新能源汽车动力电池系统技术课件 项目七 退役动力电池梯次利用与回收

项目七退役动力电池梯次利用与回收目录退役动力电池梯次利用与安全评估01.电池组与单体预处理技术02.动力电池回收处理技术03.资源化综合利用实例及全生命周期评价04.01退役动力电池梯次利用与安全评估学习内容1.退役电池的定义和意义；2.退役电池梯次利用国内外发展状况；3.退役电池梯次利用综合因素；4.退役电池的安全性评估。能力要求1.能够描述退役电池的定义；2.能够描述退役电池梯次利用综合因素；3.能够描述退役电池的寿命与经济性；4.能够描述退役电池的安全性评估。任务引入近日，客户张先生到4S店反应自己的电动车行驶里程已超过15万公里，现在电池和宣传中400公里的续航里程对比“连一半都跑不了”。经过售后人员小李检测，这辆车的动力电池容量已衰减至不足70%，达到更换标准。张先生咨询更换下来的电池是否直接报废，希望小李帮忙解答。一、退役电池的概述

动力电池从出厂使用到报废共经历4个阶段，如图所示，其中电池梯次利用是其中关键一环，动力电池的性能随使用次数的增加而衰减，当动力电池性能下降到原性能的70％时，将不能达到电动汽车的使用标准，但可用在对动力电池性能要求低的场合，即进入梯次利用阶段。图7-1

动力电池生命周期二、动力电池梯次利用国内外研究进展1.

动力电池梯次利用国外研究进展时间项

目内

容2009.04MonotaRO提供电动工具用充电电池循环再利用服务回收电动工具使用过的充电电池，重装后向用户配送、与购买新电池相比，能够以便宜约30％的价格循环再利用2010.01日本伊藤忠商事和伊藤忠都市开发有限公司开始销售配备了蓄电池的公寓确立评测电池性能、保证电池质桢的方法为目标，收集电池温度、充放电次数以及充放电扯等数据2010.09日产汽车和住友梨团合资成立了4REnergy能源公司

从事电动车废弃电池的再利用2010.11美国杜克能源和日本伊藤忠商事对蓄电从不足80％的电动车旧电池进行再利用测试将旧电池用于辅助家庭供电、储蓄可再生电源并为电动车提供快速充电2012.II

通用汽车与ABB开发电动汽车蓄电池再利用技术将五组使用过的雪佛兰Volt沃蓝达蓄电池重新整合入一个校块化装背，支持3~5个美国普通家庭2h的电力供应2013.04东芝公司作为日本环境省受托方，将在东京都港区实施关于电动巴士运行和电池再利用的实证研究

研究把输出功率降低的车载电池再利用作定性式电池的技术，解决报废电池问题2.

动力电池梯次利用国内研究进展政策规划

国家《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020)》要求加强动力电池梯级利用和回收管理，涵盖制定办法、建立体系、明确权责、引导回收、设定准入、规范环节、加强监管防污染。项目研究2011年，上海电力牵头863计划项目研究电池梯次利用原则等；北京市科委项目以奥运退运电池为对象研究并转化成果。2012年，国家电网项目研究试验评估方法等。示范工程2011年青岛薛家岛电站建成，实现梯次利用；2013年北京高安屯站投运，规模大、功能全，利用退役电池储能；

同年，基于退役电池的风光储微电网示范工程投运，年发电超10万kWh。三、退役电池梯次利用综合因素考量退役电池梯次利用要求

需考虑退役电池性能是否符合梯次利用需求；

权衡梯次利用成本与利润；

保障其安全性与可靠性；

对比性能、寿命、成本与梯次利用技术挑战；

关注梯次利用中电池常规性能及其他特别要求；

判断能否满足目标场合具体要求。2.退役电池梯次利用寿命与经济性理想状态下，动力电池寿命超二十年，梯次利用超十年，但实际受初次及梯次利用环境影响。不同使用场景下电池退役标准和时间不同，寿命有别，退役情景不同，单位英里电池成本不同，梯次利用价值效益各异，正常使用电池容量降至70%退役时成本最高。四、退役电池的安全性评估1.退役电池梯次安全性评估

锂化学性质活泼，锂离子电池虽比金属锂电池安全，但仍有安全隐患。其能量密度高、采用有机电解质体系、过充电反应不可逆等特点，使其安全性备受关注，尤其在滥用条件下。单体电池热失控还可能引发整个电池组热失控。2.锂离子电池滥用实验及安全性国内外制订了多种安全标准，安全测试项目分电学、机械、热、环境四类。退役锂离子电池安全性经检测未见衰退，可在电网储能项目中安全应用。3.电池组拆解、重组安全性问题

