靖海

麻省理工校友企業(yè)已經(jīng)開始設(shè)計方便回收再利用的電池

玩具車?yán)锏碾姵?“沒電” 了之后，先別著急扔，放到遙控器、掛鐘里，還能再用很長一段時間。電動汽車?yán)锏膭恿﹄姵匾泊嬖陬愃频那闆r：由于續(xù)航里程的要求，當(dāng)車載動力電池的容量下降到只有原先容量的 80% 的時候，就不得不報廢了。但用在電車上雖然不行，能不能在其他要求相對低一點(diǎn)的領(lǐng)域繼續(xù)“發(fā)揮余熱” 呢？

這便是電動汽車動力電池 “梯級利用” 的概念。麻省理工大學(xué)的一個研究團(tuán)隊近期在《應(yīng)用能源》雜志上刊文，分析了將已經(jīng)退役的電動汽車動力電池，用于為太陽能光伏電站提供儲能服務(wù)的經(jīng)濟(jì)可行性。他們得出的結(jié)論是，盡管業(yè)界對這樣做的成本問題憂心忡忡，但如果二手電池的價格可以低于新電池的 60%，再輔以適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行控制策略，報廢動力電池用作新能源儲能也可以是劃算的。該論文的第一作者、麻省理工大學(xué)博士后伊恩·馬修斯認(rèn)為，動力電池梯級利用為光伏電站提供儲能這件事，“真的可行”。

近年來，電動汽車技術(shù)日臻成熟，再加上各國在不同層面上的政策扶持，全球電動汽車銷量屢創(chuàng)新高。不過，與常規(guī)燃油車不同的是，汽車雖然可以開很久，電動汽車上的電池卻不行。隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的增加，其可以儲存的最大電量——電池的容量會逐步衰減、下降。當(dāng)容量下降到原始容量的 80% 以下時，就將無法滿足續(xù)航里程的要求，必須更換新的電池。

換下來的報廢電池，其命運(yùn)往往就是回收站了。在那里，電池里的貴金屬、電極等材料將被回收，而其他的部分，在無害化處理之后，就將塵歸塵，土歸土了。有機(jī)構(gòu)預(yù)計，2020 年我國動力電池報廢裝機(jī)量將達(dá)到約 25GWh。這么多的其實(shí)還能用的電池就這么報廢了，實(shí)在是太可惜了。因此，隨著兩三年前我國第一批動力電池的退役，動力電池梯級利用的概念便走進(jìn)了人們的視野。雖然無法繼續(xù)用在汽車上了，但還有 80% 的容量，依然“老當(dāng)益壯”，可以“志在千里”。

城市里閃轉(zhuǎn)騰挪的電動自行車，鄉(xiāng)村道路上隨處可見的低速電動車，建設(shè)在偏遠(yuǎn)山區(qū)的通信基站，為光伏、風(fēng)電等不穩(wěn)定的新能源提供平衡發(fā)電輸出的儲能電站，理論上都可以是報廢動力電池的理想去處。在這些應(yīng)用場景里，依然擁有 80% 容量的鋰電池，還可以安全地繼續(xù)使用到容量衰減到 60% 甚至更低的程度。據(jù)估計，到 2025 年，我國動力電池梯級利用的市場將有望達(dá)到近 300 億元的規(guī)模。各路英豪紛紛摩拳擦掌，打算在這片藍(lán)海里闖出一番天地。

電動汽車上不能用的電池，還有許多地方可以發(fā)揮余熱

然而，盡管看上去梯級利用的優(yōu)勢顯而易見，但現(xiàn)實(shí)總是比夢想骨感一些。理論上還有 80% 電量的電池，實(shí)際操作起來卻不一定是那么回事。所謂的“容量下降到原始容量的 80%”，并不等于所有的電池都下降到了 80%。電動汽車使用的電池，是由一節(jié)一節(jié)的單體電池——也就是所謂的電芯所組成的。許多電芯經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)組成電池模塊，許多電池模塊再加上管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，才能最終組成了裝在汽車上的電池包。

電動汽車?yán)锏碾姵?，是由電芯、電池模塊、電池包三級結(jié)構(gòu)組成的。梯級利用需要把三級結(jié)構(gòu)層層拆開，再分類重組

盡管按照同樣的方法生產(chǎn)組裝，但每一個電芯的性能是略有差異的。組裝到電池模塊里之后，其使用情況也不盡相同。到了報廢的時候，電池模塊的容量下降到了 80%，但具體到每一個電芯上，剩余的電量卻有高有低。如果一節(jié)單體電池的容量已經(jīng)非常低了，超期服役會發(fā)生電池容量的突然衰減，俗稱“跳水”。跳水可能會導(dǎo)致電池膨脹、起火等安全事故的發(fā)生，威脅到電池模塊、甚至整個用電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。就算沒有跳水，電池的壽命也“大限將至”，無法按照設(shè)計發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此，要想對動力電池進(jìn)行有效的梯級利用，就必須把每一個電芯都從嚴(yán)密包裹著的電池包、電池模塊里拆出來，對其容量、電阻等性能進(jìn)行充分測量，根據(jù)這些參數(shù)分析出每一個電芯的實(shí)際性能，再將性能相近的電池重新組成新的電池模塊。這個過程幾乎相當(dāng)于把電池模塊重新設(shè)計和生產(chǎn)了一次。

