2023年至2024年上半年动力电池梯次利用产业发展报告

2023年至2024年上半年动力电池梯次利用产业发展报告刘晓珍王子尧梁师健*摘要：随着新能源汽车产业的发展，动力电池即将迎来大规模退役潮，开展梯次利用工作有巨大的环保意义和经济效益。国内外研究人员在梯次利用电池寿命预测、检测筛选和均衡技术等领域开展了多项研究并取得多项成果。然而，目前退役动力电池梯次利用相关研究仍然未真正意义上突破动力电池整组梯次利用一致性管理、动态安全监测及调控等技术难题，导致运行过程中电池组衰减较快，且老化规律无法准确预判，使得大规模的梯次电池应用于储能系统时具有较高的维护成本和安全风险，严重制约了梯次利用储能技术的发展应用。报告在对国内外退役动力电池梯次利用相关产业项目进行整理的基础上，综述了退役锂离子电池的剩余寿命预测、检测分选及电池均衡关键词：退役动力电池梯次利用寿命预测检测分选电池均衡随着动力电池近年来装机量与报废量的不断增长，我国对动力电池梯次利用领域也越发重视，国家相继出台《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法》*刘晓珍，巴特瑞科技有限公司分析师，主要研究方向为新能源汽车、动力电池、储能、ESG等；王子尧，中汽数据有限公司咨询研究员、工程师，主要研究方向为新能源汽车动力电池回收利用产业、政策；梁师健，中汽数据有限公司咨询研究员，主要研究方向为电池技术及电池ID研究。2023年至2024年上半年动力电池梯次利用产业发展报告策文件，有力推动我国动力电池梯次利用产业健康可持续发展。作为全球最大的锂离子电池市场，中国正逐步建立健全电动汽车锂离子电池管理体系，并鼓一动力电池梯次利用工艺及技术发展水平（一）动力电池梯次利用概述退役动力电池梯次利用强调通过检测新能源汽车退役后的动力电池的电池容量与电池性能，经电池筛选与重组后，根据电池状态的不同将其应用于不同场景。当退役动力电池剩余容量相对较高（60%～80%）时可在电网储能、低速电动车、通信基站等储能领域发挥作用，此为梯次利用第一阶段，当退役动力电池剩余容量较低（40%～60%）时从第一阶段中退役，可用作备图1退役动力电池梯次利用过程资料来源：中国汽车工业协会。国外对车用动力电池的梯次利用研究比国内起步更早，涉及范围更广，成果也更多。国外电池梯次利用典型案例如表1所示。动力电池蓝皮书表1国外动力电池梯次利用的部分典型案例公司案例概述应用领域日产leaf汽车的退役动力电池用于家庭和用户侧储能夏普公司通过智能功率控制器将废旧电池用于家庭储能家庭储能日本/美国伊藤忠商事株式会社和退役动力电池用于部分新建公寓储能家庭储能美国储能系统美国/瑞士通用公司、ABB集团将梯次利用的锂电池应用于智能电网中，可以调节风能和光伏发电等新能源的波动电源侧储能德国博世集团、将宝马ActiveE和i3电动汽车的退役动力电池应用于光伏电站储能系统，且通过瓦腾福公司进行运行维护电源侧储能资料来源：中国汽车工业协会。我国现阶段动力电池梯次利用主要集中于储能、基站电源、低速电动车等领域，部分应用案例如表2所示。表2国内动力电池梯次利用部分案例应用场景实施单位项目规模、长沙市湘行交通新能源有限公司国网新昌县供电公司储能电站综合能源服务公司、深圳市比克动力电池有限公司其中含梯次利用储能75MWh国网南京供电分公司通信基站国网杭州市余杭区供电公司中国铁塔股份有限公司全国累计容量约3GWh资料来源：中国汽车工业协会。2023年至2024年上半年动力电池梯次利用产业发展报告（二）动力电池梯次利用专利情况相关专利查询网站显示，截至2023年，明确涉及锂电池梯次利用的专利有220多项，其中，余能检测、安全性可靠性检测为动力电池梯次利用主流专利申请方向。