【《退役车用动力电池回收处理模型参数分析案例》5200字】

PAGE8退役车用动力电池回收处理模型参数分析案例对于退役车用动力电池，本研究从电池的化学体系、健康状态、能量密度、循环寿命的角度进行描述并作为输入，通过梯次利用、修复再生、冶金回收的方法建立模型，输出电池的相应参数，输出经过回收处理技术处理后的二次电池相应参数，以及从环境效益、能源效益进行计算的评价指标。通过这个模型，可以定量评价不同回收处理技术的影响与效果，从而为选择技术手段提供数据基础。1.1电池参数对于一块电池而言，对电池进行描述的参数有很多。按照对电池描写的角度不同，可以分为：环境工况参数、电池性能参数和电池设计参数。环境工况参数指电池在使用过程中所处的外部环境及使用工况，外部环境包括所处温度、热交换条件、振动、湿度、水平高度、压力等。使用工况则指的是电池在工作时所处的内部情况，按照工作条件的不同可分为实验室工况、车用工况等。实验室工况指在实验室内测定电池各项参数时所设定的固有工况，常用实验室工况有恒流（constantcurrent,CC）、恒压（constantvoltage,CV）、恒功率（constantpower,CP）等。车用工况指在道路上行驶时电池所处的工况，由于目前技术手段限制，对道路行驶车辆所处的工况进行实时测定的技术尚未发展成熟，故全球各国目前使用各种标准循环工况模拟道路工况，例如：欧盟国家使用的新欧洲驾驶循环（NewEuropeanDrivingCycle,NEDC）、美国使用的环境保护署制订的城市测功机驾驶循环（EnvironmentProtectionAgencyUrbanDynamometerDrivingSchedule,EPAUDDS）、中国使用的中国乘用车测试循环（ChinaAutomotiveTestingCycle,CATC）等。不同的车用工况刻画了在不同国家和地区、不同的行驶环境（城市、城郊、乡村等）下，电动汽车在行驶中所处的实际工况被概括、归纳成的整体循环情况，它描述了发布国家及其交通特点，主要的总体参数有时长、距离与平均速度。依据道路工况，根据整车动力学模型，将整车需求转换为对动力系统的需求；根据动力系统构型，将动力系统需求转换为对电池包的需求；根据电池包连接方法和参数，将电池包需求翻译到单体，实现从道路工况到电池运作的过渡。电池性能参数指影响电池表现出的性能的各项内部指标，是对用户而言的评价指标。常用的电池性能参数包括开路电压（open-circuitvoltage,OCV）、端电压（terminalvoltage,Vt）、电流与放电倍率、容量、SoC、能量、直流内阻、SoH、能效等。开路电压指电池在开路状态下的端电压，即没有电流通过电池两极时，电池的正极电极电势与负极电极电势之差，可用标准氢电极电位进行计算。在车用动力电池中，一般以石墨作为负极、以各类LXO作为正极（X表示正极活泼金属，如Fe、Mn、Ni1−x−yCoxMny图3.1车用动力电池开路电压（OCV）与放电时间的关系曲线电池设计参数则是在设计电池的环节中需要考虑的电池物料、结构、尺寸、工艺等参数，按照尺度可划分为颗粒层次、电极层次、单体层次与系统层次。颗粒层次（particle）一般指1nm~10μm范围内的微粒，微粒设计会影响电池性能中的电池容量，提供热力学上的理论最大值。颗粒层次上的核心问题是制备与合成，控制产物的形貌、均匀性、制造过程成本、制造过程环保性等。电极层次（electrode）一般指μm~mm范围内的电极层结构设计，电极层结构在宏观上呈现为厚度与平面面积的指标，而微观尺度上需要考虑设计孔隙率（电解液的体积分数）εe、活性物质体积分数εAM、添加剂体积分数εf以及颗粒平均半径、曲折系数等。这些因素影响了热力学能量的利用率，即实际动力学的表现。