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有效的二次电池循环生产是解决风光电和电动汽车产业问题的钥匙

已有 3072 次阅读 2013-7-5 12:41 |个人分类:生活点滴|系统分类:论文交流|关键词:电动汽车,电池,循环生产,风电,光电| 电池, 电动汽车, 风电, 光电, 循环生产

摘要:二次电池是一种把电能和化学能相互转换的设备,已广泛应用于电能供应和移动式用电装置。近年来,风电、光电、电动车辆的应用对大规模的二次电池组需求极其旺盛,但二次电池购置成本使这些用户望而却步,也就限制了这些行业的发展。破解这一难题固然需要多方面的协作,但是二次电池的可持续生产却变成了问题的关键。我们认为,将二次电池生产资料国有化并委托生产企业进行生产、维护、回收再生产和管理成为破解问题的不二法门。在这种情况下,电池在全社会流通,消费者只通过租赁方式拥有电池的使用权。当电池不再能满足消费者需求时,通过双向物流送回生产厂再生。这样,风电、光电企业可以把电能直接储存在电池中,免除直流-交流变换时的耗损;也可以使用这些电池调峰填谷;充满电的电池在换电站通过换电方式供长途或短途电动汽车用户使用。电动汽车用户不必购买电池,也就不用担心电池的寿命。同时,电动车车价大幅度下降,可以使电动车走进千家万户,解决城市大气污染的问题。电动汽车也可以吸收城市夜间过剩的电力,使能源更加有效合理应用。

 

1 限制风电、光电和电动汽车产业发展的关键问题1.1 风光电的间歇性和持续供电问题需要大规模储能电池解决

如果说,风电与光电发展的主要限制因素是什么,人们一定说是它们的间歇性和难控制性。其实,在大规模储电、逆变和智能输电装置的帮助下,风电和光电的间歇性被平滑,可以实现每天24小时不间断供电。但是,这样一来,因为大规模储电装置需要大量的储能电池,而储能电池的生产成本很高,资源需求量大;再加上风电的整流为电池充电,然后逆变成交流电也带来了能量利用率的下降;所有这些使风光电的生产成本大大增加,使本来就严重的风光电成本问题雪上加霜,也就使风光电应用成了一个难以解开的死结,使可持续生产的风光电成了“垃圾电”,造成了风光电产业举步维艰。

因此,风光电的出路在于大量的储能电池可以被低成本地使用。如果这些储能电池可以被直接使用,则更有利于这些高成本能量的有效利用。

1.2 电动汽车的动力电池和续航问题

无独有偶,还存在另外一个被储能电池困死的应用,那就是电动汽车。因为目前担负城市交通任务的内燃机汽车会产生大气污染,而且因为交通拥堵造成汽车走走停停,使汽油和柴油的能量利用率大大下降,而它又更加严重地加剧了大气污染。此外,城市人口白天工作,晚上休息造成了白天用电高峰,夜间用电低谷,这要求城市供电系统必须具有调峰填谷的能力。电动汽车可以储存城市夜间多余的电能供白天交通使用,其使用时不产生大气污染,因此是解决城市交通、因为城市交通产生的大气污染和城市峰谷用电等三大问题的不二选择。

对于电动汽车来说,一个决定其命运的问题是电池的购置成本问题,而购置成本问题可否化解决定于其质量和使用寿命问题。对于消费者来说,购买电动汽车,尤其是在花费了比内燃机汽车更高的费用之后,能否通过电力价格的优势使总使用成本降下来。也就是说,多出来的电池成本加上日后的使用费(主要是电费)是否不超过总汽油费用。当前者远小于后者时,电动汽车对消费者的吸引力自然是巨大的。实际上,按照目前的价格,普通家用轿车运行100公里,电动汽车需要的电费在15元以下,而汽油车的费用通常会在50 ~ 80元之间。这样,每运行10万公里,节省的费用是3.5 ~ 6.5万元之间。按照目前电池的生产成本,如果电池寿命较短(少于10万公里)时,就可能不划算。这肯定会带来消费者的疑虑。

