的提高,也會(huì)推進(jìn)三元鋰離子電池市場擴(kuò)張的腳步
2、退役動(dòng)力鋰電池的重要對(duì)標(biāo)是鉛酸蓄電池
關(guān)于當(dāng)前正在應(yīng)用鉛酸蓄電池的場景,很多都是價(jià)格敏感,空間不敏感,性能不敏感,才選擇使用鉛酸電池的。當(dāng)退役動(dòng)力鋰電池解決了價(jià)格問題,則很大可能替代鉛酸的部分應(yīng)用。
有文獻(xiàn)專門比較了鉛酸蓄電池與推理動(dòng)力鋰離子電池的特性。根據(jù)大多數(shù)汽車制造商和電池廠的建議,應(yīng)該更換殘留7080%容量的EV鋰離子電池組,否則可能發(fā)生意想不到的駕駛故障和安全問題。目前這一過程通常發(fā)生在車輛運(yùn)行35年后,要考慮更換電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池組。
盡管退役鋰離子電池的一些性能參數(shù)有所下降,但與鉛酸電池相比仍有優(yōu)勢(shì)。從表1的數(shù)據(jù)表中可以看出,退役電池的循環(huán)壽命和能量密度遠(yuǎn)高于鉛酸電池,同時(shí)鉛酸蓄電池的價(jià)格優(yōu)勢(shì)較弱。
表一,鋰離子電池和鉛酸電池的參數(shù)比較
3、影響梯次利用的重要因素
1)檢測(cè)、篩選、再加工成本
退役動(dòng)力鋰電池的再利用生存空間,可能會(huì)隨著新電池成本的下降而逐漸被擠壓。短時(shí)間內(nèi),不會(huì)受到其他類型電源的沖擊,包括降價(jià)以后的新電芯的沖擊,這是選擇梯次利用電芯細(xì)分品類首先要考慮的因素。
GGII數(shù)據(jù)顯示,2017年年底動(dòng)力鋰電池價(jià)格較2017年初下降20%~25%。磷酸鐵鋰離子電池組價(jià)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?jiǎng)恿︿囯姵匕鼉r(jià)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(bào)道稱,2017年中期,我國動(dòng)力鋰電池比能量為180Wh/kg,到2020年,動(dòng)力鋰電池比能量也會(huì)不斷提升,將達(dá)到300Wh/kg。到2020年,全球電池系統(tǒng)每千瓦時(shí)平均價(jià)格,大約在1000元人民幣、100美元和100歐元之間。
當(dāng)新舊電池的差價(jià)接近檢測(cè)、再加工、設(shè)備更換、舊電池維護(hù)維修等二次利用電池的綜合成本以后,就可能出現(xiàn)舊電池沒有再利用價(jià)值的情況。假如可以利用歷史數(shù)據(jù),則省去部分檢測(cè)成本,這個(gè)時(shí)刻會(huì)來的晚一些。
沒有再利用的沖動(dòng)以后,動(dòng)力鋰電池只有拆解回收原材料這個(gè)方式集中處理。電池拆解應(yīng)該是生命周期較長的一種電芯處理方式。當(dāng)然,電芯二次處理以及統(tǒng)一規(guī)格、模組設(shè)計(jì),電池包運(yùn)營模式等等,對(duì)電芯級(jí)別的二次利用都有影響,還要觀察相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況,加工成本的降低趨勢(shì)。
2)處理技術(shù)有降成本的空間,提高效率的空間
這個(gè)角度其實(shí)是1)的延伸,什么樣的電芯能夠?qū)崿F(xiàn)少量研發(fā)支持批量生產(chǎn)應(yīng)用呢?