在电极微观的多孔结构中，发生电池内部的主要过程，电极的结构特征决定了化学反应过程的进展，进展的顺畅程度决定了电池达到截止电压前可实际释放的能量。单体层次（battery）一般指在本研究中，主要关注电池在使用过程及回收后的过程中体现的性能，即主要聚焦于影响电池使用表现的参数及设计电池使用表现的各项参数。在本模型中，经过对各种参数的综合了解及系统计算后，共推导、计算并使用以下四项参数进行模型中动力电池的描述。化学体系电池的反应原理为电化学反应，其基本要素包括：正极、负极、电解液，正极侧的电解池内发生还原反应，负极侧的电解池内发生氧化反应，在电解池及外接电线中发生电子的定向流动，即电流。对于目前电动汽车上居主流的锂离子电池而言，在正负极上发生的是锂离子的脱嵌反应，锂离子在电解池内由正极侧流向负极侧，形成电流。在反应中，正极材料发生价态变化，负极材料发生锂离子的脱嵌，二者均不会改变主要结构，仅发生少量的体积涨缩。目前常见的车用锂离子电池主要有：磷酸铁锂电池（LiFePO4/C,LFP）、锰酸锂电池（LiMn2O4/C磷酸铁锂电池：充电：放电：锰酸锂电池：充电：放电：镍钴锰三元锂电池：充电：放电：由于目前市场上磷酸铁锂电池和镍钴锰三元锂离子电池的所占比例较高，且是未来前沿研究中较为看好的主流车用动力电池研究方向，故在本研究中，主要对LFP和NCM进行研究。化学体系是电池的基本属性，对电池的其他各项参数做了基本的范围限定，在回收处理过程中其化学体系不会被改变。此外，电池的化学体系决定对电池的回收处理技术中使用工艺流程的不同，因此化学体系对回收处理模型中的技术应用也有着重要的指导意义。健康状态健康状态即SoH，指的是电池的当前容量与初始容量的比值。健康状态的变化受到全方面因素的影响，包括化学体系、使用工况、循环次数等。其中化学体系和循环次数与健康状态的关系可用SoH曲线图进行描述。如图2.2所示，可以看出SoH曲线整体呈现下降趋势，在0~100的循环次数中，SoH下降较快，随后平稳下降，直至某一点时出现突然快速下降，这一点被称为“跳水点”，SoH的快速下降的现象被称为“跳水”。图3.2车用动力电池健康状态SoH与电池循环次数的关系曲线根据目前国家和企业对车用动力电池的退役要求，当电池的SoH降低至80%时，应当对电池进行报废处理。但是目前的技术手段尚不能实现对电池SoH的无拆卸实时监测，因此根据统计数据，设定了车用动力电池统一的报废使用年限。实际上，这一年限的设置是基于各类型电池的报废时间统计，设定达到此年限时仅有小部分的动力电池已达到报废水平，否则，若设定时间延长，电池在使用期间性能发生“跳水”的概率增高，电动汽车的安全性将会下降。此外，动力电池的SoH曲线本质也是众多统计数据中的拟合曲线，实际上同一化学体系、同一技术参数、同一型号的电池间的SoH曲线也会有所不同。当循环次数达到一定值的时候，其SoH可能处在一个较大的范围内，因此可能出现同一循环次数下，部分电池尚在平稳运行而部分电池已经“跳水”的情况。故对于动力电池SoH降至80%进行报废回收的政策要求也是基于此时仅有极少数的电池发生了“跳水”的要求而设定的。因此当电池健康状态监测技术突破时，通过对动力电池SoH的监测，电池的使用寿命将会可预期地有所延长。能量密度电池的能量密度指电池的单位体积或质量（一般用质量）所释放出的电能，即电池能量与电池整体质量的比值。由于在放电状态下，内阻的存在以及所处工况的限制，放电过程中端电压也会随着放电时间的延长而下降，电池的实际放电能量低于理论放电能量，因此一般用电压对容量的积分计算电池能量。一般地，车用动力电池的容量密度使用单位为毫安时/克，记作mAh/g；电池质量能量密度使用单位为瓦时/千克，记作Wh/kg。