第2章　電動汽車退役動力電池梯次利用技術(shù)

2.1　梯次利用定義及退役動力電池的目標市場

2.1.1　梯次利用定義及退役動力電池梯次利用的意義

2.1.1.1　梯次利用的定義及與翻新的區(qū)別

（1）梯次利用的定義　梯次利用是指某一個已經(jīng)使用過的產(chǎn)品已經(jīng)達到原生設(shè)計壽命，再通過其他方法使其功能全部或部分恢復繼續(xù)使用的過程，該過程屬于基本同級或降級應用的方式。“梯次利用”與“梯度利用、階梯利用、降級使用”在概念上是基本一致的，但不能視為翻新使用。

梯次利用的核心是需要對原生產(chǎn)品進行一系列復雜的檢測和分析，科學地判斷其生命周期價值以及可再使用性，從而設(shè)計出符合該產(chǎn)品的梯次等級和應用領(lǐng)域。

（2）梯次利用與翻新的區(qū)別　翻新是指產(chǎn)品從原廠生產(chǎn)出來以后，經(jīng)過使用，有了一定的磨損，性能各方面與原廠剛生產(chǎn)出來的時候有差距，經(jīng)過特殊加工，使它的外表或者性能恢復到接近原廠剛生產(chǎn)出來的狀態(tài)。翻新使用往往是采用非常簡單的方式或便捷形式去修理或掩飾原生產(chǎn)品，從而再以新品的方式銷售給終端市場，而在翻新過程中沒有科學的檢測分析和評估，更沒有梯次的設(shè)計和應用領(lǐng)域的分析，從而使該產(chǎn)品的再次使用會帶來各方面的潛在風險。因此，梯次利用與翻新使用存在本質(zhì)上的區(qū)別。

2.1.1.2　退役動力電池梯次利用的意義及背景

（1）退役動力電池梯次利用的意義　梯次利用的最大社會意義是使產(chǎn)品得到最大限度的利用，其設(shè)計周期得到延長，為社會創(chuàng)造經(jīng)濟價值的同時，也為社會減少垃圾排放，是現(xiàn)代社會應大力推行的一種循環(huán)性、低碳型生產(chǎn)生活方式。梯次利用雖然有著遙遠的發(fā)展背景，但卻是一個新興事物，因為要實現(xiàn)梯次利用，必須依靠科學技術(shù)的發(fā)展和進步來完成。

動力電池的性能隨著使用次數(shù)的增加而衰減，當動力電池性能下降到原性能的80%時，將不能達到電動汽車的使用標準，但仍可用在對動力電池性能要求低的場合，即進入梯次利用階段，如儲能系統(tǒng)、低速電動交通工具等。當退役的動力電池性能進一步降低到不適合梯次利用后，再進入回收拆解再利用的階段。目前在梯次利用技術(shù)方面，國內(nèi)的科研院所和企業(yè)正在開展研究，包括淘汰產(chǎn)品生命周期診斷、可再循環(huán)性梯次設(shè)計、物理指標檢測、綜合性能測試等。

動力電池梯次利用一直被認為是新能源汽車動力電池退役后的主要去處，但是，也有人從安全性和經(jīng)濟性層面考慮，認為退役動力電池梯次利用就是一個“偽命題”。隨著我國動力電池退役潮的臨近，以及相關(guān)規(guī)范的連續(xù)公布，退役動力電池的梯次利用將在退役動力電池規(guī)劃和政策方面取得更多支撐，即退役動力電池的梯次利用勢在必行。

對于退役動力電池“拆解回收”和“梯次利用”是被業(yè)內(nèi)廣泛認可的兩種具有互補性的方法，目前，我國已是全球最大的動力電池市場，如此大規(guī)模的動力電池集中退役，做好退役動力電池回收和梯次利用工作，無論從經(jīng)濟、資源安全，還是環(huán)保的角度，都有很大的必要性和現(xiàn)實意義。

退役動力電池梯次利用的意義在于從動力電池原材料→動力電池→動力電池系統(tǒng)→汽車應用→二次利用→資源回收→動力電池原材料的動力電池全生命周期使用角度考慮，可以降低動力電池成本，避免環(huán)境污染。

從環(huán)保角度來看，退役動力電池含大量重金屬、有機物、電解質(zhì)及其轉(zhuǎn)化物產(chǎn)生的有毒氣體，這些都會嚴重威脅環(huán)境和人類的健康，給社會生態(tài)環(huán)境造成巨大的壓力。所以做好退役動力電池回收及梯次利用工作，也是一項重大的生態(tài)建設(shè)任務。

梯次利用不僅能從商業(yè)模式上進一步降低動力電池的成本，同時也降低儲能動力電池的成本，還能推動更多的儲能應用場景和市場。不同儲能場景對動力電池要求不一樣，所以退役動力電池梯次利用適用的場景和商業(yè)模式是下一個需要摸索的難題，國外梯次利用的創(chuàng)新嘗試對剛剛起步的國內(nèi)市場有很大借鑒意義。