a規(guī)格一致性
在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)前期出現(xiàn),電芯種類多,量又不大,而電芯的檢測(cè),不同類型的電芯,參數(shù)個(gè)性化很強(qiáng),因此,可以說,到目前,18650等通用規(guī)格的電芯,比較具備研究價(jià)值。
b有歷史數(shù)據(jù)的電芯
有了歷史數(shù)據(jù),動(dòng)力鋰電池都經(jīng)歷了什么濫用,充放電容量總體變化情況,電壓等等都記錄在案。借助對(duì)電芯外部特性與內(nèi)在結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的研究成果,不用拿到電池就可以先進(jìn)行初步的一致性評(píng)價(jià),剩余價(jià)值評(píng)價(jià),安全性評(píng)價(jià)。
有官方文件要求,2017年之后注冊(cè)登記的新能源汽車產(chǎn)品,非個(gè)人購買的新能源車輛、
個(gè)人購買的商用車及專用車,按照國家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T32960)要求上傳相關(guān)數(shù)據(jù)。個(gè)人購買的新能源乘用車,在整車車輛狀態(tài)、充電狀態(tài)、運(yùn)行模式發(fā)生變化時(shí)上傳相關(guān)數(shù)據(jù),但不包括定位數(shù)據(jù)。在此之前,不同車輛電芯的數(shù)據(jù)記錄情況可能參差不齊。
3)動(dòng)力鋰電池二次利用的場景
目前熟知的是電力儲(chǔ)能電站,新能源電站,家用儲(chǔ)能,電力補(bǔ)給車輛,低速電動(dòng)汽車輛,通訊基站,新能源路燈等等。關(guān)于每一種應(yīng)用場景,對(duì)電池的性能要求,對(duì)價(jià)格的敏感程度,沒有具體數(shù)據(jù),不敢往下結(jié)論,后續(xù)掌握具體數(shù)據(jù)后,在另起題目進(jìn)一步討論。但他們需求的不同,必然影響用戶選擇時(shí),關(guān)注電池的什么性能,這是客觀存在的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。
4、一個(gè)典型的退役動(dòng)力鋰電池應(yīng)用場景舉例通訊基站
ChunboZHU于2017年發(fā)表在IEEE上的一篇論文,《Effectofremainingcyclelifeoneconomyofretiredelectricvehiclelithium-ionbatterysecond-useinbackuppowerforcommunicationbasestation》,針對(duì)通訊基站利用動(dòng)力鋰電池的推理模型,文章有發(fā)表周期,數(shù)據(jù)僅供參考。從這個(gè)案例不難看出,應(yīng)用場景的詳細(xì)信息,關(guān)于評(píng)價(jià)一種電芯的應(yīng)用是否合適,是非常重要的,因此過于籠統(tǒng)的評(píng)價(jià)合適或者不合適,這不科學(xué)。
1)工作條件和應(yīng)用場景
在我國,通信基站數(shù)量非常龐大,分布范圍很廣,在偏遠(yuǎn)郊區(qū),道路兩側(cè),山頂上建設(shè)了越來越多的基站。隨著技術(shù)的進(jìn)步,電網(wǎng)無法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū),太陽能和風(fēng)能等可再生能源向基站供電也已經(jīng)廣泛出現(xiàn)。
目前,購買鉛酸電池的市場價(jià)格及其后處理費(fèi)用分別為0.6元/Wh和0.2元/Wh。我國鐵塔有限公司開發(fā)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所要求的鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命超過200次。根據(jù)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(yīng)用場景及相關(guān)的詳細(xì)參數(shù)列于表二。
表二,基站的工作條件和應(yīng)用場景參數(shù)
*新能源場景,在白天使用太陽能作為基站電源并給電池組充電,晚上使用備用電池組來維持基站的運(yùn)行,電池組相當(dāng)于每天1次充放電循環(huán)。
**高溫場景和三種或四種電場景含義為每個(gè)月停電次數(shù)4.5次。
***一種或兩種電力場景含義為每月停電次數(shù)3.5次。這里只有正常供電停電,才會(huì)用到電池供電。
2)成本計(jì)算模型