能量密度可从两个维度进行说明，单体电芯能量密度为单个电芯级别的能量密度，而系统能量密度是指单体组合成系统后整个电池系统的能量和整个电池系统的质量的比值，由于电池系统还包括电池管理系统、热管理系统等非动力单元，故系统能量密度低于单体电芯能量密度。本研究中能量密度指的是系统能量密度。能量密度的大小受到多方面影响，其中主要的因素是化学体系。现有的锂离子电池储电材料中，石墨的理论克容量为372mAh/g，磷酸铁锂的理论克容量为160mAh/g，三元材料镍钴锰的克容量约为200mAh/g，故正极材料决定了单体电芯能量密度的下限。除此之外，生产工艺水平也会对能量密度产生影响。能量密度的突破是车用动力电池乃至电动汽车发展的重点与突破点。根据《中国制造2025》中对动力电池的发展规划，2020年电池单体电芯能量密度应达到300Wh/kg，2025年达到400Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。能量密度的提高能够在不增加电池系统质量的前提下，增大电池系统的总能量，从而提高电动汽车的续航里程，对于电动汽车的推广具有重要的积极作用。循环寿命电池的循环寿命指电池在满足一定规定条件下能够达到的最大充放电循环次数。由于电池的使用工况、使用频率、使用时长在不同电动汽车车主手中不尽相同，因此对于电池寿命使用日历时间进行描述方差较大，故选择与电池充放电相关的循环寿命作为主要的电池寿命描述方式。由于不同电动车主的充电习惯不同，因此循环寿命亦与电动车主的充放电行为有关，即充放电深度（DepthofCharge/Discharge,DoC/DoD）。电池的循环寿命为充放电次数与充放电深度的乘积之和，也就是充放电深度为100%时动力电池能够经历的充放电次数。根据国家标准要求，动力电池的电芯和模组在500次完整循环后SoH不低于90%，在1000次循环后SoH不低于80%。目前的三元材料循环次数约为800次，磷酸铁锂电池循环次数约为2500次。由于在实际使用过程中，对于电动汽车的充放电次数及充放电深度未做详细的记录与计算，故在市场中，仍经常使用电池的日历寿命作为车用动力电池报废的判断标准，并严苛地定为2~3年。未来随着技术发展，对充放电行为及电池循环寿命的监测成为可能，动力电池的寿命将会进一步得到延长。1.2技术参数在本模型中，主要涉及三种不同的回收处理技术，分别为梯次利用技术、修复再生技术、冶金回收技术。三种技术在对废旧电池的处理上侧重于不同的处理思路，梯次利用技术意在充分利用动力电池跳水点前的循环寿命，修复再生技术对电池中的贵重正极材料进行活性再生并充分利用其活性，冶金回收则是对动力电池正极、负极、电解液、隔膜、外壳等各组成部分进行有效回收并投入二次生产进行全面利用。各项技术共同点为技术模型的输入端包含：车用动力电池各项参数、技术过程投入物质与数量、技术过程经历工艺、物流成本及以上过程的损耗系数，输出端包含：动力电池各项参数（冶金回收无输出动力电池）、技术过程输出物质与数量、技术过程的各项能源损耗、技术过程的等效碳排放因子，模型实现了从输入动力电池到输出动力电池和物质并评价过程中的能源损耗和环境影响。动力电池的各项参数如前文所述，其他技术参数包括物质损耗、工艺技术、物流成本、碳排放因子等叙述如下。物质损耗在生产、回收阶段中，各项工艺流程中对原材料的投入产出比重有一定的损耗，该部分物质损耗在工业上以产率进行计算。各项工艺的产率参考《中国钢铁工业年鉴2018》以及中国的钢铁冶炼工厂数据，并与GREET模型中的数据进行对标参考。工艺技术在生产、回收阶段中，各项工艺流程存在能源消耗，例如高炉炼钢、保温热处理等。各项工艺流程的能源消耗以中国的电池生产厂商的能源消耗数据计算，并与GREET模型中的数据进行对标参考。物流成本在生产、回收阶段中，存在物流成本，可具