能源储存系统中乏SSB蓄电池级联利用的技术经济分析

2026-08-04 20:30:34

级联利用不仅充分利用电池的剩余价值，还能削弱用过电池对环境的威胁。为实现新能源汽车产业绿色可持续发展，推动级联利用，本工作总结了乏电池回收系统、逆向物流特性及相关级联利用政策标准。从废电池回收和储能系统级联利用的角度，讨论了相关技术，包括老化因素、检测、筛选、重组、状态估计、容量分配、均衡策略等。结合经济性，分析了级联利用大规模应用的可行性。此外，本研究还总结了锂电池老化诊断、残余容量估计和状态估计的典型数学公式，为构建锂电池细模型和数字孪生模型提供了参考，并为锂电池设计提供了理论基础健康管理系统。最后，讨论了用完电池级联利用所面临的问题和挑战，以及未来的发展前景。

简介

随着环保意识的提升和车辆技术的持续突破，中国新能源车的生产和销售持续增长。根据《新能源车生产企业及产品准入管理规则》，新能源车指的是使用非常规车辆燃料作为动力源，并采用新技术和结构的车辆。本研究主要讨论纯电动车和插电式混合动力车。根据公安部的统计，截至2022年底，中国新能源车数量已超过1300万辆。然而，自2018年以来，电池已进入大规模退役期，退役数量逐年增加[1]。动力电池通常指用于新能源车辆的锂离子电池。目前，新能源车常用的动力电池是磷酸铁锂电池和三元锂离子电池。三元锂离子电池主要指使用镍钴锰（NCM）或镍钴铝（NCA）作为正电极材料的锂离子电池。根据中国汽车工业协会相关数据，2022年12月新能源车销量达到81.4万辆，如图1所示。按动力类型分类，纯电动车销量达到62.4万辆，较2021年增长50%。插电式混合动力电动车销量达到189,000辆，较2021年增长了130%。2022年新能源汽车年销量达到688.7万辆，较2021年增长90%[2]。到2025年，中国退役电池容量预计将超过90GWh，而2025年指导建议的新储能装机容量只需达到30GWh。理论上，仅依靠用过电池的级联利用可以满足新储能容量的需求。级联利用是指通过测试、评估和重新整合，将不再满足电动汽车需求的电池转移到性能要求较低的地区继续使用的过程[3]。具体来说，性能良好的用过电池进入级联利用阶段，以发挥剩余容量的价值;而性能较差的用过电池则进入资源利用阶段，提取贵金属。级联利用电池指的是尚未报废但容量下降且无法继续被电动汽车使用的电池，以便在储能领域发挥剩余价值。乏电池的级联利用已被确定为一种成本效益高且可持续的储能系统替代方案。事实上，级联应用的最大风险是安全，这也是当前工业链中最紧迫需要解决的问题。近年来，电池引发的火灾和爆炸事故数量增加，安全成为电池行业可持续发展的重点。电池的燃烧或爆炸源于化学能的释放，表现为热失控和热失控。动力电池的安全性RY系统受电池材料、热管理和安全控制等多个方面影响。因此，确保电池安全是一项复杂的系统工程。先进的结构安全技术、电气安全技术和热管理技术仍需探索，以提升电力电池的安全性。此外，用过电池通过正式渠道的回收率不高，但回收成本较高，这影响了用过电池的级联利用效率[4]。正式回收渠道指工业和信息化部宣布的白名单企业，主要包括级联利用企业和再生企业。进入白名单意味着企业在资格认证、渠道、技术和回收规模等方面拥有相对完善的系统和运营能力。因此，白名单企业也被视为电池回收的正式渠道。由于缺乏关于电力电池的整体数据，消费者的环保意识薄弱，以及回收定价机制不明确，回收率偏低。动力电池的整体数据主要包括生产、销售、使用、报废和回收的整个生命周期信息。这些信息通过编码和标签记录，确保每个电池的来源可靠，目的地可追踪，节点可控。目前，大量用过的电力电池未被白名单企业回收，而是流入小型车间，未经过回收和处理资格。首先，正式渠道的成本很高。