無論備用電源的工作條件如何,在比較備用鋰離子電池和鉛酸電池的工作條件時(shí),要分析的參數(shù)都是相同的。這些參數(shù)重要包括:電池容量,購買單價(jià),安裝和更換成本,電力,電池組的廢舊處理成本,根據(jù)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(shí)間等。
下面是各個(gè)成本估算相關(guān)參數(shù)的公式表述。在成本分析中,最重要的指標(biāo)是退役鋰離子電池與鉛酸電池相比每年平均節(jié)省多少成本,該指標(biāo)直接反應(yīng)退役鋰離子電池的經(jīng)濟(jì)性,可以通過公式(1)計(jì)算。
其中:
R:年成本節(jié)省率,%;
Pbaac:鉛酸電池的年平均成本,萬人民幣;
LiAAC:退役的鋰離子電池的年平均成本,萬人民幣。
根據(jù)公式(2)評(píng)估年度成本,
其中:
AAC:年平均成本,萬人民幣/年;
cost:估算或操作周期的總成本,萬人民幣;
Topr:估計(jì)或操作周期,年份。
估算運(yùn)營周期的總成本(COST)
重要包括備用電池組的總成本;后期維護(hù)費(fèi)用,電池組初始安裝費(fèi)用和更換費(fèi)用以及廢舊電池組的剩余價(jià)值。當(dāng)計(jì)算操作周期時(shí),同時(shí)考慮日歷壽命和循環(huán)壽命。
其中:
Topr:估算或操作周期,年份;
Pb_Tperl:鉛酸電池組循環(huán)壽命持續(xù)時(shí)間,年;
Pb_Tcal:鉛酸電池組日歷壽命時(shí)間,年;
Li_Tperl:退役的鋰離子電池組循環(huán)使用期限時(shí)間,一年;
Li_Tcal:退役的鋰離子電池包裝日歷的使用時(shí)間,年。
電池循環(huán)壽命持續(xù)時(shí)間(Tperl)由電池的循環(huán)壽命(Ncl)和運(yùn)行策略(Noc)決定。運(yùn)行策略是指充電的數(shù)量以及根據(jù)工作條件和應(yīng)用場景獲得的電池組每日完成的放電周期。這個(gè)參數(shù)可以通過使用(4)來計(jì)算。
其中:
Ncl:電池組的循環(huán)壽命,次數(shù);
Noc:運(yùn)行策略,每天循環(huán)次數(shù)。
基站完工并運(yùn)行后,備用電池的成本重要是電池組使用壽命達(dá)到期限時(shí)的更換費(fèi)用,可由(5)式計(jì)算。
其中:
COSTopr:更換費(fèi)用,萬元人民幣;
Topr:操作周期可以取鉛酸和退役鋰離子電池的最小公倍數(shù),年;
Tperl:電池組循環(huán)使用期限,年,;
Tcal:電池組日歷使用壽命,年;
COSTrplbpl:電池組的單個(gè)更換成本,萬元。
從前面表二數(shù)據(jù)可以看到,退役鋰離子電池循環(huán)壽命長,能量密度高,因而更換次數(shù)少,更換起來更加方便,進(jìn)而更換成本比鉛酸要低。
3)估計(jì)結(jié)果分析
目前在我國,新動(dòng)力鋰電池價(jià)格約為2.2元/Wh,退役鋰離子電池的平均電池價(jià)格約為0.73元/Wh,篩選和重組部件的成本約為0.60元/Wh。考慮到目前使用退役鋰離子電池正處于試運(yùn)行階段,批量生產(chǎn)后仍有價(jià)格空間,所以把基站可用的退役鋰離子電池系統(tǒng)價(jià)格定在1.1元/Wh。我國十三五發(fā)展規(guī)劃確定的鋰離子電池價(jià)格為0.8元/小時(shí),現(xiàn)在的新舊電池比例計(jì)算,在十三五發(fā)展規(guī)劃完成后,退役鋰電電池電量估計(jì)應(yīng)達(dá)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(jìn)行二次利用,暫定比例為50%)和退役鋰離子電池的容量衰減(暫定70%),并且根據(jù)目前的電池篩選和分組方法,重新調(diào)整后的退役電池價(jià)格估計(jì)為0.265/50%/70%=0.757。因此,使用目標(biāo)單價(jià)為0.7元/Wh的采購價(jià)格進(jìn)行比較分析。
按照電池報(bào)廢后,要付出的價(jià)格為0就可以得到電池組,而篩選重組后的購買價(jià)格分別設(shè)定為1.1元/Wh和0.7元/小時(shí),在各種工況下循環(huán),退役鋰離子電池與鉛酸電池相比,成本節(jié)省率結(jié)果如下圖所示。
a)購買價(jià)格為0.7元/Wh,循環(huán)壽命對(duì)節(jié)能率的影響
b)購買價(jià)格1.1元/小時(shí),循環(huán)壽命對(duì)節(jié)能率的影響
