韩 路，贺狄龙，刘爱菊， 马冬梅

（合肥国轩高科动力能源股份公司，安徽合肥230011）

电动汽车对于降低石油依赖和减少废气排放具有十分重要的环境和社会意义，现阶段国家和政府对于电动汽车的研发和生产也出台了一系列的政策支持。然而电动汽车行业现在面临的最大问题是动力锂离子电池成本过高，动力电池较大的体积也限制了电动汽车的发展。此外，动力锂电池使用寿命完结后还将面临如何回收处理的问题。电动汽车用锂电池的发展十分迅速，预计未来几年动力电池将进入大量回收的阶段，因此需要考虑电池的回收、处理和再利用等，动力电池的梯次利用逐渐受到关注。在《节能与新能源汽车规划》中，提出了要在运营方面制定动力电池回收利用管理办法，建立动力电池梯级利用和回收管理体系的目标。

为了降低电动汽车用锂电池的成本，开发和扩展锂电池市场，一个很重要的策略是通过论证和评估锂电池潜在的二次利用价值，实现动力电池的再利用。动力电池梯次利用的一般策略基于电池在车辆上使用过程的某个阶段，电池性能衰减到一定程度，但仍然可以满足动力汽车以外的其他应用领域的性能要求时，将更换下来的电池整修并重新制成产品，用于二次利用。电动汽车上的锂电池寿命终结后，仍具有约70%～80%的容量，因此动力电池的梯次利用具有很大的可行性和潜在的市场空间。动力锂电池的残余容量可以考虑用于其他性能要求较低的应用领域，如用于电动自行车、游览车等的电源，或者用于储能，包括风光储能、智能电网的削峰填谷与频率平衡、偏远地区分布式供电、充换电站储能、家庭电能调节等领域。通过动力电池的梯次利用，可以缓解大量电池进入回收阶段的压力。更重要的是，建立动力电池的回收与二次利用体系，充分发挥锂电池的容量价值，在一定程度上能够有效地分摊电动汽车消费者的使用成本，有利于更好地培育和推广电动汽车市场。因此对于电动汽车用锂电池梯次利用的研究非常必要，具有十分重要的现实意义。

1 梯次利用研究现状

相关企业和研究机构对动力电池梯次利用的重要性和预期的经济效益已有明确的认识，然而动力电池的梯次利用还停留在概念上，现阶段的研究仍处于初步阶段，未有成熟的技术或产品出现，对动力电池梯次利用的研究具有十分巨大的空间。另外，文献中动力电池二次利用的研究大多与智能电网系统相关，利用电动汽车使用后回收的电池重新成组用于电网系统，例如用于风能/太阳能等清洁能源的间歇式发电、电网平衡和峰谷调节等。

在具体的商业运作方面，日产汽车和住友集团合资成立了4R Energy公司，从事电动汽车废弃电池的再利用，在日本和美国销售或租赁的日产Leaf汽车的二手电池用于住宅和商用的储能设备。夏普公司也在开发智能功率调节器，以使车载动力电池可以用于家庭电源管理。此外，美国EnerDel公司和日本伊藤忠商社也有合作，在部分新建公寓中推广二次利用的动力电池。美国杜克能源和日本伊藤忠商事也在合作进行二手电池再利用的研究，对容量不足80%的电动汽车旧电池进行再利用测试，收集这些锂电池在二次利用（辅助家庭供电、储蓄可再生电源并为电动车提供快速充电）中的使用寿命数据。美国通用公司与瑞典ABB集团联合开展了车载锂电池（针对2010年底量产的插电式混合动力车Volt）再利用的调查与研究，包括智能电网方面，例如用来存储太阳电池系统和风力发电系统等所产生的电力。

除了相关企业之外，一些研究机构也开始了对动力电池二次利用的研究。2010年，美国国家可再生能源实验室开展了电动汽车用锂电池二次利用的调研项目[1]。动力电池梯次利用的调研内容包括对回收电动汽车用锂电池在其他领域（并网/离网电力系统、移动能量存储等方面）的价值评估。而电池的价值评估，需要选择经济价值较高的应用领域，需要了解详细的电池使用条件以及经济数值，并在进行详细的研究之前评估对比动力电池二次利用的成本和收益，另外也包含电池在二次应用领域中的使用性能测试。美国国家可再生能源实验室的Neubauer等[2]阐述了动力电池二次利用对降低电池成本的影响以及废旧电池用于储能方面的应用价值。