其次,电动汽车的续航能力一直受消费者质疑。一般地,一组储存15度电的电池重150公斤以上,可持续运行100 ~ 150公里。要使汽车续航里程与汽油车相仿,需要500公斤以上的电池。因此,电动汽车不适于长途旅行,除非使用换电方式进行增程。换电方式有一个问题,就是消费者无论如何不会允许把自己的高品质电池与低品质电池交换。

因此,推动电动汽车发展,必须首先打消消费者对动力电池品质的疑虑,其次要保证在电池使用寿命期间总费用低于汽油车的费用。否则,绝大多数消费者不会购买电动汽车的。

作者认为,将电池的使用权和所有权分离是打消消费者疑虑、减少购车初期投入的唯一可行办法。

1.3 如果电动汽车的电池作为风光电电厂的储能电池

前文已指出,风光电和电动汽车的发展和应用都受限于储能电池。风光电使用储能电池储电来解决发电的间歇性问题,电动汽车则用动力电池的电能推动汽车。如果把电动汽车的动力电池用作风光电电厂的储能电池,二者的配合使用既可以消除逆变电产生的能量消耗,也可以解决储能电池的购置成本问题。因此,它们在电能的可持续产生和高效应用方面是一对绝配。

毫无疑问,限制将储能电池和动力电池结合起来的关键因素首先是电池的所有权问题,其次才是生产和使用成本问题。如果不能使所有权归全社会所有,任何形式的个人、部门所有制都会阻止电池的自由流通。生产成本和使用成本无论如何都是必须有的,因此不是决定因素。那么,怎样才能使电池成为全社会共有财产呢?

我们知道,所有工业产品都具有确定的生产厂家,也具有使用寿命问题;电池也不例外。解决共有财产的问题,必须考虑电池生产厂家。让生产厂家拥有加工设备与技术和人力资源,让它们对产品具有加工权和特别所有权,其中所谓特别所有权是指通过银行特别贷款代社会管理的权利,是解决社会公共拥有这些资产的合理路径。

这样做符合国家有关政策,因为电池生产厂家必须解决废旧电池的问题。这意味着,从原材料加工成为电池,到电池使用寿命终结,电池生产厂家都可以拥有它们;而银行作为货币的管理者,拥有社会共有财产——货币的使用权。因此,银行把这些电池,无论是新的、半新的,还是废旧的,作为特别资产以货币作价作为社会长期投资。这样,电池生产厂家收取加工费,银行从生产厂家和消费者收取资源占用费,使电池如同货币一样成为社会共有财产。

当然,这里还存在一个问题,就是废旧电池的有效资源化问题。电池中都含有大量的无法再生的金属资源,其中有些还是珍稀的,有些是具有生理毒性的。例如,锂离子电池中可能含有稀有元素钴,镍氢电池中含有镍和稀土金属元素,镍镉电池和铅酸电池中含有具有生理毒性的镉和铅。如果废旧电池不能被有效资源化,则会产生资源耗散、产生污染。可以说,废旧电池的有效资源化直接决定了电池可否持续生产和使用。

2.  二次电池的循环生产是解决所有上述问题的关键

废旧电池的资源化是研究已久的问题。但是,大多数已有工艺仅仅有限地提取了废旧电池中的贵重金属资源,没有使价值较低的资源得到有效利用。因为商人的趋利性,监管不到位时这些过程造成了环境污染。我们在2005年起研究的二次电池循环生产技术可以最大限度地利用废旧电池的所有资源,大大减少了污染风险,能耗物耗和副产品都得到了显著较低,为解决风电、光电和电动汽车的应用问题提供了一把钥匙。

2.1 二次电池的循环生产技术

二次电池的循环生产,简单地说,就是使用废旧二次电池为原料,生产新的相同规格的电池。该技术的思路实际上也可以用于一次电池的循环生产。事实上,金属空气燃料电池(如锌空电池)的机械式充电就是这样一种循环生产模式。