在新能源領(lǐng)域,退役鋰離子電池剩余循環(huán)壽命為443次(購買價(jià)格1.1元/小時(shí))和286次(購買價(jià)格0.7元/小時(shí))時(shí),退役鋰離子電池總成本與鉛酸電池相同。隨著剩余循環(huán)壽命的新增,退役鋰離子電池的經(jīng)濟(jì)效益顯著新增。這重要是因?yàn)樵谶@個(gè)場景中,電池組的運(yùn)行狀況是電池組每天要完成一次充放電循環(huán),所以電池組的剩余循環(huán)壽命是影響經(jīng)濟(jì)性的最重要因素;經(jīng)濟(jì)效益屬于剩余循環(huán)壽命敏感型。
在另外三個(gè)應(yīng)用場景中,即使購買價(jià)格不同,當(dāng)退役鋰的剩余循環(huán)壽命為219次(高溫場景),214次(一種或兩種電量)時(shí),儲(chǔ)蓄率達(dá)到固定值,274次(三種或四種電力),并且隨著剩余循環(huán)壽命的新增,成本節(jié)省率將不會(huì)提高。例如在高溫場景中,這個(gè)場景關(guān)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(jīng)濟(jì)的重要因素,成本節(jié)省率對(duì)日歷壽命敏感。該場景的實(shí)際計(jì)算是:當(dāng)鉛酸電池循環(huán)壽命為200次,退役鋰離子電池剩余循環(huán)壽命為400次時(shí),在這個(gè)場景中,循環(huán)壽命時(shí)間分別可以達(dá)到3.65年和7.31年,比相應(yīng)的日歷壽命時(shí)間(2.5年(鉛酸電池,約137次循環(huán)壽命)和4年(退役鋰離子電池,約219循環(huán)壽命))長的多。根據(jù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算模型,在計(jì)算中起用途的參數(shù)是電池的日歷壽命,剩余循環(huán)壽命的新增不能改善成本節(jié)省性。另外兩個(gè)場景的情況是相似的,這里不再重復(fù)。
5、總結(jié)
1)具有明確歷史數(shù)據(jù),可以通過數(shù)據(jù)分析,基本獲得其安全性和剩余價(jià)值評(píng)估結(jié)果的電芯,更具二次利用的優(yōu)勢(shì);
2)規(guī)格統(tǒng)一,包括外形、性能參數(shù)等,總體數(shù)量大的電芯,比如主流容量規(guī)格的18650。隨著官方出臺(tái)電池標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行,市場運(yùn)營相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的逐漸豐富,相信電芯、電池組的統(tǒng)一性會(huì)越來越好,越來越有利于二次利用。
3)關(guān)于規(guī)格參數(shù)過于復(fù)雜,單一品類數(shù)量過小的電芯(在動(dòng)力鋰電池市場啟動(dòng)初期,電芯類型比較復(fù)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(yīng)用場景,根據(jù)對(duì)標(biāo)產(chǎn)品評(píng)價(jià)退役電池的經(jīng)濟(jì)性,是具體開發(fā)動(dòng)力鋰電池二次利用產(chǎn)品的好方式,而不是直接做出判斷。此外通過預(yù)加熱手段,人為提高電池的使用溫度也是保證電池在超低溫環(huán)境中正常使用的一個(gè)重要途徑。目前發(fā)展的預(yù)加熱手段重要分為外部加熱和內(nèi)部加熱兩種,外部加熱是目前普遍使用的手段,重要是借助外部加熱器件對(duì)電池周圍的空氣、液體或是相變材料加熱,達(dá)到電池能夠正常放電的溫度范圍,但是這種方法不僅能量消耗較大,要消耗約10%的電池能量,而且費(fèi)時(shí),有時(shí)要加熱幾十分鐘才能達(dá)到目標(biāo)溫度,同時(shí)還要設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的加熱電路[]。
Chao-YangWang等[,]設(shè)計(jì)出一種獨(dú)特的電池自加熱結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)能省時(shí)。這種電池結(jié)構(gòu)及其原理如圖4所示。在疊片方形電池結(jié)構(gòu)中插入一片鎳箔,鎳箔留出兩個(gè)端口,一個(gè)端口伸出電池外部作為自加熱激活端,另一個(gè)端口與電池負(fù)極焊接。當(dāng)要自加熱時(shí),正極、激活端之間的開關(guān)閉合,電池對(duì)鎳箔放電,出現(xiàn)歐姆熱,電池開始自加熱,實(shí)驗(yàn)表明采用這種結(jié)構(gòu)的電池僅要12.5s就能從-20℃加熱到0℃,而且僅消耗2.9%的電池容量。這說明這種結(jié)構(gòu)具有很大的實(shí)用化前景。