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新能源汽车动力电池如何回收循环与梯次利用?

已有 395 次阅读 2020-9-15 08:53 |系统分类:科研笔记

能源和环境是影响现代人类社会生存和发展的两大重要问题。发展清洁和可再生能源是我国社会经济发展的重大战略,已被列为国家中长期科技发展规划纲要中重点和优先发展的方向。在新能源技术的各个层次,作为化学能和电能的转化储存装置,以二次电池为核心的化学电源已在人类生产和生活的各个领域得到广泛的应用,在有关未来社会发展的一系列重大战略科学技术研究计划中,二次电池作为能量转换与储存的关键环节发挥着重要的作用。锂离子电池由于其高能量密度、长循环寿命和高能量转换效率等优点成为当前占据最多市场份额的能量储存与转化器件。随着新能源汽车的需求和产量不断攀升,退役动力电池的数量也随之急速增加,尤其在蓬勃发展的电动汽车行业推动下,退役动力电池数量将在 2030 年左右呈爆发式增长,随之而来的对动力电池原材料的需求也将大幅度上升。


动力电池含有丰富的锂、镍、钴等有价金属资源,实现短程且高效的动力电池回收再利用技术,不仅能最大限度地减少对关键材料资源的需求,而且还能解决环境污染和生态影响等重大问题。因此,开展动力电池梯次利用与回收技术对我国资源综合利用、环境保护和降低动力电池成本均具有重要意义,并已经成为全行业关注的焦点。坚持遵循“需求牵引、突破瓶颈”原则,基于我国的资源和环境现状,进行退役动力电池的回收与再利用研究在我国的社会与经济发展中具有紧迫性和必要性,是符合我国可持续发展战略的重要研究课题,具有鲜明的需求导向、问题导向和目标导向。通过解决技术瓶颈背后的核心科学问题,将促使退役动力电池梯次利用与回收再利用基础研究成果走向应用。


基于此,《动力电池梯次利用与回收技术》结合国内外电池技术及电动汽车的发展现状及趋势,系统介绍了退役动力电池梯次利用、拆解回收、资源化综合利用、全生命周期评价等研究技术的现状,并对本领域所面临的机遇、挑战与发展趋势进行总结展望。

 

全书共8 章。第 1 章主要介绍了新能源汽车及动力电池产业现状与前景,并阐述了退役动力电池梯次与回收利用的必要性和紧迫性;第 2 章和第 3 章是动力电池梯次利用与安全评估、梯次利用颠覆性技术及其系统集成和工程应用实例分析;第 4~7章主要是动力电池拆解、回收资源化利用及其实例深度分析;第 8 章介绍了动力电池全生命周期评价与案例分享。

 

本书是作者及科研团队在深入开展退役动力电池梯次利用、回收处理、资源化综合利用等研究的基础上,并结合所承担的国家高技术研究发展计划(863 计划)、国家重点基础研究发展计划(973 计划)、国家自然科学基金等项目,经二十多年研究积淀撰写而成,力争反映国内外动力电池梯次利用与回收技术领域的最新进展。

 

本书作为“储能与动力电池技术及应用丛书”近期付梓的分册,作者皆为长期从事动力电池梯次利用与回收领域一线专家和科研工作者,撰写过程中得到丛书主编,北京理工大学新能源材料与器件科研团队带头人吴锋院士对本书总体框架的统筹规划建议与悉心指导,使本书在深入剖析动力电池梯次利用颠覆性技术理论的同时,全面向生产实践和应用实例拓展,还从技术、政策、成本、利润等全方位综合分析行业现状,提出切实可行的发展建议与展望,极具行业指导性。


AUT

动力电池梯次利用安全评估技术


电动汽车对电池的技术要求几乎最苛刻,寿命、安全性、可靠性等都要求很高,无论在静态或动态使用上也都有很高要求。汽车电池经长期使用后,当动力电池的容量下降到难以满足客户对续航里程的要求的程度后,为了确保电动汽车的续驶里程、动力性能和运行过程中的安全性,就必须对电池进行更换。在退役动力电池中,很多还具有较高的剩余容量(电池额定容量的 70%~80%),这些退役动力电池经过重新评估、分选和重组后,有可能应用于使用工况更加温和的场景(低速电动车、电网储能、通讯基站备用等),实现动力电池的梯次利用。通过对动力电池的梯次利用,可以让动力电池的性能得到充分地发挥,有效降低动力电池在电动汽车使用阶段的成本,延长动力电池的使用寿命,提升动力电池的全寿命周期价值;将退役动力电池应用于电网储能,还可降低储能系统的投资成本,有利于储能技术的推广和应用,为电化学储能技术的普及应用实现正反馈。

 

