1、动力锂电池梯次利用与回收处理动力锂电池梯次利用与回收处理Reuse and Recycling of Lithium-ion Power Batteries赵光金 博士/高级工程师国网河南省电力公司电力科学研究院国家电网公司电网废弃物资源处理技术实验室赵光金 博士/高级工程师国网河南省电力公司电力科学研究院国家电网公司电网废弃物资源处理技术实验室二一六年五月退役电池梯次利用退役电池梯次利用2 2废旧电池回收利用废旧电池回收利用3 3背景介绍背景介绍1 1总结与展望总结与展望5 5产业化若干问题思考产业化若干问题思考4 4发展电动汽车是减轻大气污染的重要途径一、背景介绍2015年郑州雾霾天气，2
2、51天轻度及以上污染2015年郑州雾霾天气，251天轻度及以上污染电动汽车及电池产业实现快速发展一、背景介绍退役电池数量庞大，呈累积性爆发式增长趋势2015年，退役电池数量累计达2-4万吨，预计到2024年，我国电动汽车用动力电池年报废量可达到34万t的规模。2014年2024年，锂离子动力电池累计报废约100万吨。据国家电网公司科技部（智能电网部）统计，至2015年底，国家电网公司将产生超过100MWh的退运动力锂电池。在运的动力锂电池超过400MWh，在未来几年，每年有近百兆瓦时的动力锂电池从电动汽车上退运。一、背景介绍动力电池梯次利用与回收意义重大1.资源利用2.环境隐患3.安全隐患1.
3、资源利用2.环境隐患3.安全隐患三大瓶颈电池组成本中电池本体占很大比重储能应用场景及需求不断增加一、背景介绍退役电池梯次利用退役电池梯次利用2 2废旧电池回收利用废旧电池回收利用3 3背景介绍背景介绍1 1总结与展望总结与展望5 5产业化若干问题思考产业化若干问题思考4 4动力电池梯次利用场合二、退役电池梯次利用机理与基础研究机理与基础研究标准化产品设计标准化产品设计示范应用示范应用研究背景1国内外多处于探索研究或小规模阶段，未开展大规模产业化应用应用领域单一，主要用于短时间家庭供电系统多是验证式的研究，并未深入开展退役电池梯次利用基础研究、机理分析等二、退役电池梯次利用研究思路二、退役电池梯
4、次利用电池模块外观二、退役电池梯次利用退役电池衰减特性研究电芯外观分选电芯外观分选整车的3600只退役电芯为样本，进行测试分析二、退役电池梯次利用退役电池衰减特性研究68070072074076078080082084086002468101214161820容量容量/Ah循环次数循环次数二、退役电池梯次利用退役电池衰减特性研究安全性安全性实验项目编号实验现象判定标准判定结果高温A22-0343电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；实验项目编号实验现象判定标准判定结果高温A22-0343电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格A16-2545电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火
5、，不爆炸；A16-2545电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格过充A10-1598电池无泄漏，试验最高温度31.7；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；过充A10-1598电池无泄漏，试验最高温度31.7；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格A07-1086电池无泄漏，试验最高温度30.6；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；A07-1086电池无泄漏，试验最高温度30.6；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格针刺A06-0937电池无泄漏，试验最高温度21.4；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；针刺A06-0937电池无泄漏，试验最高温度21.4；电池无起火