退役動力電池梯次利用的發(fā)展趨勢是不言而喻的，國家政策和標準相繼配套出臺，責任也很清晰。但是，梯次利用節(jié)奏動作緩慢，其問題是利益不夠吸引、體系沒有建立起來，產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈還沒有形成。梯次利用將動力電池的使用價值最大化，可以延長動力電池的使用壽命，降低動力電池全壽命周期成本。退役動力電池的梯次利用和回收主要基于環(huán)境保護、資源節(jié)省、有利可圖三個方面。

①環(huán)境保護。動力電池的正極材料里包含鎳、鈷、錳、鋰等重金屬元素，這些重金屬元素會對環(huán)境、水等造成污染；負極材料里面的碳材、石墨等會造成粉塵污染；此外，動力電池的電解液中含有有毒的化學成分，也會造成環(huán)境污染。

②資源節(jié)省。動力電池中含有大量的金屬元素，鎳、石墨等資源我國比較多，但是像鈷之類的金屬元素是我國稀缺的；我國的鋰元素絕對含量很多，但是開采難度比較大，一般都分布在西藏、青海、四川等條件比較艱苦的礦山；鹽湖中的鎂和鋰含量比較高，但鋰的提取難度也很大。

③有利可圖。做退役動力電池的梯次利用及資源化回收還是能形成商業(yè)化的，因為最近幾年汽車行業(yè)大量轉(zhuǎn)入電動化，動力電池需求量增加，導致上游的貴金屬材料價格非常高，金屬鈷價格為60萬元/t，鎳價格為10萬元/t，碳酸鋰價格為17萬元/t，金屬鋰價格為90萬元/t。

（2）退役動力電池梯次利用的背景　近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，截至2017年年底，新能源汽車累計產(chǎn)量超過180萬輛，動力電池累計裝配量超過85GW·h。2018年我國退役動力電池回收量為12GW·h，2020年退役動力電池回收量將接近25GW·h，而到2022年退役動力電池回收量將接近45GW·h。隨著動力電池退役潮的臨近，作為新能源汽車最后一千米的退役動力電池回收及梯次利用將會成為下一個“藍海”。

大量退役的動力電池如處置不當，既給社會帶來環(huán)境和安全隱患，也會造成資源浪費，同時制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展。國務院高度重視新能源汽車退役動力電池回收利用，曾召開專題會議進行研究部署。推動新能源汽車退役動力電池回收利用，不僅有利于保護環(huán)境和社會安全，而且能有效提高資源循環(huán)利用水平，促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，對于加快綠色發(fā)展、建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國具有重要意義。

從資源利用角度來看，直接將退役的動力電池作為原材料回收，其實是變相浪費。在國家多部委聯(lián)合出臺的《新能源汽車動力電池回收利用管理暫行辦法》中，提出退役動力電池的利用應遵循先梯次利用，后再生利用的原則。即退役動力電池經(jīng)過梯次利用后，再進行再生利用。如果說無害化處理和資源再生是必須做的，那么梯次利用是充分發(fā)揮了動力電池的價值，但只有保證經(jīng)濟性，這件事才是值得去做的。梯次利用不僅可以解決成本問題，還可為電動汽車動力電池退役謀出路。

梯次利用主要針對動力電池容量降低，致使動力電池無法使電動汽車正常運行，但是動力電池本身沒有報廢，仍可以在別的途徑繼續(xù)使用，例如用于電力儲能、通信基站后備電源等用途。如果能做好退役動力電池的梯次利用，不僅可以降低動力電池的成本并延長使用壽命，還可以有效降低儲能成本，并對可再生能源的發(fā)展起到幫助作用。

通常來講，動力電池平均使用年限為5～8年，其性能隨著充電次數(shù)的增加而衰減，動力電池剩余容量降低到初始容量的70%～80%時便無法滿足電動汽車車載動力使用要求，這意味著其在電動汽車上的使用壽命終止。如果直接將動力電池淘汰，必將造成資源的嚴重浪費，同時也會導致環(huán)境污染。

從電動汽車上退役下來的動力電池，經(jīng)過測試、篩選、重組等環(huán)節(jié)，完全可以繼續(xù)滿足分布式發(fā)電、微網(wǎng)、移動電源、后備電源、應急電源等中小型儲能設(shè)備和大型商業(yè)儲能及電網(wǎng)儲能市場的使用，如果退役動力電池梯次利用技術(shù)提高、經(jīng)濟成本下降，在梯次利用領(lǐng)域，動力電池的全生命周期、使用價值將會得到充分利用。當退役的動力電池無法進行梯次利用時，則需要進行拆解回收，進行資源化處理。隨著動力電池性能的提升以及成本大幅下降并趨穩(wěn)，讓現(xiàn)有及未來退役動力電池梯次利用的價值大大提高，國內(nèi)企業(yè)也開始在退役動力電池回收和梯次利用領(lǐng)域展開布局。