2014～2023年锂电池梯次利用专利申请量如图2所示。资料来源：专利汇、中国汽车工业协会。（三）动力电池梯次利用技术发展水平国内外针对电池梯次利用技术的研究重点可分为以下几种：电池梯次利用的标准制定及余能检测、电池的快速筛选和重组、电池合理的能量分配和管理以及电池的安全和状态评估等。1.电池寿命预测技术退役动力电池剩余寿命预测的关键点在于全生命周期监测，即要建立大数据追溯系统平台对退役动力电池进行系统分析，以此获得能否进入梯次利用市场的大数据。而在未建立全生命周期监测系统的情形下，如何做到快速无损地预测退役动力电池剩余寿命，是实现梯次利用的关键所在。动力电池蓝皮书为电池在当前状态下预计还可以正常服役的时间，即根据锂电池当前健康状环后寿命结束（EndofLife，EOL）。因此，准确的SOH估计和衰退轨迹特征提取是RUL预测中的关键问题。目前主流的锂电池RUL预测方法可以总结为基于模型的方法和基于数据驱动的方法。随着电池状态估计方法不断涌现，结合实际运行系统的应用，未来的电池寿命预测技术发展趋势将是向在线估计方法转变。在实际操作中，电池状态相互关联，因而联合状态估计具有更高的实用性和准确性。因此，基于人工智能的多状态协同实时在线预测方案将成为未来的发展方向。2.电池分选技术电池组性能受制于内部单体电池的不一致性，其整体使用寿命与综合性能无法达到单体电池的水平，在使用时电池组内不一致性随之加剧，整个电池组的寿命与性能也会迅速下降，所以通过一定方法将性能相近的电池分选出来，再按照相应需求对其进行重新组合是提高电池使用效率的有效解决办法。当前国内外对梯次利用电池的分选还没有公认有效的方法，大多数梯次电池分选是利用出厂电池分选的方法进行分选，或者将退役动力电池包直接加以利用，学者们所提出的解决方法主要包括单参数分选法、多参数分选法、动态特征分选法以及模型分选法。单参数分选法指选取电池的欧姆内阻、极化内阻、充电截止电压、容量等某一种参数对电池进行一致性分选，将某一种参数相同或相近的电池作为一个类型，进而提高电池的一致性。多参数分选法指选取两种及两种以上代表性参数组合进行分选。动态特征分选法指选取电池充放电过程中的开路电压、容量等参数作为分选变量对电池进行分选。模型分选法指通过建立电池内部参数的等效电路模型确定电池的参数，以此来对电池进行一致性评价。电池等效电路模型常用的参数有极化内阻、极化电容、开路电压、欧姆内阻等。表3对各种分选方法进行了统计和对比。2023年至2024年上半年动力电池梯次利用产业发展报告表3电池分选方法对比分选方法特征参数综合评价单参数分选法逐渐被淘汰多参数分选法恒流恒压时间比、自放电率考虑的因素更加全面，分选的效果更加明显，但所需时间较长且步骤繁多，无法体现出电池使用过程的一致性动态特征分选法电压曲线的电压平台期分布情况等可以体现出电池使用过程的一致性，适用范围比较广泛，但不适用于电池内部参数对一致性的影响研究动态多参数分选法放电曲线、电压、自放电率、充放电容量、内阻充放电曲线、内可以体现出电池的外部特征，能筛选出一致性较好的电池，但对数据精确度要求较高模型分选法RC模型戴维南模型可以反映电池内部参数，但选择合适的电池模型有难度，适用性不强，实际应用较少资料来源：巴特瑞科技有限公司。3.电池均衡管理技术电池均衡管理是退役动力电池规模化应用以及快速推广的关键技术之一。由于退役动力电池之间的性能以及电压、电池荷电状态、容量、内阻等参数存在或多或少的差异或不一致性，且电池的不一致性随循环使用逐渐增大，因此电池模组的整体性能受“木桶效应”的影响而快速衰减。由于退役动力电池的一致性要远差于新电池，一般的电池均衡管理功能难以解决一致性差等问题，重组的电池在梯次利用过程中衰减较快且老化规律无法准确预判，严重制约了梯次利用储能技术的发展应用。