6、，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格A05-0552电池泄漏，试验最高温度126.3；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；A05-0552电池泄漏，试验最高温度126.3；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格挤压A06-0894电池无变形，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；挤压A06-0894电池无变形，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格A05-0689电池无变形，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；A05-0689电池无变形，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格短路A11-1624电池正极极耳瞬间熔断，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起
7、火，不爆炸；短路A11-1624电池正极极耳瞬间熔断，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格A17-2670电池正极极耳瞬间熔断，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；A17-2670电池正极极耳瞬间熔断，无泄漏；电池无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格过放A06-0826电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；过放A06-0826电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格A14-2196电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；A14-2196电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格跌落F01-0091电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不
8、爆炸；跌落F01-0091电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格A08-1123电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；A08-1123电池无泄漏，无起火，无爆炸。不起火，不爆炸；合格合格二、退役电池梯次利用退役电池安全性与热特性测试热特性热特性 1C充放电策略 50%以下、50-60%、60-70%、80-90%、90-100% 电池表面温度最高不超过34 1C充放电策略 50%以下、50-60%、60-70%、80-90%、90-100% 电池表面温度最高不超过34二、退役电池梯次利用退役电池安全性与热特性测试 退役电池隔膜还能保持相对较为理想的机械稳定、热稳定性以及物理
9、稳定性，表明从隔膜考虑，开展退役电池梯次利用是安全的、可行的。 退役电池梯次利用分选时应重点考察隔膜的孔隙率、穿刺强度。 需要对聚烯烃类隔膜进行持续的针对性改进和提升，以减少隔膜发生降解的可能性，同时也要开发电解液的功能添加剂以提高隔膜的热稳定性和化学稳定性。二、退役电池梯次利用聚烯烃隔膜衰减特性研究。退役电池宏观尺度下几乎所有的性能衰退均是由于分子尺度下的材料本身发生了结构或者化学变化以及微纳尺度下的材料形貌或者红外特性变化引起的；评估退役电池性能的核心参量还是考察分子尺度和微纳尺度下电池材料的理化性能变化特性；还要考察动力电池在电动车上循环使用过程中引起的电池安全和质量问题，如外壳密封性、
10、内部微短路情况、活性材料脱落等。二、退役电池梯次利用退役电池健康状态评估方法衰减特性与外特性研究电池内部结构理化特性研究安全性与热特性测试寿命预测方法及模型研究健康状态评估方法研究容量减小内阻增大，一致性显著降低，低倍率循环性能优异，0.3C/0.5C循环400次，容量衰减别超过5%电池电极活性物质和导电剂脱落，活性材料形貌及粒径尺寸变化，SEI膜的破坏与重生，隔膜降解等引起电池衰变；隔膜性能稳定安全性达标，1C放电电池温度不超过34建立了基于容量变化和阻抗特性的退役电池的寿命预测模型，预测误差小10%外特性衰变的主要原因是分子尺度、微纳米尺度下电池材料和隔膜及电解液的不可逆衰减和理化特性衰退