退役电池拆解要注意人身安全，避免不可逆损坏。组合使用的动力锂离子电池更易过充过放，退役电池重组要关注BMS均衡和热管理。均衡控制分能量耗散型和非耗散型。此外，锂离子电池有“老化”特性，存储温度越高、电量越足，容量损失越快，建议低温储存。02电池组与单体预处理技术学习内容1.动力电池回收预处理的方法；2.导电溶液放电的原理；3.动力电池破碎预处理；4.动力电池切割方式。能力要求1.能够复述动力电池回收预处理的方法；2.能够对比不同电池破碎预处理方法；3.具备信息搜集和处理的能力。任务引入王女士到B品牌电动汽车4S店维修动力电池，看到旁边有存储几个旧动力电池，售后人员小张告诉王女士这部分动力电池是打算进行梯次利用的，王女士咨询如何进行梯次利用，希望小张能帮忙解答。一、动力电池回收消电处理动力锂离子电池退役后电量有别，回收前需消电释放剩余电量，常用方法及情况如下：导电溶液放电

对废旧软包磷酸铁锂电池进行饱和盐水放电试验，电池正、负极耳处剧烈产生气泡，铝极耳腐蚀严重，大部分电量未放出。正极放电以电化学反应为主导，腐蚀正极，除非用纯惰性电极，否则该方法不可行。2.电极短接放电

用导线直接短接电池，极片出现火花，导线发热变软，接点冒黑烟，负极镍镀层融化，2分钟后压降小，电未放完可能起火或熔断导线，此方式不可行。3.大型专业设备放电

将20Ah废旧电池以1C电流放电需1h，提高放电倍率可缩短时间，但倍率过高电量残余多，有安全隐患。设备多通道可同时放电，节省时间。不过此方法耗时耗力，且不适用于极耳消失或内部短接电压为零的电池。二、动力电池破碎预处理

1.动力电池破碎方法在破碎前我们选择对电池进行切边处理，以达到方便去除外壳的目的。通过研究，拟选择四种切割方式金刚石砂轮、激光、水刀和机械切割进行试验。序号类型效

果现

象1金刚石砂轮切割摩擦过热着火金刚石刀具都是移动切割，尤冲斥切割2激光切割无法切断切割几层后激光散射，局部熔融3水刀切割电池形变，切不断水压小足，电池柔性太大，会发生弯折，局部破损，但不断裂4机械切割切割无问题有火花．不会燃烧

2.动力电池切割破碎安全防护措施电池切割在定制半自动化切割机上进行，刀面有电解液吸收孔，可集中收集大部分电解液，但仍有电解液释放和电火花产生，需做好预防：切割操作

操作人员要做好防护，启动设备并检查运行状态，定位切刀、编制切割程序；数只电池一组切割，依刀口宽度放置，严禁跨刀；先切电池四边，回收边料、极耳并抽出铝塑膜。切割须在单独房间，保持通风，配置通风、防火门设备，做好电解液挥发气的废气收集处理。2.磁选分离

正负极极片切碎后要磁选分离，转移前需完全晾干，否则影响效率。磁选利用正极有弱磁性、负极及隔膜无磁性的原理，要把握好物料处理量，根据设备情况调整进料速度；分选物料要摊开、分散均匀，可适当烘干；可多次分离，直至混杂率低于5%。磁选设备磁性强，要放在单独房间，操作区严禁携带金属和电子设备，以防磁化。03动力电池回收处理技术学习内容1.正极活性物质湿法剥离方法；2.正极活性物质酸法剥离方法；3.电池负极回收方法；4.动力电池回收处理安全性。能力要求1.能够向客户介绍动力电池的回收处理技术。2.具备通过查阅维修手册等资料完成信息收集及处理的能力。一、动力电池正极物质回收处理

正极物质的分离提纯首先要做到铝箔与表面活性物质的分离。此处研究的方法依据处理方式不同主要分为有机溶剂法、碱溶法和酸溶法。（1）有机溶剂法。有机溶剂法分离活性物质和集流体铝箔，是利用能溶解有机黏合剂的有机溶剂处理正极材料，以分离铝箔与磷酸铁锂膜涂层、去除有机杂质。常用溶剂有NMP、DMF、DMSO、丙酮等，因丙酮、DMSO易挥发，仅选溶解性好的NMP和DMF；还加入水及乙醇进行溶剂筛选，因乙醇对有机黏合剂溶解性差、水使铝箔部分溶解，均排除使用。不过，有机溶剂对活性物质剥离效果不佳，分离不彻底，影响后期锂产品提取率，或与电池加工工艺中添加的活性物质有关。（2）碱溶法。

碱溶法分离活性物质与铝箔的原理是：集流体铝箔是两性金属，可溶于氢氧化钠生成铝酸钠，活性涂层并不溶解与碱，从而使铝箔与活性物质涂层分离。过滤后的滤液经硫酸调pH，可得到化学纯的氢氧化铝产品。（3）酸溶法。

酸溶法分离铝箔与活性物质的原理是：铝箔与活性物质层都溶解于酸溶液中，通过调节溶液的pH,分别沉淀得到Fe(OH)3、Al(OH)3以及Li2CO3,从而分离正极材料。2.