通過對退役動力電池的梯次利用，可以緩解大批量退役動力電池進入回收階段的壓力，同時有效減少國家相應資源的消耗量，提高資源的使用效率。目前退役動力電池的梯次利用在國內(nèi)外均處于開始研發(fā)試點階段，但已經(jīng)可以看出，這將是電動汽車退役動力電池的主要落腳點。

電動汽車退役動力電池梯次利用會在相當長的一段時間內(nèi)成為一個熱門問題，一方面是動力電池在整車的成本上居高不下；另一方面是環(huán)境擔憂問題。如果，國家在政策方面多傾斜，鼓勵并協(xié)助這個薄弱環(huán)節(jié)，同時企業(yè)為了降低成本，積極地去探索延長動力電池服役時間。到那時候，動力電池成本需要看企業(yè)梯次利用程度和深度，這種多贏的局面、新能源良性發(fā)展的局面也就形成了。

動力電池的質(zhì)量是梯次利用的前提，要求動力電池成組后的外形、安裝、動力接口、信號接口以及各種協(xié)議、電壓等級等都必須統(tǒng)一起來。2014年以前生產(chǎn)的動力電池很難實現(xiàn)梯次利用，是因為2014年以前生產(chǎn)動力電池的工藝水平還不夠高，動力電池的一致性差，品質(zhì)不高，未能大規(guī)模批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)范和自動化生產(chǎn)水平都還未得到發(fā)展，因而產(chǎn)品品質(zhì)也較難保障，一些動力電池雖然參數(shù)合格，但實裝使用后容量衰減得非常快。在容量衰減到80%退役以后，繼續(xù)使用會出現(xiàn)“跳水”，即容量急劇下降，缺乏安全性和穩(wěn)定性，難以再次利用。

在2015年以后投運的動力電池則有所改善，由于具備了更為嚴謹?shù)脑O(shè)計體系以及大規(guī)模自動化的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)的動力電池品質(zhì)有了較大的提升，保守預計能夠進入梯次利用的動力電池容量比例可達60%～70%。動力電池容量的衰減能夠保持線性，因此梯次利用在技術(shù)上才具備了可行性。所以，對動力電池梯次利用解決方案供應商來說，對退役動力電池進行篩選是第一步。

目前，退役的動力電池大概只有一半可以利用，隨著動力電池質(zhì)量的提升，未來可利用比例將可能提高到60%～70%，樂觀的話可以到80%。從退役動力電池梯次利用行業(yè)對于梯次利用技術(shù)的實踐來看，目前國內(nèi)動力電池型號眾多，不同企業(yè)所生產(chǎn)的動力電池在材料、結(jié)構(gòu)和組裝工藝上都千差萬別。這使得拆解難以通過流水線完成，不得不借助于人工。這既提高了梯次利用的技術(shù)難度，也提高了再次利用的成本。退役動力電池梯次利用行業(yè)希望通過標準化的提高使得梯次利用更具可行性。總體來講，需要關(guān)注以下三個方面的問題。

①技術(shù)性可行性方面。包括老化程度、后期衰退、安全性、可靠性，涉及老化、失效機理、后續(xù)壽命、安全性、可靠性檢測、分級篩選技術(shù)、工況測試、重組與管理技術(shù)等方面，但相關(guān)標準目前仍缺失。

②經(jīng)濟可行性方面。退役動力電池梯次利用的成本包括退役動力電池成本、運輸成本、檢測成本、重組成本，由于新動力電池成本的快速降低，退役動力電池的再利用生存空間，可能會隨著新動力電池成本的下降而逐漸被擠壓。當新動力電池與退役動力電池的差價接近檢測、再加工、設(shè)備更換、舊動力電池維護維修等二次利用動力電池的綜合成本以后，就可能出現(xiàn)退役動力電池沒有再利用價值的情況。

如果可以利用退役動力電池的歷史數(shù)據(jù)，則可省去部分檢測成本。退役動力電池電芯二次處理以及統(tǒng)一規(guī)格、模組設(shè)計、動力電池組運營模式等，對退役動力電池電芯級別的二次利用都有影響，還需要觀察相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況，加工成本的降低趨勢。

③退役動力電池回收市場方面。退役動力電池所有權(quán)復雜，退役動力電池殘值、風險責任、應用市場等方面還需要政府支撐與扶持，產(chǎn)業(yè)界的積極響應。

總體來說，隨著動力電池技術(shù)進步和性能的提高，相關(guān)標準的逐步完善，都利于退役動力電池梯次利用，而退役動力電池梯次利用的經(jīng)濟性隨著儲能市場的發(fā)展及退役動力電池梯次利用規(guī)模化的應用也逐漸顯現(xiàn)。