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报废的电动汽车动力电池 能不能继续给光伏做储能?

   日期:2020-06-23     来源:DeepTech深科技    浏览:1117    评论:0    
玩具车里的电池 “没电” 了之后,先别着急扔,放到遥控器、挂钟里,还能再用很长一段时间。电动汽车里的动力电池也存在类似的情况:由于续航里程的要求,当车载动力电池的容量下降到只有原先容量的 80% 的时候,就不得不报废了。但用在电车上虽然不行,能不能在其他要求相对低一点的领域继续 “发挥余热” 呢?

这便是电动汽车动力电池 “梯次利用” 的概念。麻省理工大学的一个研究团队近期在《应用能源》(Applied Energy)杂志上刊文,分析了将已经退役的电动汽车动力电池,用于为太阳能光伏电站提供储能服务的经济可行性。他们得出的结论是,尽管业界对这样做的成本问题忧心忡忡,但如果二手电池的价格可以低于新电池的 60%,再辅以适当的运行控制策略,报废动力电池用作新能源储能也可以是划算的。

该论文的第一作者、麻省理工大学博士后 Ian Mathews 认为,动力电池梯次利用为光伏电站提供储能这件事,“真的可行”。

近年来,电动汽车技术日臻成熟,再加上各国在不同层面上的政策扶持,全球电动汽车销量屡创新高。不过,与常规燃油车不同的是,汽车虽然可以开很久,电动汽车上的电池却不行。随着电池充放电循环次数的增加,其可以储存的最大电量——电池的容量会逐步衰减、下降。当容量下降到原始容量的 80% 以下时,就将无法满足续航里程的要求,必须更换新的电池。

换下来的报废电池,其命运往往就是回收站了。在那里,电池里的贵金属、电极等材料将被回收,而其他的部分,在无害化处理之后,就将尘归尘,土归土了。有机构预计,2020 年我国动力电池报废装机量将达到约 25GWh。这么多的其实还能用的电池就这么报废了,实在是太可惜了。

因此,随着两三年前我国第一批动力电池的退役,动力电池梯次利用的概念便走进了人们的视野。虽然无法继续用在汽车上了,但还有 80% 的容量,依然“老当益壮”,可以“志在千里”。

城市里闪转腾挪的电动自行车,乡村道路上随处可见的低速电动车,建设在偏远山区的通信基站,为光伏、风电等不稳定的新能源提供平衡发电输出的储能电站,理论上都可以是报废动力电池的理想去处。

在这些应用场景里,依然拥有 80% 容量的锂电池,还可以安全地继续使用到容量衰减到 60% 甚至更低的程度。据估计,到 2025 年,我国动力电池梯次利用的市场将有望达到近 300 亿元的规模。各路英豪纷纷摩拳擦掌,打算在这片蓝海里闯出一番天地。

然而,尽管看上去梯次利用的优势显而易见,但现实总是比梦想骨感一些。

理论上还有 80% 电量的电池,实际操作起来却不一定是那么回事。

所谓的“容量下降到原始容量的 80%”,并不等于所有的电池都下降到了 80%。电动汽车使用的电池,是由一节一节的单体电池——也就是所谓的电芯所组成的。许多电芯经过串联、并联组成电池模块,许多电池模块再加上管理系统、冷却系统、控制系统,才能最终组成了装在汽车上的电池包。

尽管按照同样的方法生产组装,但每一个电芯的性能是略有差异的。组装到电池模块里之后,其使用情况也不尽相同。到了报废的时候,电池模块的容量下降到了 80%,但具体到每一个电芯上,剩余的电量却有高有低。

如果一节单体电池的容量已经非常低了,超期服役会发生电池容量的突然衰减,俗称“跳水”。跳水可能会导致电池膨胀、起火等安全事故的发生,威胁到电池模块、甚至整个用电系统的安全运行。就算没有跳水,电池的寿命也“大限将至”,无法按照设计发挥应有的作用。

因此,要想对动力电池进行有效的梯次利用,就必须把每一个电芯都从严密包裹着的电池包、电池模块里拆出来,对其容量、电阻等性能进行充分测量,根据这些参数分析出每一个电芯的实际性能,再将性能相近的电池重新组成新的电池模块。这个过程几乎相当于把电池模块重新设计和生产了一次。

而且,这个重新生产的过程还很难实现规模化。且不说不同批次、厂家的电池规格、材料不尽相同,这些电芯甚至连形状都有可能不一样——电芯可以是普通干电池那样的圆柱形,也可以是方的、扁的…… 这样一来,尽管二手电池的电芯成本比全新电池要低,但对不同批次、甚至不同厂家生产的电池包进行彻底的拆解,对每一个电芯进行检测,再分类、筛选,组装成全新的电池模块,工作量巨大,成本也很高。