正极活性物质酸浸法剥离方法

在进行酸溶法试验时，当酸溶液与正极在室温下反应10min,

铝箔与黑色活性物质完全剥离可直接取出，其上布满与硫酸反应产生的小孔，在空气中放置，表面生成白色氧化物膜。如果将酸溶液稀释，腐蚀时间变短，则可能利用铝箔与弱酸反应表面生成微孔与活性层剥离，直接得到无需另加任何处理的铝箔，又将活性层直接进行酸溶解无需再进行溶解步骤，更加简洁方便。二、动力电池负极物质的回收处理

l.正常电池负极回收方法对正常电池进行完全放电后，拆分出负极片。因为负极片导电物质与铜箔集流体结合时，基本靠外加压力使其黏结，所以对负极处理可考虑直接用水进行清洗。对负极片清洗时，可以整片清洗，也可以破碎之后再进行清洗。

2.鼓胀、软包电池负极回收方法电池正常使用一段时间后，负极上会残留一定量的锂离子，锂离子电池的黑色负极表面出现褐色斑纹。如果电池出现鼓包、软包等故障无法进行放电时，负极上富集的锂离子遇水会冒烟并产生火花。因此在回收此类负极材料时，需要在空气中放置1h使锂离子氧化，然后浸入水中进行清洗即可得到纯净的铝箔。三、动力电池回收处理安全性1.活性物质剥离安全性正极：正负极极片及隔膜分离后，正极活性物质处理较复杂。先在350°C高温炉烘烤20min，冷却后用机械揉搓震动使其与铝箔分离。操作时，高温炉不能完全密封以防气体溢出，且要放在有排气扇的房间并配备抽风排气设备。负极：负极活性物质分离较简单，将切碎的负极极片放入工业水洗机搅拌洗涤，使其与铜箔分离。要控制洗涤时间和放水量，按说明书操作大功率的工业洗衣机，集中收集多次洗涤后的渣液提取锂金属元素，废液不可随意排放。2.废气废液处理废气：退役锂电池回收中废气少，主要是电解液挥发，集中收集后经碱溶液装置过滤吸收有害物质后排入大气，要密切关注碱溶液pH值。废液：废液主要来自负极极片洗涤环节，呈强碱性，需用酸中和至中性，实时监测pH值，调整酸用量，检验达标后排放。04资源化综合利用实例及全生命周期评价学习内容1.了解退役电池寿命测试内容；2.掌握退役电池的筛选方法。能力要求1.能够掌握退役电池的寿命测试内容；2.能分析退役电池梯级利用意义。一、退役电池寿命预测方法选择插值法：观测点数等于参数个数时可用，通过联立方程确定参数，所得曲线通过各观测点，但拟合函数常为高次多项式，不利于计算，对浮点型数据拟合精度不理想。曲线拟合法：观测点多时，方程数大于参数个数，形成矛盾方程组，通过确定最佳参数使曲线尽可能靠近观测点，能部分消除观测误差。最小二乘法：先确定函数关系结构形式，再估计参数，但实际中准确判定结构形式较难，拟合精度不理想。遗传规划算法：模拟生物遗传进化过程，通过遗传操作迭代逼近最优解，随机性强，收敛与多种因素有关，需改进以提高性能。其他方法：还有多元散乱数据多项式插值等多种方法。二、退役动力锂电池的筛选筛选分容：利用充放电设备和电池内阻测试仪对退役锂电池进行筛选分容。充电测试：筛选出的锂电池按0.3C先恒流充电至3.65V，再3.65V恒压充电，直至电流降至0.01C停止；要求恒流阶段充电容量不低于全部充电容量的92%。放电测试：对电池进行0.3C放电测试，满电状态下：放电至3.0V时，放电容量不低于总容量的90%；放电至3.1V时，放电容量不低于总容量的85%；放电至3.2V电压平台时，放电容量不低于总容量的55%。搁置重测：符合上述标准的电池充满电后搁置48h，重新测试电压及内阻。重组要求：可重组的电池需满足：内阻差≤20%、容量差≤1%、电压差≤200mV、均压差≤30mV。三、退役电池在风－光－储－微电网中的应用1.动力电池梯次利用风－光－储－微电网示范工程（1）总体方案建设原则系统先进性：采用先进技术和管理，实现平稳运行等管理要求。灵活可扩展性：支持设备和功能扩展创新，为未来发展优化提供支持。可复制推广性：建立成熟应用，支持系统复制推广到实际应用项目。总体配置：包含多种可再生能源发电及退役电池储能系统，智能优化充放电时间，建设信息系统实现协调控制和能量梯度利用。（2）整体通信结构

光伏逆变器等设备采用RS485接口组网接入就地监控系统，储能PCS直接接入，通过以太网口接入上级配电网主站系统，加装双向计量表计实现计量功能。（3）微电网控制策略1）管理层面：从配电网调度层、微电网集中控制层、分布式电源和负荷就地控制层综合管理和控制。2）并网情况电压和频率由大电网决定，DG进行功率输出控制，负荷能量优先由风光系统提供，储能系统起能量均衡调节作用。储能系统可平抑功率波动、削峰填谷、按调度曲线运行，定期进行电池充放电试验。3）离网情况

储能系统控制是核心，需快速响应。储能变流器以电压源模式工作，光伏、风电变流器以电流源模式工作，通过反馈控制实现功率