加州大学戴维斯分校的混合电动汽车研究中心在2010年也开展了动力锂电池的二次利用和价值分析等方面的研究[3]，研究内容包括4～5个电池二次利用领域对电池性能的具体要求、用于家庭储能系统(HESA)的产品研发，以及评价电池整体价值（电动汽车和二次利用领域的价值之和）的方法体系。关于二次利用领域对电池性能的具体要求需要调研电池二次利用时的性能（电压、功率、能量、日历/循环寿命、温度、运行条件、热量管理等）、实际使用环境、二次利用领域的价值和市场规模、竞争技术/产品等信息。这些具体的性能要求部分来自于商业客户，更多的信息需要进行探索性研究。关于家庭储能系统的产品研发，使用过的电动汽车用锂电池主要用于对家庭智能电网的峰谷调节。研究所用电池包括磷酸铁锂、钛酸锂和三元体系三种回收动力电池模块，并用新电池作为对比。电池的二次利用开发需要研究回收电动汽车用锂电池的重新设计、模型和配组更新等，以提高回收电池在一次/二次利用中的整体寿命，并有效地降低电池成本。另外二次利用中要保证电池组的可靠性，HESA电池组在实验室中运行足够长时间以检测其可靠性以及运行服务过程中的充放电自动控制，检测实际电网运行状况下和实际家庭环境中的运行性能。关于评价电池整体价值的方法体系要从经济和技术两个方面估算锂电池在电动汽车应用和延伸的二次利用领域中的总价值。通过对电池整体价值的评估，可以提出最优化的设计和应用方案，以及动力锂电池最优寿命价值的评价方法，包括电池的分选、测试、评估和证实等过程。

美国西北太平洋国家实验室的Viswanathan和Kintner-Meyer研究了动力电池在电网系统中二次利用的经济效益问题[4]。通过对电池健康状态(SOH)的计算，电池在电网系统中工作运行状态的模拟，电动汽车一次利用和电网系统二次利用的经济收益的模拟计算，评估了动力电池二次利用的经济效益。作者提供了一种估算动力电池一次和二次利用总体收益的方法，并发现动力电池所处的SOH状态、二次利用的收益率、一次/二次利用的电池使用时间分配等因素都会影响电池的整体收益，因此为了得到最大化的电池整体价值，需要综合考虑电池的状态以及二次利用领域的要求和经济价值。

2 梯次利用的过程和技术问题

动力电池的梯次利用过程一般可以分为三个阶段。第一阶段包括回收电池的性能评估以及二次利用领域的调研。电池的性能评估要全面，包括电性能和安全性测试等信息，也要有针对性，包括针对二次利用领域的使用环境和电池要求的特定性能分析。二次利用领域的调研要有详细的电池使用状态、环境和要求，与现有电池产品（铅酸电池等）的性价对比，预期的市场规模等信息，另外要初步确定动力电池的梯次利用策略，比如在某个特定的二次利用领域，电池的再利用需要考虑各种因素对电池寿命和经济收益的影响。其中在用于电动汽车的一次利用阶段需要考虑在何种电池状态或者何时从电动汽车取下电池最佳，在电池的重新整修阶段要考虑电池如何收集、分类、筛选、整修以及配组等；在二次利用时需要考虑如何管配附件、电池配组的使用以及如何维修处理等，在电池的回收和再利用中还需要考虑电池的所有权问题。