储能技术有助于解决太阳能、风能发电的间歇性和波动性问题,提高电力供应的连续性、稳定性,改善电能质量。以锂离子动力电池为代表的电化学储能技术在储能领域应用上具有很好的技术优势,但其过高的成本成为电力储能技术推广应用的最大障碍。退役动力电池的梯次利用为储能系统的低成本化提供了一种途径。电动汽车动力电池的梯次利用可能产生新的应用价值,有可能降低电动汽车(主要是电池部分)的初次采购成本,促进电动汽车的推广应用。梯次利用电动汽车电池储能系统可降低储能工程造价,促进节能减排。退役汽车电池的梯次利用很好地符合了环境保护的 4R 原则,即 Recycle(循环使用)、Reuse(重复使用)、Reduce(减少使用)、Recover(回收资源或改变环境),具有潜在的经济价值及良好的社会价值。


系统集成和工程应用实例:25 kW/100 kW·h 梯次利用电池储能系统集成和工程应用


1

10kW·h 锂离子电池储能单元


01

10 kW·h 电池储能单元组成


10 kW·h 电池储能单元由电池组、电池管理系统和散热风扇组成,其中电池组为以奥运大巴退役软包装电池单体经 4 并 16 串的方式连接而成,共 64 个单体,电压平台为 60 V ,设计总能量为 10 kW·h 。图1是电池储能单元内部的电池组,在铜连接片上安装有温度传感器,监测电池组发热情况与温度场分布。每个电池模块有电压采集线,每个电池组均有电流熔断器及电池管理单元( BMU )。

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 图1  10 kW·h 电池储能单元内部电池组
 

02

10 kW·h 电池储能单元评估


对 10 kW·h 电池储能单元采取恒流充放电测试容量和能量,充放电电流为45 A ( 0.25 C )。

( 1 ) 10 kW·h 电池储能单元能量分析。
 

 
( 2 ) 10 kW·h 电池储能单元温度场。
 

 

2

100kW·h 梯次利用电池储能系统集成与示范应用




01

电池管理系统


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图2 电池系统的拓扑

02

100 kW·h 梯次利用电池储能系统示范应用

 
100 kW·h 梯次利用电池储能系统示范工程位于北京市大兴电动汽车出租车充电站内。大兴电动汽车出租车充电站由北京市政府、国家电网北京市电力公司等 5 家单位合资兴建,于 2013 年 2 月 1 日投运,目前实际在运 100 辆电动出租车,营运类型为北汽新能源 E150 电动汽车。
 
目前站内配置 52 座华商三优公司的 HEV-J-ER32A/220V 型交流智能充电桩,以及 HEV-Z-ER 系列直流智能一体化充电机。其中直流充电桩每桩有 5 个充电接口,规格为 DC 500V/70A ,额定输入为 AC 380 V ,当前采用限时运行,分别为早中晚上下班高峰时段运行。
 
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图3 示范储能系统运行拓扑图

该示范项目的设计主要为直流智能一体化充电机提供储能 。
 
 
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图4 梯次利用电池储能系统跟踪负荷需求出力曲线
注:负荷功率在 9:08:20 之前与电网功率重叠,在此之后与储能功率重叠

该示范项目整体设计规格为 50 kW/100 kW·h ,常规运行为 25 kW/100 kW·h ,由储能电池组(含电池架)、电池管理系统( BMS )、功率控制系统( PCS )及主控系统 4 部分组成,其中储能电池模块为退运的 4 并锰酸锂电池,出厂规格为 360A·h/3.8V ,退运后筛选规格 200A·h/3.8V ,经筛选电压范围为 440 V ( 2.75×160 )~ 680 V( 4.25×160 ), PCS 设备为 50 kW ,其电压范围为 450 ~ 700 V ,最大电流 70 A ,可根据负荷大小自启动,具有 UPS 功能;BMS 为亿能公司提供的≥ 300 mA 均衡电流设备。


本文摘编自《动力电池梯次利用与回收技术》(李丽等著. —北京:科学出版社,2020.8)一书,标题为编者所加。


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ISBN 978-7-03-059118-0

责任编辑:李明楠 



内容简介

动力电池梯次利用与回收技术在当前科技发展中具有十分重要的地位,在支撑社会可持续发展和环境技术领域备受关注。本书结合国内外电池技术及电动汽车的发展现状与趋势,系统介绍了退役动力电池梯次利用与安全评估技术、梯次利用颠覆性技术、电池组与单体预处理技术、动力电池回收处理技术、资源化综合利用实例及全生命周期评价,并对本领域所面临的机遇、挑战与发展趋势进行总结展望。