此外,动力电池和储能电池的设计要求本身就不一样。动力电池要求更高的能量密度,毕竟一辆车可以携带的电池重量有限,必须尽可能地提高可以储存的电量;但储能电池、备用电源电池对空间的要求就没那么高了,更多的是需要有更长的寿命。太阳能光伏电池的寿命动辄二三十年,与之配套的储能电池如果要频繁更换,会严重增加储能电站的成本。

而且,由于本来就是二手电池,其寿命天然就比新电池要短。最后算下来,二手电池到底划不划算,一直是一个问号。

目前,业界普遍认为,报废动力电池用在低速电动车、通信基站上,还是可以接受的。

但大家最期待的,是将二手动力电池用于新能源储能。储能技术被认为是能源转型的瓶颈、应对气候变化的关键,大多数电池专家都认为,全新的锂电池并不能满足要求,需要研发新的化学储能原理来让电池拥有更低的成本和更高的寿命。至于二手动力电池能不能在保证使用寿命的前提下有效降低成本,则一直众说纷纭,没有确切的答案。

麻省理工大学的这篇论文,就针对这个问题给出了自己的解读。

为了评估使用电池进行储能的经济效益,研究人员假设了一座位于美国加利福尼亚州的 2.5MW 的光伏电站。并按照加州的政策法规、商品的服务和价格,对比了三种情况下的成本和收益。这三种情况分别是:1)不安装电池,2)安装全新电池,3)安装只剩 80% 容量的二手动力电池。

为了估计电池的容量随着时间推移的衰减程度,他们使用了一个基于实际数据的半经验模型。这个模型考虑了电池内部固体 - 电解质之间界面的非线性增长、随着使用年限带来的容量衰减,以及随着循环寿命的增加带来的容量衰减,以及电池的使用温度。之前的研究发现,这个模型可以非常准确地估计各种锂离子电池的容量衰减程度。

经过计算,研究人员发现,如果不严格控制二手电池的使用方式,其容量衰减将会很快,经济性也会很差。

但若是严格控制二手电池的充放电深度,高不超过 65%,低不低于 15%,那么电池容量的衰减将会变得很慢。假设电池容量衰减到 60% 就要彻底报废,那么二手动力电池作为光伏储能的使用寿命会长达 16.1 年。这个年限只比拥有 100% 初始容量的全新电池短一年多。

在这种情况下,只要二手电池的成本低于新电池的 80%,其所能带来的收益就将高于新电池。不过,这并不意味着二手电池用作光伏储能就是划算的。若是要保证顺利收回建设光伏电站和储能设施的投资,需要让二手电池的成本低于新电池的 60%。

换句话说,如果想要通过动力电池梯次利用的方式,实现锂电池应用于大规模光伏储能的设想,二手电池的成本必须比新电池低四成,具体使用过程中还需要严格控制其充放电深度。

如果要做到这一点,从政府到企业都得再下功夫。其中最重要的,是电池的生产和检测必须标准化,确保不同厂家、不同批次的电池可以用同样的方式大规模拆解、检测、重组。麦肯锡的一则报告估计,到 2030 年,动力电池梯次利用的规模将可以满足一半的新能源储能消纳的需求。但前提是,那时的电池必须用 “以终为始” 的态度,降低二手电池的加工成本,最大化地利用每一节电池的价值。

麻省理工大学博士后 Ian Mathews 表示,电动汽车的生产商、电池生产商、光伏电站等各利益相关方都应该“坐下来好好讨论一下”,因为动力电池梯次利用为光伏电站提供储能这件事,“真的可行”。

-End-

参考:

Mathews I, Xu B, He W, Barreto V, Buonassisi T, Peters IM. Technoeconomic model of second-life batteries for utility-scale solar considering calendar and cycle aging. Appl Energy 2020;269:115127. doi:10.1016/j.apenergy.2020.115127.

Xu B, Oudalov A, Ulbig A, Andersson G, Kirschen DS. Modeling of lithium-ion battery degradation for cell life assessment. IEEE Trans Smart Grid 2018;9:1131–40. doi:10.1109/TSG.2016.2578950.

谭倩, 尹斌, 赵越. 动力电池回收市场起航 —— 动力电池回收行业深度报告. 2019.

Foundation LD. 深圳市动力电池回收利用机制与政策研究 Research on the Power Battery Recycling 2018.

王娜. 如何突破动力电池回收产业发展瓶颈. vol. 85. 2017.

Wei L, Shengquan L, Zhaoqi H. 动力电池 多梯级利用的技术难点 分析 2018:11–3.等 
 

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