全球动力电池梯次利用研究进展及现状
一、背景介绍
新能源汽车是我国汽车工业能源清洁化的重要发展方向，按照规划规定，截至2020年，新能源汽车当年产销实现200万辆以上，累计产销超过500万辆。目前我国新能源汽车累计销售约300万辆，2018年全年销售125.6万辆。
近年来，我国电动汽车产业进入快速发展期，如图1所示，2011—2018年我国电动汽车销量呈快速增长趋势。相应的，电动汽车动力电池出货量也保持高速增长的态势，如图2所示，2018年动力电池出货量已达到65.0GW·h。得益于国家技术和产业扶持，磷酸铁锂电池在近几年的动力电池市场中占据主流地位，如图3所示，据统计2016年其市场占有率超过七成，2017年占比近五成，2018年被三元电池所超越，但占比仍超过三成。现阶段面临退役的动力电池仍以磷酸铁锂电池为主。
图1 2011—2018年我国电动汽车销量
图2 2011—2018年我国电动汽车动力电池出货量
图3 动力电池市场各种电池类型的出货量
根据动力电池在国内新能源汽车上的运营时间和使用寿命计算，2018年后电动汽车动力电池将逐步进入大规模退役阶段，退役电池趋势如图4所示。
图4 我国动力电池退役量预测
从电动汽车上更换下来的退役动力电池，仍具有较高的剩余容量（一般为初始容量的70%～80%，见图5），将这些电池重新筛选和配组后，仍可以应用于电网储能，实现退役动力电池梯次利用，如图6所示。
图5 动力电池在电动汽车的使用寿命及容量衰减趋势
图6 退役动力电池梯次利用示意图
通过梯次利用来延长电池使用寿命，降低动力电池的全生命周期成本，对于电动汽车行业的健康发展具有积极的意义，也解决了锂离子电池在电动汽车领域推广中的浪费和污染环境问题。
同时，基于退役动力电池的储能系统具有更低的成本，其应用于智能电网的发电、输电、变电、配电、用电环节将具有更高的适用性和技术经济性，可更好地促进储能技术在电网中的应用，实现电网清洁绿色可持续发展。
二、退役动力电池梯次利用技术发展进程
随着电动汽车的快速发展，退役动力电池梯次利用技术研究也日益受到关注。研究进程主要分为两个阶段：
1.小规模验证阶段
为了验证退役动力电池梯次利用可行性，国内外研究人员进行了相关研究，对退役动力电池做了大量的数据测试，重点测试其容量、性能和循环寿命。进而研究了梯次利用的均衡管理技术、系统集成技术，在此基础上进行退役动力电池在储能领域的可行性及安全性等功能验证，规模主要集中在百千瓦级及以下的小型储能示范工程。
2.中等规模验证阶段
随着研究的不断深入，梯次利用已由理论研究向实用性研究转变，此阶段注重退役动力电池的快速筛选、精准分选分级技术、健康状态评价技术、梯次利用评估技术、寿命预判技术等研究，在此基础上进行中等规模储能系统工程示范，规模已扩大至MW·h级。
三、国内外研究水平及发展现状
1.国外研究水平及发展现状
退役动力电池梯次利用研究较早在美国、日本和欧洲等国家和地区开展。1996年美国先进汽车联合会最早赞助美国阿贡国家实验室从事电动汽车电池二次利用研究。2002年，美国圣地亚国家实验室在电动汽车电池二次利用方面的研究主要考虑用于储能应用。
2010年9月，日产汽车与住友商事成立了4R能源公司，共同研究电动汽车配备的锂电池再利用技术，如图7所示。2011年1月，日本的GS汤浅、三菱商事、三菱汽车以及Lithium Energy Japan（LEJ）四家公司启动三菱电动汽车用锂电池回收再利用的实证试验。
2012年2月17日，丰田宣布开发出了将混合动力车（HEV）使用过的Ni-MH充电电池再利用，作为固定式电池用于住宅供电系统的技术，并已开始进行实证实验。
2012年11月，通用汽车公司与ABB在美国旧金山共同展示了一项未来电池再利用的技术：将五组使用过的雪佛兰沃蓝达（Volt）电池重新整合入一个模块化装置，可以支持3～5个美国普通家庭2h的电力供应，如图8所示。
图7 4R能源公司开发退役动力电池梯次利用储能验证系统
图8 Volt电动汽车动力电池再利用储能系统
加州可持续能源中心对动力电池二次利用进行了多年研究，目前正在研究一些主要电动汽车公司的电池，包括日产、雪佛兰、特斯拉、三菱和福特等。研究表明：使用过的电动车电池仍然可用于存储能量，从而有助于降低电力成本。这项研究现在已经进入验证阶段，在加州大学圣地亚哥分校校园内，废旧电池被集成引入微型电网，观察实际使用情况。
2015年，德国博世集团利用宝马的ActiveE和i3纯电动汽车报废的电池建造了2MW/2MW·h的大型光伏电站储能系统。
总之，国外新能源汽车动力锂电池再利用主要瞄准信息和通信技术、家庭以及可再生能源发电储能等领域，重点进行效果实践验证（表1）。
表1 国外动力电池梯次利用状况统计
（续）
2.国内研究水平及发展现状
2016年2月，工业和信息化部制定了《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》。明确指出：“废旧动力蓄电池综合利用企业应根据废旧动力蓄电池的容量、充放电特性及安全性评估等实际情况综合判断是否满足梯级利用相关要求，对符合要求的废旧动力蓄电池分类重组利用，如用于UPS电源、移动基站等储能备能领域，提高综合利用经济效益。”
2011年，“863”计划重大项目智能电网关键技术研发课题《电动汽车智能充放储一体化电站系统及工程示范》正式启动实施，其中涉及动力电池梯次利用方面的研究内容主要包括：研究电池梯次利用的筛选原则、成组方法和系统方案。充换储一体化站主要由4部分构成，如图9所示，分别是调度中心、多用途变流装置、电池充换系统、梯次电池利用系统，一体化站分别与电动汽车和电网进行能量与信息交换，实现其各部分功能。