而且，這個重新生產(chǎn)的過程還很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。且不說不同批次、廠家的電池規(guī)格、材料不盡相同，這些電芯甚至連形狀都有可能不一樣——電芯可以是普通干電池那樣的圓柱形，也可以是方的、扁的…… 這樣一來，盡管二手電池的電芯成本比全新電池要低，但對不同批次、甚至不同廠家生產(chǎn)的電池包進(jìn)行徹底的拆解，對每一個電芯進(jìn)行檢測，再分類、篩選，組裝成全新的電池模塊，工作量巨大，成本也很高。

此外，動力電池和儲能電池的設(shè)計要求本身就不一樣。動力電池要求更高的能量密度，畢竟一輛車可以攜帶的電池重量有限，必須盡可能地提高可以儲存的電量;但儲能電池、備用電源電池對空間的要求就沒那么高了，更多的是需要有更長的壽命。太陽能光伏電池的壽命動輒二三十年，與之配套的儲能電池如果要頻繁更換，會嚴(yán)重增加儲能電站的成本。而且，由于本來就是二手電池，其壽命天然就比新電池要短。最后算下來，二手電池到底劃不劃算，一直是一個問號。

目前，業(yè)界普遍認(rèn)為，報廢動力電池用在低速電動車、通信基站上，還是可以接受的。但大家最期待的，是將二手動力電池用于新能源儲能。儲能技術(shù)被認(rèn)為是能源轉(zhuǎn)型的瓶頸、應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵，大多數(shù)電池專家都認(rèn)為，全新的鋰電池并不能滿足要求，需要研發(fā)新的化學(xué)儲能原理來讓電池?fù)碛懈偷某杀竞透叩膲勖?。至于二手動力電池能不能在保證使用壽命的前提下有效降低成本，則一直眾說紛紜，沒有確切的答案。麻省理工大學(xué)的這篇論文，就針對這個問題給出了自己的解讀。

為了評估使用電池進(jìn)行儲能的經(jīng)濟(jì)效益，研究人員假設(shè)了一座位于美國加利福尼亞州的 2.5MW 的光伏電站。并按照加州的政策法規(guī)、商品的服務(wù)和價格，對比了3種情況下的成本和收益。這3種情況分別是：不安裝電池;安裝全新電池;安裝只剩 80% 容量的二手動力電池。為了估計電池的容量隨著時間推移的衰減程度，他們使用了一個基于實(shí)際數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＿@個模型考慮了電池內(nèi)部固體 - 電解質(zhì)之間界面的非線性增長、隨著使用年限帶來的容量衰減，以及隨著循環(huán)壽命的增加帶來的容量衰減，以及電池的使用溫度。之前的研究發(fā)現(xiàn)，這個模型可以非常準(zhǔn)確地估計各種鋰離子電池的容量衰減程度。

經(jīng)過計算，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果不嚴(yán)格控制二手電池的使用方式，其容量衰減將會很快，經(jīng)濟(jì)性也會很差。但若是嚴(yán)格控制二手電池的充放電深度，上限不超過 65%，下限不低于 15%，那么電池容量的衰減將會變得很慢。假設(shè)電池容量衰減到 60% 就要徹底報廢，那么二手動力電池作為光伏儲能的使用壽命會長達(dá)16年。這個年限只比擁有 100% 初始容量的全新電池短一年多。在這種情況下，只要二手電池的成本低于新電池的 80%，其所能帶來的收益就將高于新電池。

不過，這并不意味著二手電池用作光伏儲能就是劃算的。若是要保證順利收回建設(shè)光伏電站和儲能設(shè)施的投資，需要讓二手電池的成本低于新電池的 60%。換句話說，如果想要通過動力電池梯級利用的方式，實(shí)現(xiàn)鋰電池應(yīng)用于大規(guī)模光伏儲能的設(shè)想，二手電池的成本必須比新電池低四成，具體使用過程中還需要嚴(yán)格控制其充放電深度。如果要做到這一點(diǎn)，從政府到企業(yè)都得再下功夫。其中最重要的，是電池的生產(chǎn)和檢測必須標(biāo)準(zhǔn)化，確保不同廠家、不同批次的電池可以用同樣的方式大規(guī)模拆解、檢測、重組。麥肯錫的一則報告估計，到 2030 年，動力電池梯級利用的規(guī)模將可以滿足一半的新能源儲能消納的需求。但前提是，那時的電池必須用 “以終為始” 的態(tài)度，降低二手電池的加工成本，最大化地利用每一節(jié)電池的價值。

麻省理工大學(xué)博士后伊恩·馬修斯表示，電動汽車的生產(chǎn)商、電池生產(chǎn)商、光伏電站等各利益相關(guān)方都應(yīng)該“坐下來好好討論一下”，因?yàn)閯恿﹄姵靥菁壚脼楣夥娬咎峁﹥δ苓@件事，“真的可行”。

（綜合整理報道）（編輯/諾伊克）