电池均衡管理技术可实现退役动力电池在梯次利用过程中的一致性管理和安全性调控，能够促进退役动力电池的高值化利用。因此，电池均衡管理对缩小电池间的性能差异、应对电池的不一致性具有极其重要的现实意义。表4对各种均衡技术进行了统计和对比。动力电池蓝皮书表4电池均衡技术总结均衡技术概要综合评价被动均衡电池模组中能量较高的单体电池，而后其旁路电阻利用欧姆定律将多余的电能转化为热能消散出去，进而促使电池模组内的单体电池能量状态保持一致被动均衡技术的优点是电路结构简单、控制方便，技术成熟且成本较低，早期的电动汽车都采用该方法提升电池的均衡特性。但该方法在使用的过程中，分流电阻会消耗动力电池组的能量，均衡效率较低，不仅会消耗电池模组的电能，而且还会增加电池管理系统中热管理的负担，致使系统的安全性、可靠性下降，甚至产生安全隐患。因此，对于退役动力电池或大容量、大功率的电池模组的均衡管理，采用单一的被动均衡技术并不适用主动均衡通过电池管理系统检测单体电池的能量状态，并利用储能元件作为中介，将能量偏高的单体电池和能量直接或间接转移至能量偏低的单体电池中该方法通过储能元件迅速传递能量，均衡效率高，不直接消耗能量。按照转移介质的不同，能量转移法可分为开关电容法和DC-DC变流器法。由于均衡系统对储能元件需求较多，电路较为复杂，且当相邻电池间电压差较小时，其均衡需要很长时间，因此对于位置较为固定、空间要求不苛刻的电池模组，均衡管理可以采用主动均衡技术动态均衡利用电路设计原理对电池组和单体电池进行分级管控，通过灵活切换电池之间的串并联方式实现退役动力电池的一致性管理可重构电池组的概念被提出使得储能电站可以动态调节电池的串并联结构，使得重构电池模组具有高容错性、高充电均衡、高效率以及可变的电池组端电压等优势，为电池的梯次利用提供了新的思路资料来源：巴特瑞科技有限公司。总之，退役动力电池一致性相较于新电池更加难以控制，单独使用主动均衡或者被动均衡技术已无法完全满足系统均衡需求，而具有能量损耗少、均衡速度快、系统结构简单、高扩展性和兼容性的智能均衡方法将是未来退役动力电池均衡技术的发展趋势。通过梯次利用延长电池综合服役寿命，不仅可以降低动力电池全寿命周期成本，同时对推动电动汽车绿色健康可持续发展以及控制成本具有积极作用。电池剩余寿命预测、检测分选以及电池均衡管理是电池梯次利用中的关键技术。综上所述，动力电池的梯次利用在一致性管理、动态安全监测及调2023年至2024年上半年动力电池梯次利用产业发展报告控等技术的规模化应用中仍存在较大挑战，亟须突破退役动力电池整组梯次利用的健康状态溯源、安全试验评价、一致性管理、高安全性调控等技术难题，促进退役动力电池的高值化利用。二中国动力电池梯次利用产业格局（一）市场竞争格局目前，动力电池梯次利用领域相关企业数量众多，主要包括产业链上下游相关企业。一是新能源汽车生产企业，如比亚迪、北汽新能源等，它们挖掘本企业生产车辆退役动力电池的残余价值，并将这些电池梯次利用于光伏储能、充二是动力电池生产企业，如国轩高科、蜂巢能源等，它们利用本企业动力蓄电池的研发、生产技术，延伸扩展至梯次利用领域。三是电化学储能企业，如普兰德、江苏慧智能源等，它们利用本企业在电池储能领域的业务优势，开发梯次利用储能产品。四是综合利用企业，如格林美、华友钴业等，它们具备一定的客户资源及拆解技术基础，开始从事再生利用领域并扩展至梯次利用领域。五是锂电池梯次利用产品应用企业，如中国铁塔、国家电网等，它们对于梯次产品有较大需求，在应用梯次产品过程中拥有了一定的技术储备，开始与其他企业合作开发适合本企业使用的梯次产品。