11、二、退役电池梯次利用小结理想的梯次利用效率与循环寿命理想的梯次利用效率与循环寿命分选技术重组技术管理系统均衡策略19技术要点技术要点二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究从五个方面对退役电池进行分选评估电池性能决定梯次利用的效果及效益QCT743-2006 电动汽车用锂离子蓄电池标准、QB/T 2502-2000 锂离子蓄电池总规范等并不完全适用于退役电池分选评估。QCT743-2006 电动汽车用锂离子蓄电池标准、QB/T 2502-2000 锂离子蓄电池总规范等并不完全适用于退役电池分选评估。CN201110410608.8 、 CN201310261893.0 、CN20131038
12、9331.4、CN201310030876.6等发明专利主要采取外观分选、电压、容量、内阻等性能测试对退役电池可用性做出判断，并进行分级、重组。可靠性、精确度方面值得商榷。CN201110410608.8 、 CN201310261893.0 、CN201310389331.4、CN201310030876.6等发明专利主要采取外观分选、电压、容量、内阻等性能测试对退役电池可用性做出判断，并进行分级、重组。可靠性、精确度方面值得商榷。电池容量下降、性能衰减，内部发生不可逆变化二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究电池分选电池分选基于退役电池物理和化学性能的变化，结合所建立的退役电池寿命预测
13、模型以及工业CT技术和7Li核磁成像技术，提出了一种退役动力电池梯级利用无损分选评估方法，并用于退役动力电池的分选评估。可用性分选技术可用性分选技术二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究外观识别分选外观识别分选性能特性分析性能特性分析内部结构检测内部结构检测外观是否完好，表面是否平整干燥，有无破损，有无变形，有无污渍，有无气胀现象，标志是否清晰、正确外观是否完好，表面是否平整干燥，有无破损，有无变形，有无污渍，有无气胀现象，标志是否清晰、正确 利用工业CT无损检测及三维成像技术，实现对退役电池内部结构进行检测并实现三维成像，观察电池内部电极片是否存在鼓涨现象，以此判断电池健康状态； 利用7
14、Li核磁共振成像仪无损检测技术对锂电池碳负极进行成分分析，检测是否存在纤维锂，判断电池安全性。判断标准：碳负极上锂纤维含量15%（Li/C, wt/wt） 利用工业CT无损检测及三维成像技术，实现对退役电池内部结构进行检测并实现三维成像，观察电池内部电极片是否存在鼓涨现象，以此判断电池健康状态； 利用7Li核磁共振成像仪无损检测技术对锂电池碳负极进行成分分析，检测是否存在纤维锂，判断电池安全性。判断标准：碳负极上锂纤维含量15%（Li/C, wt/wt） 在0.51.0倍率的条件下进行充电，至电压达到4.55.0V的次数5次； 在0.51.0倍率的条件下进行放电，至电压达到1.02.0V的次数
15、5次； 在5080高温下运行次数小于5次； 使用年数少于8年； 电池常温3h率放电容量大于标称值的60%。 在0.51.0倍率的条件下进行充电，至电压达到4.55.0V的次数5次； 在0.51.0倍率的条件下进行放电，至电压达到1.02.0V的次数5次； 在5080高温下运行次数小于5次； 使用年数少于8年； 电池常温3h率放电容量大于标称值的60%。二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究分选标准分选标准确定了内阻、循环性能、隔膜降解特性等退役电池可用性核心参量判据，仅靠少量的简单参数实现了对可用退役电池的准确分选。6807007207407607808008208408600246810
16、1214161820容量容量/Ah循环次数循环次数可用性核心参量判据可用性核心参量判据二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究分选流程分选流程二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究智能分时主动被动协同统一混合均衡技术智能分时主动被动协同统一混合均衡技术开发可靠、响应快、精度高的均衡技术均衡效率很低可靠性低二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究 当电池组放电时，启动主动均衡，此时被动均衡关闭。电池组放电至欠压，主动均衡结束。 当电池组充电时，先使用主动均衡对电芯进行第一阶段能量搬移，在电芯电压接近过压点时，电池充电电流减小，逐渐转入恒压充电过程，此时关闭主动均衡，在充电末端启用被动均衡
