(本文来源于储能新观察)
动力电池梯次利用是个比较老的话题,在电动工具发展初期阶段就提出如何解决大量退役电池引起的资源浪费及潜在的环境污染问题。一般认为退役动力电池的容量为初始电池容量的60%-80%,仍然具有一定的使用价值。通过电池梯次利用可以最大限度的延长这些电池使用寿命,见下图所示,进而将退役动力电池的使用价值最大化,降低电池全寿命周期使用成本。根据新能源汽车国家大数据联盟最新发布数据显示,预计到年,我国退役电池累计约为25GWh(约20万吨),年将达到GWh,市场规模可达千亿以上,国家层面从年至今已经出台多个政策,支持动力电池梯次利用,在国家政策以及利益的驱使下,国内企业其中包括整车企业、动力电池厂商甚至一些储能系统开发商,还包括一些用户端的企业纷纷入局动力电池梯次利用市场,本文从以下几方面,分析动力电池梯次利用究竟是否是一个真正的“蓝海”市场。
梯次电池性能与新出厂的电池相比,肯定有所下降,这里排除在市场初期一些企业,为了不可告人的目的将一些未达到退役指标的动力电池进行强制退役这一情形。性能下降主要指电池容量减少、功率衰退、电池阻抗(内阻、极化阻抗)增加、安全性降低、电池包中电池一致性下降等几方面,其中此处安全性降低指的是在使用过程中存在较大的安全隐患,并非指按照国标进行简单的过充、挤压、针刺等测试结果,如果新电池能按照要求能够通过国标安全测试,退役电池基本上不存在问题,尤其是单体电池,详细可见从事退役电池研究的论文及公开演讲稿,至于原因任何做电池的人都懂。
能够使用梯次电池的场景,一般被认为对电池性能要求较低,主要集中在电力系统储能、通信基站备用电源、不间断电源UPS、低速电动车以及小型分布式家庭储能、风光互补路灯、移动充电车、电动叉车等相关领域。
电力系统储能对电池安全性及循环寿命要求较高,尤其循环寿命,目前的动力电池根本无法满足相应要求。一些电池厂商已经着手开发专门针对电力储能系统用长寿命高安全锂离子电池,新电池在电力储能系统主要面临的是经济性问题,尽管梯次利用电池购买成本具有一定优势,但是经过拆解、测试、重新组装、与PCS组成储能系统等若干个过程后,这种优势是否真的存在,有很大的不确定性;另一方面,老化的电池在使用过程中纯在较大安全隐患,且老化的电池使用寿命肯定低于新电池使用寿命也限制其在该领域应用,最为重要的是电力用储能系统规模较大,达MWh级别,需要单体电池数量较大,对电池一致性要求较高,退役电池一致性很难满足要求,综上目前来看在电力储能系统中使用退役电池基本上不具备任何条件。
通信基站备用电源领域对电池性能要求较低,对退役锂离子电池有一定的需求量。根据公开资料显示国家铁塔公司已经使用梯次电池MWh,合计1万吨,被誉为梯次电池“大胃王”,未来随着5G基站数量的急剧增加,将进一步消化市场上退役锂离子电池,这里要说的是,铁塔公司基站备用电源一般采用的是48V系统,铁塔采购回去的梯次电池仍然需要拆解-检测-设计电池管理系统-重新组装等过程,一般认为目前磷酸铁锂电池材料成本在0.48元/Wh左右,铁塔公司梯次电池意向采购价格在0.5元/Wh以下,经过上述重新形成48V系统后,与新电池48V系统,可能存在一定经济性,但基站要求电池系统寿命在6-10年左右,在实际使用过程中梯次电池寿命一旦达不到要求,重新换系统则上述优势不复存在。低速电动车领域主要指电动自行车或者速度在70Km/h简易四轮电动车,传统的低速电动车主要采用铅酸电池,该领域对电池性能要求较低,部分锰酸锂电池已经开始替代传统铅酸电池,这类电池材料成本较低,性能由于铅酸电池是给领域强有力的竞争者,退役电池未来是否能够形成竞争优势还需时间观察。退役电池在分布式家庭储能系统的应用研究较多,K.Gur等国外学者在已发表的论文中(DOI:10./j.enpol..11.)对该领域进行研究,研究结果表明,目前退役电池在分布式储能系统应用存在较大不确定性,主要是寿命不及预期、缺乏经济性等,需要资金扶持。
目前国内动力电池主要用于城市巴士、城市出租车、物流车以及私家车等,其中根据电化学体系主要可分为磷酸铁锂电池、锰系锂离子电池(主要用于PHEV)、NCM三元锂离子电池、NCA锂离子电池等,其中公共交通领域主要以磷酸铁锂电池为主,乘用车包括出租车早期主要以磷酸铁锂为主,现在主要以NCM三元锂离子电池为主,电池类型较多包括圆柱、方型、软包装等,其中方型和软包装电池型号不统一,电池容量千差万别。
公共交通领域内车辆行驶路线较为固定,路况较佳,一般而言锂离子电池系统在满足不了工况需求时及时退役,退役的电池质量相对好一点;物流车、出租车受路况、司机驾驶习惯等影响较大,且这些领域司机为了节省时间往往喜欢用快充对电池系统进行充电,而且往往这些电池不能及时退役,退役后电池容量远远低于80%,这部分退役电池来源质量较差;对于私家车而言,一般受驾驶者驾驶习惯影响较大,同样退役电池容量远远低于初始容量的80%,退役电池也存在较大不确定性。另外部分地区出租车采用换电模式,可以避免电池系统进行大电流充电的影响,保证电池系统及时退役,一定程度上退役电池质量较好,但对于从事换电业务的企业而言,需要配置更多电池系统,对企业资金链要求较高。
目前退役电池来源较广,退役的电池型号、化学体系等差别较大,电池系统运行数据不明确,系统中单体电池一致性变差且同批电池退役时间不一致等问题都加大了退役电池利用的难度。
退役电池再利用主要面临以下几方面问题:第一,技术不成熟。主包括梯次电池寿命预测技术不成熟,受退役前使用环境工况等限制目前对梯次电池寿命预测难度较大,另外新的排除安全隐患检测技术不成熟,目前检测手段无法识别电池体系内是否有锂枝晶形成以及形成程度;第二,从成本、安全角度来看,退役缺乏经济效益及存在较大安全隐患。退役的动力电池规格、型号繁杂,单一型号电池难以同时退役保证形成规模效应,且需要经过拆解-检测-重新组装等过程,与新电池相比不具备经济优势,安全问题突出,用户使用意愿不足;第三,政策及标准缺乏,行业虽处于起步阶段但乱像横生。许多报废电池并未进入正规渠道,市场缺少规范。且行业处在野蛮生长期,大量车企实行价高者得,造成大部分废旧动力电池未能流入合法处理渠道,实际处理方式令人堪忧。从事梯次电池回收利用的企业五花八门,包括电池企业、二手组装企业、金属冶炼企业、电子废弃物拆解企业、报废汽车解体企业、贸易商个体户等等。