本书目录


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目录 Contents
丛书序
前言
第1章 新能源汽车及动力电池产业现状与前景 1
1.1 新能源汽车产业市场规模与发展概况 2
1.1.1 中国电动汽车产业发展现状分析 3
1.1.2 国际电动汽车产业发展市场分析 7
1.2 动力电池产业发展现状与市场概况 13
1.2.1 中国动力电池产业技术与市场分析 14
1.2.2 国际动力电池产业发展历程与格局 20
1.3 动力电池梯次利用与回收技术及发展趋势 22
1.3.1 动力电池退役与报废规模 23
1.3.2 动力电池梯次与回收利用技术概述 24
1.3.3 共性关键技术问题与商业化推广模式 31
参考文献 34
第2章 动力电池梯次利用与安全评估技术 35
2.1 动力电池梯次利用研究背景和意义 36
2.2 动力电池梯次利用研究现状分析 38
2.2.1 动力电池梯次利用体系及研究现状 38
2.2.2 国内外相关政策和标准研究 45
2.3 退役动力电池性能评估 46
2.3.1 退役电动汽车电池的复杂性分析 46
2.3.2 退役电动汽车电池性能评估检测技术 50
2.4 系统集成和工程应用实例 79
2.4.1 25 kW/100 kW·h梯次利用电池储能系统集成和工程应用 79
2.4.2 250 kW/1 MW·h梯次利用电池储能系统集成和工程应用 90
参考文献 95
第3章 动力电池梯次利用颠覆性技术 97
3.1 动力电池梯次利用颠覆性技术背景 98
3.1.1 内容概述 98
3.1.2 国内外现状及趋势分析 99
3.2 动态可重构电池网络 101
3.2.1 原理和方法 101
3.2.2 动态可重构电池系统建模和优化 111
3.2.3 动态可重构电池系统运行优化 115
3.2.4 动态可重构电池网络性能实验验证 118
3.3 基于可重构电池网络的动力电池梯次利用关键技术 123
3.3.1 内容概述 124
3.3.2 基于动态可重构网络的快速分选和重组技术 126
3.3.3 基于动态可重构网络的电–热–安全管控技术 129
3.3.4 基于动态可重构网络的梯次利用示范应用技术要点 130
3.4 基于动态可重构网络的动力电池梯次利用示范应用 133
3.4.1 广州市通信基站闲散及梯次电池数字化改造和高效利用 133
3.4.2 基于动态可重构网络的退役动力电池集中式储能应用 145
3.5 本章小结 150
参考文献 150
第4章 锂离子动力电池预处理技术 153
4.1 锂离子动力电池组拆解技术 154
4.1.1 动力电池组成组结构 154
4.1.2 动力电池组自动/半自动拆解技术 156
4.1.3 动力电池组拆解规范与标准体系 161
4.2 锂离子动力电池机械预处理技术 162
4.2.1 粉碎和筛分 162
4.2.2 浮选与磁选 165
4.2.3 机械化学处理 169
4.3 锂离子动力电池人工预处理技术 176
4.3.1 物理分离 176
4.3.2 有机溶剂溶解 178
4.3.3 高温煅烧 179
4.3.4 碱液溶解 182
参考文献 183
第5章 锂离子动力电池回收处理技术 189
5.1 火法冶金回收技术 190
5.1.1 常规火法焙烧技术 191
5.1.2 低温熔盐焙烧技术 196
5.1.3 小结 198
5.2 湿法冶金回收技术 200
5.2.1 常规湿法浸出技术 201
5.2.2 绿色有机酸浸出技术 225
5.2.3 小结 231
5.3 生物淋滤回收技术 233
5.3.1 微生物的种类与属性 235
5.3.2 生物淋滤–液膜萃取回收技术 236
5.3.3 生物淋滤溶释机理 245
5.3.4 小结 251
参考文献 251
第6章 其他动力电池回收技术 261
6.1 镍镉电池 262
6.1.1 镍镉电池构造及工作原理 262
6.1.2 镍镉电池预处理技术 263
6.1.3 镍镉电池回收再利用技术 263
6.2 金属氢化物/镍电池 269
6.2.1 金属氢化物/镍电池构造及工作原理 270
6.2.2 金属氢化物/镍电池预处理技术 271
6.2.3 金属氢化物/镍电池回收再利用技术 271
6.3 铅酸电池 281
6.3.1 铅酸电池构造及工作原理 282
6.3.2 铅酸电池预处理技术 282
6.3.3 铅酸电池回收再利用技术 283
6.4 本章小结 294
参考文献 295
第7章 动力电池回收与资源化实例分析 303
7.1 锂离子电池回收与资源化实例 304
7.1.1 国内回收实例 305
7.1.2 国外回收实例 314
7.2 镍基电池回收与资源化实例 324
7.2.1 国内回收实例 324
7.2.2 国外回收实例 325
7.3 铅酸电池回收与资源化实例 326
7.3.1 国内回收实例 327
7.3.2 国外回收实例 330
参考文献 331
第8章 动力电池全生命周期评价 335
8.1 生命周期评价(LCA) 336
8.1.1 生命周期评价概述 336
8.1.2 生命周期评价总体框架 338
8.1.3 目标与范围确定 338
8.1.4 清单分析与影响因子 339
8.1.5 电池回收全过程生命周期评价技术 340
8.2 生命周期评价在电池回收领域的实际应用 347
8.2.1 锰酸锂电池回收工艺LCA分析 347
8.2.2 三元锂电池回收工艺LCA分析 360
8.2.3 磷酸铁锂电池回收工艺LCA分析 366
8.3 动力电池回收过程LCA评价案例分享与解析 373
参考文献 374


本期编辑丨王芳


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1 王安良

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