电池的回收和处置技术门槛很高。通过正规渠道投资再制造、环境保护、安全等方面的成本相对较高。此外，通过非正式渠道将电池送回收的消费者所收取的回收价格也很高。目前，网络上有各种电池回收广告，回收价格远高于正规渠道。巨大的利润差异必然导致用过的电池流入非正式渠道。小型车间根本无法满足电池回收的技术要求，导致环境污染是不可避免的。相关研究显示，首次被选用回收的电池占所有电动车废弃电池的30%。初步筛选后，测试锂电池的容量和内阻等内部特性。实验结果显示，未合格电池中内阻大且残余容量小（低于初始容量80%）的比例为所有回收电池的10%。重组是指修复多个性能相似的电池单元，以优化电池组的整体性能和寿命。孙炳祥等人假设锂离子电池的重聚率为90%[5]。这意味着所有被选中重复使用的锂离子电池中，90%在重新集结后将进入级联使用阶段。
如图1所示，新能源车的生产和销售正在增长，动力电池的需求也随之增加。如果大规模用过的电池无法通过正规渠道回收，而是流入小型车间却没有回收，导致连锁利用能力或被随意丢弃，将导致环境污染和资源浪费。一方面，电力电池中的电解质等物质容易造成土壤和水污染;另一方面，锂、钴和镍等贵金属在用过电池中无法有效回收[6]。因此，用过的电池可能导致环境污染和资源浪费。用过的电池仍保留了新电池初始能量容量的80%，并且在其他应用场景中仍有利用空间。用过电池带来的残余经济价值促使级联利用技术的发展。乏电电池可应用于储能需求较低的场景，如用户端储能、电网储能和家庭储能。电动汽车的C值通常在1到4C之间，目前主流纯电动车车型的电池组C值为2C。与此同时，工业和商业用户端储能、电网储能和家庭储能的C率通常低于0.5摄氏度。废电池的早期处理是填埋场，电解液泄漏会导致土壤和水体污染。因此，级联利用技术的研究能够有效解决环境压力和资源短缺问题，具有经济价值和社会效益。理论上，乏电电池可以应用于电网储能。与新电池相比，用过的电力电池可以降低储能项目的成本，从而降低用户的储能成本。另一方面，级联利用实现了资源的充分利用，并带来更大的环境效益。然而，目前用于用过电池级联利用的技术仍不成熟，如检测、筛选、状态估计、容量配置和平衡策略，限制了级联利用行业的大规模应用。随着级联利用技术的持续发展，多个地区已建立起用过电池级联利用的示范项目。
随着电动汽车用过电池数量的持续增长，解决级联利用技术问题并打造大型商业市场将是未来发展的关键。因此，本书总结了乏电池的回收系统、回收政策、标准及应用场景。级联应用涉及的技术分为基础技术和关键技术。此外，主要数学公式也被总结。最后，提出了一些建议，探讨乏电池的未来发展方向。该研究的框架见图2。
用过电池的回收和再利用具有逆向物流的特性。反向逻辑的概念最早由美国学者兰伯特和斯托克于1981年提出。随后，美国物流管理协会于1992年正式定义了逆向物流。逆向物流指的是废弃物处理、危险物质管理和回收的物流活动。随着供应链的持续发展和演进，逆向物流被重新定义和解释，但其主要内容依然一致[7]。逆向物流的过程如图3所示。显然，废电池的回收属于逆向物流的回收物流。
首先，在回收系统中总结了乏电池相关的政策和标准，并列出了中国级联利用的示范项目。然后，乏电池的级联利用技术分为基础技术和关键技术。基础技术包括衰老诊断、检测、筛查和重新组建。关键技术包括状态估计、容量配置和均衡策略。值得注意的是，SOC/SOH预测既可用于电池筛查，也可用于状态估计。衰老诊断是对衰老因素的简要说明，检测、筛查和重新组组则是相对基础的操作。因此，它们被归类为基础技术。然而，状态估计、容量配置和平衡策略严重影响用过电池在级联利用中的安全性。因此，它们被归类为关键技术。最后，从管理层和技术层面分析了乏电池级联利用的挑战，并提出相关建议。