动力电池梯次利用的第二阶段包括电池在二次利用领域的产品设计、性能评估以及市场开发和推广等。产品设计要考虑二次利用电池的物理和化学性能，电池本身的成本估算以及重新处理加工成本的控制，针对二次利用锂电池价格较低的特点，体现出再利用电池产品与现有电池相比的优势，在满足性能要求的基础上充分发挥电池的价值。对回收电池的重组产品在二次利用领域中的性能评估，参照该领域现有电池的使用条件和运行环境等参数，进行性能研究、寿命分析、安全性测试等，这包括在实验室中精确地控制运行条件下的电池性能测试，以及实际工况测试评估等。这个阶段的测试分析要可靠和全面，其中二次利用电池的一致性和安全性特别需要注意，在产品设计和性能评估中要重点考虑。动力电池的二次利用中，市场开发和推广也是非常重要的，现阶段锂电池的应用领域也处在不断开发和推广中，因此对于回收锂电池的二次利用，除了现有电池应用市场之外，可能更需要开发和拓展一些新的市场领域，以相对较低的价格弥补锂电池成本昂贵的缺点，不断推动锂电池行业的发展。

梯次利用的第三阶段，在前两个阶段对动力锂电池二次利用的评估调研、产品开发推广的基础上，逐步形成锂电池回收和梯次利用的标准流程和方法体系。电动汽车的市场推广已经起步，建立动力电池的回收和处理的标准体系已成为一个需要迫切解决的问题。动力电池梯次利用的方法体系包括回收电池的分选和配组体系的建立、电池回收处理标准流程的形成等。此外，对动力电池梯次利用的研究也会促进动力电池的生产和设计的完善发展。电池梯次利用研究涉及到为方便二次利用而对电动汽车电池的设计和生产标准的改进，以及对锂电池的其他应用领域的调整改进等。对动力电池梯次利用的研究和开发，将在一定程度上反馈到电动汽车和电池模组的设计中，并可能提供一套完整的方法体系或者标准来实现其他类型锂电池的梯次利用。

现今对于电动汽车用锂电池梯次利用的研究，都还处于第一阶段的初始阶段，其中还有很多技术问题需要解决，比如回收的电动汽车用锂电池的分档和筛选问题。与新电池不同，回收动力电池的一致性较差，电芯的性能参数差异较大，如何确定简单、合适、可靠并具备一定普适性的分选条件是电池二次利用首先面临的问题之一，而电池的分选需要建立在对回收动力电池性能全面了解的基础上。另外一个技术问题则是如何对回收电芯进行整修，如何重新配组。除了电性能与新电池有差异外，回收的动力电池的物理外观也有可能不同，比如电芯胀气。这些电芯如何整修，如何设计配组成包技术，如何控制电池整修重配，如何确定简单普适的技术以方便大规模利用回收电池，也是非常关键的问题。此外，回收电池二次利用重新配组后，电池组的容量衰减、一致性和安全性能，动力电池二次利用市场的开发，竞争力、性价比和收益分析等方面的问题也是需要考虑的。虽然之前已有少量文献报道，但针对动力电池的梯次利用，仍需开展大量的研究工作。

3 结论和展望

随着锂电池的性能和寿命的改善，高油价和节能减排政策带来的对电动汽车的需求猛增，风能/太阳能等清洁能源发电和智能电网系统导向的电池储能市场的扩大，锂电池的发展越来越受到人们的关注，锂电池的高昂成本成为限制其发展的重要因素，而通过电池的二次利用可以降低电池成本。电动汽车用锂电池的梯次利用，则是动力电池研究的一个重要方向。国内外对于电动汽车用锂电池的梯次利用仍处于初级阶段，成熟的产品技术还未出现，因此开展动力电池梯次利用的研究，不仅可以促进我国电动汽车行业的发展，并且可以扩展锂电池的市场，推动锂电池的应用。

[1]NEUBAUER J,PESARAN A.PHEV/EV Li-ion battery second-use project[EB/OL].[2013-01-13].http：//www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/pdfs/48018.pdf.

[2]NEUBAUER J,PESARAN A.The ability of battery second use strategies to impact plug-in electric vehicle prices and serve utility energy storage applications[J].Journal of Power Sources,2011,196：10351-10358.

[3]UC Davis Plug-In Hybrid Electric Vehicle Research Center.Second life applications and value of"traction"lithium batteries[EB/OL].[2013-01-13].http：//phev.ucdavis.edu/request-for-proposals/RFP--bid-workshop.pdf.

[4]VISWANATHAN V V,KINTNER-MEYERM.Second use of transportation batteries：maximizing the value of batteries for transportation and grid services[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60：2963-2970.