17、，进行第二阶段能量搬移退役电池智能分时混合均衡技术，通过硬件电路修改和矩阵搬移的软件算法，将主动均衡与被动均衡结合起来，实现了在不同的情况下使用不同均衡方式智能分时主动被动协同统一混合均衡技术智能分时主动被动协同统一混合均衡技术二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究电池放电容量的还原率为22789mAh/23700mAh=96.2%，均衡效果很好，使用主动均衡加被动均衡方式方案可行，均衡效果较为明显均衡初期2#电池电压大于4V，与其它电池的压差超过700mV，经过主动和被动的协同均衡，12只电池的压差20mV，均衡效果良好。测试实验1测试实验2智能分时主动被动协同统一混合均衡技术智能分时主
18、动被动协同统一混合均衡技术二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究退役电池管理系统研制退役电池管理系统研制基于安时积分法、开路电压法及修正系数的SOC综合估测方法智能分时的主动被动协同统一混合均衡技术二、退役电池梯次利用退役电池再利用技术研究退役电池风光储微电网示范工程退役电池风光储微电网示范工程分布式电源主要性能容量分布式电源主要性能容量风力发电机垂直轴微风风力发电210 kW光伏发电单晶透光光伏50 kW储能系统移动式储能100kW/140kWh二、退役电池梯次利用示范应用示范工程自2013年8月建成和联调成功后，已经连续运行了2年多，累积存储新能源发电超过20000kWh，目前系统运行
19、状况良好；并网运行时能充分利用风电、光伏能源，给用户带来了实际收益；离网运行时储能系统支撑系统电压，光伏、风机输出能量，并离网切换功能也达到了设计要求。退役电池储能系统运行良好，能量效率90%，动态响应时间200ms，功率转换时间200ms。模块内单体电池间温差3。共计循环400余次，电池储能系统年平均可利用率90%。示范工程效果示范工程效果二、退役电池梯次利用示范应用规格：48V-20Ah续航里程：70km重量：10.5kg价格：300-500元规格：48V-12Ah续航里程：30km重量：20kg价格：400-600元首次将退役电池梯次利用于电动摩托车铅酸蓄电池退役动力电池退役电池储能系统
20、用做其他小型电源退役电池储能系统用做其他小型电源二、退役电池梯次利用示范应用首次将退役电池梯次利用于变电站UPS电源，并实现在信阳供电公司应用退役电池储能系统用做其他小型电源退役电池储能系统用做其他小型电源二、退役电池梯次利用示范应用成功研制低成本家庭储能装置，使用退役电池2kW/3kWh，可 多 机并 联 ，可 存 储可 持 续和 可 再生 的 电能 ， 提供 电 力备份退役电池储能系统用做其他小型电源退役电池储能系统用做其他小型电源二、退役电池梯次利用示范应用退役电池直流灌溉水泵系统示意图退役电池交流灌溉水泵系统示意图灵活轻便、工艺简单、操作维护方便、使用寿命长、投资成本低等特点退役电池储
21、能系统用做其他小型电源退役电池储能系统用做其他小型电源二、退役电池梯次利用示范应用退役电池梯次利用退役电池梯次利用2 2废旧电池回收利用废旧电池回收利用3 3背景介绍背景介绍1 1总结与展望总结与展望5 5产业化若干问题思考产业化若干问题思考4 4三、废旧电池回收利用实验室研究针对磷酸铁锂三、废旧电池回收利用实验室研究5项授权发明专利三、废旧电池回收利用装置研发切割破碎机切割破碎机磁选机磁选机材料剥离设备材料剥离设备材料再生设备材料再生设备三、废旧电池回收利用连续自动化工艺全自动回收处理工艺线，5000吨/年全自动回收处理工艺线，5000吨/年三、废旧电池回收利用连续自动化工艺新工艺效果验证新
22、工艺效果验证正负极铜、铝隔膜、外壳铝塑膜退役电池梯次利用退役电池梯次利用2 2废旧电池回收利用废旧电池回收利用3 3背景介绍背景介绍1 1总结与展望总结与展望5 5产业化若干问题思考产业化若干问题思考4 4梯次利用电池关注的指标要求电池在拆解-分选-重组等过程一定要注重安全性、成本控制要求电池在拆解-分选-重组等过程一定要注重安全性、成本控制四、产业化若干问题思考人工拆解电池组不仅效率低人工拆解电池组不仅效率低下，而且人身安全也无法保障，更不利于降低拆解分选成本四、若干技术问题思考梯次利用电池组拆解流程如何自动化梯次利用电池组拆解流程如何标准化四、产业化若干问题思考Pack电池组联接线、数据采
23、集线去除、电池组控制电路拆除电池模块外壳破拆切割Moduel电池模块拆解为电池包用自动螺栓拆卸工具去除连接螺栓、电池导电带去除电池包外壳cell典型选取主流电池组、典型pack方案，仔细研究拆解过程与流程，考虑自动化拆解技术与工艺梯次利用电池组拆解流程剖析四、产业化若干问题思考初步设计利用自动控制技术及工业机器人四、产业化若干问题思考回收利用绿色闭环设计回收利用既要资源化，又要无害化，回收利用技术注重环保节能四、产业化若干问题思考退役电池梯次利用退役电池梯次利用2 2废旧电池回收利用废旧电池回收利用3 3背景介绍背景介绍1 1总结与展望总结与展望5 5产业化若干问题思考产业化若干问题思考4 4