二次电池的循环生产是可能的。这是因为电池是一个密闭的系统,新旧电池含有的化学成分相同(像开口式铅酸电池的水含量可能不同,但金属含量不会发生变化)。虽然电池可以是棱柱形或圆柱形,电极可以是片状或(空心)圆柱状,电极也可以是卷绕或平行叠放的,所有的电池具有相同的结构,即外壳、正极、负极、隔膜和电解液。这使我们可能把它们一一拆解。

目前已工业化大量生产的电池包括一次锌锰电池、铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池,此外也有一些小批量生产的如银锌电池、锌空电池和各种实验性电池。我们以占二次电池市场一半的叠片式铅酸电池为例说明如何实现其循环生产。

首先,废旧铅酸电池被从上部温和切开,去掉上盖。对于富液电池,倒去硫酸后使用机械抓住正、负极汇流排把电极片取出,然后把正极片和负极片分开:否则直接把电极片取出后把正极片和负极片分开。

其次,分开的正极片和负极片被分置于两个机械中,使用水流冲洗、机械震荡等手段把电极活性物质与集流体铅合金格栅分开。

第三,得到的正极活性物质粉末用化学方法处理,得到纳微米级超细一氧化铅粉末,它将被用于制造新的铅酸电池正极片;其格栅合金被熔化、测定合金液体组成后添加缺失元素,重新制造合金格栅。

类似地,负极片被分为负极活性物质粉末和负极格栅合金。经化学处理、合金成分调整后用于制造新的负极片。

最后,将如上生产的正极片和负极片经固化后,组装于电池盒中化成,即得到新的铅酸电池。

在如上过程中,因为不使用高温冶金和铅精制过程,也避免了从金属铅制一氧化铅的过程,结果能耗、物耗、副产物和污染风险大幅度下降,经济效益和社会效益大幅度上升。原则上,除隔膜外所有的物质都可以被利用,因此能够实现铅酸电池的循环生产。

2.2 二次电池循环生产带来的好处

二次电池的循环生产除了可以降低能耗、物耗、副产品产量和污染风险外,它可以使生产厂家回收自己的产品。因此,生产厂家完全可以出租而不销售电池,根据电池的使用量收取租金。电池的所有权保留在厂家,通过银行抵押贷款让其成为社会财富。这样就实现了二次电池的使用权和所有权分离。

二次电池的使用权和所有权分离可以使使用者更关注电池的质量和服务,而不必过分在意生产厂家以及产品的类型。比如说,假如有多个电池产品可以保证汽车行驶令消费者满意的里程,消费者可能更在乎租金,以及发生意外(比如产品未能满足需求)和临时需求时能提供的服务。这些服务都可以由连锁经营的换电站直接提供,通过换电站和厂家的服务合同得到保证。

这样,在电动汽车消费者不需要购买电池的情况下,电动汽车生产厂家只需要提供不包括电池但具有通用电池接口的裸车,消费者的购车成本大大下降。在使用时,消费者只需要用自己的信用担保租用电池。这使电动汽车大规模地进入城市,解决城市短途交通的问题。电动汽车的大规模使用可以使城市夜间电力过剩问题得到解决,也使风电光电需要的大规模储电装置得到解决。

因为风光电装置可以安装在任何有太阳光和风的地方,因此换电站可以本身就是发电厂。当然也可以把换电站与风电场用专线连接起来进行供电。这样,长途旅行的电动汽车可以在200公里左右换电继续行驶,也在客观上帮助实现了长途驾驶疲劳的消除。

动力电池的使用权和所有权的分离保证了电池供应者使用双向物流的方式运送电池到任何指定地点,这样可以节省物流成本。动力电池在达到使用寿命后,也可以通过双向物流返回工厂,使之能够循环生产。循环生产保证了原材料供应,可以使生产厂家最大限度地免除了原材料市场的影响,也降低了原材料购置成本。

3  结论

这样,风光电产生的电力通过电动汽车动力电池储存,通过配送点用换电方式供长途电动汽车用户租用。因为配送点可以遍布全世界,电动汽车因此也就可以满世界地跑。因此,有效地进行二次电池循环生产是解决风光电和电动汽车两大产业发展问题的关键。

 



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