图9 充换储一体化电站结构图
2011年，北京市科委项目《动力电池梯次利用技术研究及示范应用》启动，项目以奥运充电站退役动力电池为研究对象，开展参数性能测试方法、评估方法和一致性评价方法及指标的研究，结合退役电池测试数据开展电池经济性分析研究，并将相关设备和技术应用于示范系统，实现科技成果转化。2011年7月11日，青岛薛家岛电动汽车智能充换储一体化示范电站投入试运行。薛家岛充换电站建成集公交车充换电、乘用车电池集中充电、储能应用于一体的电动汽车充换电站，并设计和安装了2000kW的梯次电池储能装置，实现了动力电池的梯次利用。2013年3月15日，北京市高安屯充换电站投入运行，利用退役的动力电池储能，电池架集充电、储能于一体，夜间利用谷段电进行充电，实现削峰填谷及电池的梯次利用。
中国铁塔股份有限公司已在福建、广东、河南、黑龙江、山东、上海、四川、浙江、天津9个省份，共计57个通信基站进行了动力电池梯次利用技术的示范应用，梯次电池储能装置主要用作移动通信基站的备用电源。截至2018年年底，中国铁塔已使用梯次电池800MW·h，重量合计1万t，在8万个基站安装了30万组电池。
2019年8月，由南方电网综合能源服务公司和深圳市比克动力电池有限公司合作开发的2.15MW/7.27MW·h梯次电池储能项目成功投入运营，这是国内首个成功落地的电池整包梯次利用储能项目。
2012年，国家电网公司启动了《电动汽车动力电池梯次利用技术研究与示范》，重点研究电池梯次利用涉及的电池可用性、安全性、技术可行性、经济适用性等基础性问题。
国网河南省电力公司研制出百千瓦级基于退役电池的低成本储能系统，首次在国网河南省电力公司尖山试验基地风光储混合微电网中实现示范应用，如图10所示。2017年7月，由国网河南省电力公司总包建设的250kW/500kW·h退役电池储能系统在国网青海省电力公司兆瓦级风光水储联合运行实验基地正式并网运行，如图11所示。
图10 国网河南省电力公司研制的退役动力电池储能系统及在微电网中的应用
图11 国网河南省电力公司总包的250kW/500kW·h退役电池储能系统
2019年3月6日，在长江北岸约10km处的盘城街道高科十一路路口，江北储能电站正式破土动工，这是江苏电力第二批电网侧储能的10个项目中最大的一个，由平高集团投资，总规模达130.88MW/268.6MW·h，这里除了规模为110.88MW/193.6MW·h的集中式锂电储能装置外，还包括规模为20MW/75MW·h的梯次利用储能电站。
国内动力电池梯次利用储能系统示范应用工程统计见表2。
表2 国内动力电池梯次利用储能系统示范应用工程统计
（续）
四、国内外政策
1.国外政策
国外关于动力电池梯次利用的政策主要集中在电池回收管理方面，以“生产者延伸责任”为原则对电池回收利用加以引导。美国实行“生产者责任延伸+消费者押金”制度，政府通过押金督促消费者上交退役电池，同时向消费者和电池生产企业收取附加环境费，引导动力电池回收利用。欧盟采用生产者承担回收费用的强制回收制度，并对电池使用者提出了法定义务。例如德国的电池生产和进口商需在政府登记，经销商需要配合生产企业组织建立回收机制，用户有义务将废旧电池上交给指定机构。日本通过《促进建立循环型社会基本法》《固体废弃物管理和公共清洁法》《资源有效利用促进法》等及其他专项法，建立了“蓄电池生产—销售—回收—再生处理”的回收利用体系，退役电池统一由电池生产商负责回收，经评估、分选和重组后再流向梯次利用用户。
2.国内政策
我国出台多项政策鼓励动力电池的梯次利用，但具体回收要求和相关技术规范尚不完善，回收利用体系还未建立。2012年7月，国务院出台的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》中明确规定加强动力电池梯级利用和回收管理。2016年初，国家发改委、工信部、环保部、商务部、国家质检总局五部委联合发布了《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策（2015年版）》（2016年第2号公告），对新能源汽车电池的回收、利用、处理做出统一规范。2017年1月，国务院发布了《生产者责任延伸制度推行方案》，在新能源汽车领域提出建立电动汽车动力电池回收利用体系的要求。2018年3月工信部等七部委发布的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》明确了动力电池维修更换阶段要求、回收阶段要求、报废阶段要求、所有人责任要求、收集要求、储存要求、运输要求、阶梯利用要求、阶梯利用电池产品要求以及再生利用要求。2018年7月，工信部发布《新能源汽车动力蓄电池回收利用溯源管理暂行规定》，建立“新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台”，对动力蓄电池生产、销售、使用和回收等全过程进行信息采集，对各环节主体履行回收利用责任情况实施监测，该平台已于2018年8月1日正式上线。预计2020年以前，我国动力蓄电池回收利用体系将逐步建立完善，为动力电池梯次利用创造有力的政策、产业环境。
〔撰稿人：国家电网公司电网废弃物资源化处理技术实验室 赵光金〕