24、申请发明专利申请发明专利16项，其中包括项，其中包括1项国际专利，授权项国际专利，授权8项，申请实用新型专利项，申请实用新型专利5项，其中授权项，其中授权5项。项。申请发明专利申请发明专利16项，其中包括项，其中包括1项国际专利，授权项国际专利，授权8项，申请实用新型专利项，申请实用新型专利5项，其中授权项，其中授权5项。项。申请专利申请专利49知识产权现阶段工作总结1.Structural and Electrochemical Studies on a Tavorite Crystal LiFePO4F Synthesized by Sol-Gel Process发表于发表于Asian J
25、ournal of Chemistry，25（14）(2013) 7937-7940. （SCI）2.Secondary Use of PHEV and EV Lithium-Ion Batteries in Stationary Applications as Energy Storage System发表于发表于Advanced Materials Research，528 (2012) 202-205. （EI）3.Cycle life prediction and match detection in retired electric vehicle batteries发表于发表于Tr
26、ans. Nonferrous Met. Soc. China 23(2013) 3040-3045.（EI）4. Recycling opportunities for lithium-ion power batteries发表于发表于Advanced Materials Research ，2012，518，3441-3444。 （。 （EI）5.The possibility of using oxide cathode materials of spent lithium-ion power batteries for carbon dioxide capture from fossi
27、l fuel plant发表于发表于Advanced Materials Research ，2013，779-780，52-55。 （。 （EI）6. 基于基于FLOTHERM软件的退役电池箱设计，发表于电源技术。软件的退役电池箱设计，发表于电源技术。7.动力电池动力电池SOC预估方法研究进展，发表于电源技术。预估方法研究进展，发表于电源技术。8.电动汽车动力电池配组工艺研究进展，发表于电源技术。电动汽车动力电池配组工艺研究进展，发表于电源技术。9. 动力电池均衡控制技术研究进展，发表于电源技术。动力电池均衡控制技术研究进展，发表于电源技术。10. 充电模式下纯电动公交大巴退役电池性能分析，
28、发表于电源技术。充电模式下纯电动公交大巴退役电池性能分析，发表于电源技术。11.动力锂离子电池性能衰减过程电池内部结构分析研究，发表于电源技术。动力锂离子电池性能衰减过程电池内部结构分析研究，发表于电源技术。12.磷酸铁锂动力电池低温性能研究，发表于第九届河南省汽车工程技术研讨会。磷酸铁锂动力电池低温性能研究，发表于第九届河南省汽车工程技术研讨会。13.磷酸铁锂动力电池性能研究，发表于第九届河南省汽车工程技术研讨会。磷酸铁锂动力电池性能研究，发表于第九届河南省汽车工程技术研讨会。发表发表SCI论文论文1篇，篇，EI论文论文4篇，核心期刊论文篇，核心期刊论文6篇。篇。发表发表SCI论文论文1篇，
29、篇，EI论文论文4篇，核心期刊论文篇，核心期刊论文6篇。发表论文篇。发表论文知识产权现阶段工作总结出版专著1部：出版专著1部：电动锂电池梯次利用与回收处理电动锂电池梯次利用与回收处理申请软件著作权3项申请软件著作权3项1、BMS电池管理系统2、基于电池梯次利用的新能源微电网仿真平台3、退役电池梯次利用信息系统知识产权现阶段工作总结英文版2016年8月将在Wiley出版社出版英文版2016年8月将在Wiley出版社出版政策支持与产业前景 未来五年中国储能市场规模在200亿元以上，退役电池储能系统成本为新电池的一半及以下，大有可为。未来五年中国储能市场规模在200亿元以上，退役电池储能系统成本为新电池的一半及以下，大有可为。 电池回收利用每年的市场效益规模在100亿元以上。以年处理5000吨废旧三元锂离子电池及其生产废料的产能规模为例，每年可产生4828万元的利润。电池回收利用每年的市场效益规模在100亿元以上。以年处理5000吨废旧三元锂离子电池及其生产废料的产能规模为例，每年可产生4828万元的利润。五、总结与展望期望可以实现资源再生、从电池到电池的循环谢谢！谢谢！Tank You！2016年年5月月