目前工业和信息化部公布的第1～5批符合《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》的企业名单（以下简称“规范条件企业”）中共计有156家企业（去重后有148家，因部分企业梯次利用和再生利用两条产线分开申报，故存在企业重复现象其中，梯次利用规范条件企业93家，再生利用规范条件企业56家，兼具梯次利用和再生利用能力的规范条件企业7家。第1～5批白名单企业类型统计情况如表5所示。动力电池蓝皮书表5第1～5批规范条件企业类型统计单位：家类型第一批第二批第三批第四批第五批合计梯次利用规范条件企业数量—9再生利用规范条件企业数量589兼具梯次利用和再生利用能力的规范条件企业数量—12137合计5注：《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》（工业和信息化部公告2016年第6号现已废止）在2019年修订之后，才增加了梯次利用企业类型及相关内容描述，在此之前的均为再生利用企业。资料来源：工业和信息化部官网，由中汽数据有限公司整理。（二）区域分布从梯次利用白名单企业的区域分布来看，2023年新增企业主要集中在广东、湖南、安徽、江西等地区，这些地区均为锂电池回收企业资源化、技术化领先区域。相关企业省份分布情况如图3所示。图3梯次利用白名单企业省份分布情况资料来源：富宝锂电网、中国汽车工业协会。2023年至2024年上半年动力电池梯次利用产业发展报告能够吸引梯次利用企业落地的地区通常具备以下条件。1.较高的新能源汽车渗透率从地域分布上来看，梯次利用企业主要集中在新能源汽车渗透率和销量较高的地区，如广东、江苏等地，以及动力电池企业集中地区，如浙江、安徽等地。2024年第一季度国内新能源汽车渗透率和销量TOP10省份如表6所示。表62024年第一季度我国新能源汽车渗透率和销量TOP10省份单位：%，辆排名省份新能源汽车渗透率新能源汽车销量1海南2广西3浙江4广东5江苏6天津7重庆8福建9河南上海资料来源：易车网、中国汽车工业协会。2.电芯厂或动力电池再生利用企业较密集的地区在大型电芯厂或动力电池再生利用企业较为密集的地区更容易延伸出梯次利用项目，吸引梯次利用企业落户。大型电芯厂具备长期稳定的供货能力，未来在退役动力电池模组级梯次利用、残值评估等关键技术领域，可与梯次利用企业共建技术生态，推动资源循环的规模化应用。动力电池再生利用企业则与梯次利用企业存在互为上下游的情况。国内动力电池再生利用产业发展相对较早，商业模式更为成熟，不少地区是先有再生利用企业，再扩大业务范围增动力电池蓝皮书（三）项目情况新据富宝锂电网不完全统计，2023年至2024年上半年全国各地已有多家企业新建梯次利用相关项目（见表7并建立相关厂区、产线等。建梯次利用项目主要集中在安徽、广东新表72023年至2024年上半年部分梯次利用项目新建产能省份公司名称新建产能安徽安徽斯亚迪新能源动力有限公司经梯次利用后，可年产48V/100Ah储能电池包2万车用电池2万组安徽安徽永晗材料科技有限公司年产20万吨锂电池梯级再利用项目（一期）正式投产重庆重庆三电能源科技有限公司福建福建冰川新能源科技有限公司年处理6000吨梯次利用电池广东建成年产2000套梯次利用电池的电池修复及再生利用项目广东广州环投恒创科技有限公司广东广东印象华云新能源环保科技有限公司年回收废旧锂电池30000吨，年梯次利用电池规模广东中商锂新能源科技（惠州）有限公司广西广西一立新能源科技有限公司年生产梯次利用锂电池10000吨贵州贵州嘉弘能源科技有限公司湖北湖北立铭锂业科技有限公司年产17.5万组梯次利用电池包，梯次利用电量达到湖南长沙蓝奥电子科技有限公司年处理2000吨梯次利用电池湖南湖南锂汇通新能源科技有限责任公司梯次利用电池单体产能为2100吨/年江苏盐城凯林格环保科技有限公司年产梯次利用锂电池10000吨江苏一期梯次利用产品产量5万套/年，二期梯次