退役動力電池的梯次利用到儲能的前景與問題
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時(shí)間：2021-07-27
【概要描述】新型儲能2025年裝機(jī)目標(biāo)為30GW，動力電池退役量2025年達(dá)到90GWh，這么大的保有量如果應(yīng)用到儲能領(lǐng)域會怎樣？
7月23日，國家發(fā)改委網(wǎng)站發(fā)布消息，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和，努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見。意見指出，到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬千瓦（30GW）以上；到2030年，實(shí)現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展。
這其中的新型儲能是指除抽水蓄能等傳統(tǒng)儲能技術(shù)外的新型儲能技術(shù)，包括電化學(xué)儲能、壓縮空氣、飛輪儲能、熱儲能等。而根據(jù)CNESA全球儲能項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2020年底，中國已投運(yùn)的電力儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到33.4GW，其中抽水蓄能占比超過90%，而電化學(xué)儲能的總裝機(jī)容量尚未達(dá)到2GW。按照指導(dǎo)意見，5年內(nèi)的新型儲能裝機(jī)將從3GW左右增加到30GW，平均每年需要新增裝機(jī)容量60%左右，這將是非常驚人的增長量，也昭示出了一個(gè)巨大的新型儲能市場。
指導(dǎo)意見要求堅(jiān)持儲能技術(shù)多元化，推動鋰離子電池等相對成熟新型儲能技術(shù)成本持續(xù)下降和商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣、液流電池等長時(shí)儲能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期，加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術(shù)開展規(guī)?；囼?yàn)示范，以需求為導(dǎo)向，探索開展儲氫、儲熱及其他創(chuàng)新儲能技術(shù)的研究和示范應(yīng)用。從這段要求基本可以看出目前新型儲能技術(shù)的市場成熟度：鋰離子電池>壓縮空氣/液流電池>飛輪/鈉離子>儲氫/儲熱。鋰離子電池在過去的十幾年里經(jīng)歷了技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的急劇擴(kuò)張，致使其電芯成本從幾百美元迅速降低到$200/kWh以下，然而受限于原材料儲量的影響，以及動力電池需求的急劇增長，鋰離子電池成本的迅速降低將難以為繼。根據(jù)理論預(yù)測，傳統(tǒng)鋰離子電池的裝機(jī)成本基本上會在10年后達(dá)到其極限值$100/kWh左右。因此尋找具有更多降價(jià)潛力的新技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。
與發(fā)展全新儲能技術(shù)相比，利用退役的動力電池來組裝成儲能模塊可能是技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最小、實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化最容易的路線。動力電池的退役標(biāo)準(zhǔn)是容量上限下降到80%左右便不再符合要求，這些退役電池如果直接對其進(jìn)行回收或銷毀的話，將是非常大的浪費(fèi)。如果將其繼續(xù)利用在其他場景，則能做到物盡其用，因此梯次利用便應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國動力電池退役量已達(dá)到20GWh，到2025年預(yù)計(jì)將超過90GWh。將90GWh與指導(dǎo)意見提出的2025年新型儲能裝機(jī)容量達(dá)到30GW相比較，理論上單靠梯次利用一己之力就能滿足要求。當(dāng)然，這是最理想的情況，事實(shí)上梯次利用的最大風(fēng)險(xiǎn)是安全性，這也是目前梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈上最急需解決的問題。接下來，我們就梳理一下梯次利用產(chǎn)業(yè)鏈的基本流程。
首先是退役動力電池的回收。電動汽車制造商和動力電池生產(chǎn)商在這一點(diǎn)上有很大的天然優(yōu)勢，因?yàn)樗麄兡芡ㄟ^以舊換新，或者銷售新電池時(shí)簽訂的合約來激勵(lì)消費(fèi)者將退役的電池退回原廠。
電池回收來后，先進(jìn)行快速的經(jīng)驗(yàn)性檢查，比如目測或者精確測量電池外形尺寸是否有較大形變，包裝是否有破損等。然后對篩選出來的所有電池進(jìn)行儀器測試，通過循環(huán)深度充放電幾次來記錄電池的運(yùn)行情況，記錄各種參數(shù)，并從中分析電池是否存在異常。這一步通常需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，不過隨著新電池的BMS電池管理系統(tǒng)越來越完善，很多回收回來的電池系統(tǒng)可能自帶之前的運(yùn)行記錄和實(shí)時(shí)參數(shù)，這樣就省去了大量的測量工作，這項(xiàng)功能對于現(xiàn)在的電池和汽車制造商完善產(chǎn)品來說是個(gè)很好的提示。最后還需要對電池的安全性進(jìn)行抽查，按一定的比例抽選過關(guān)的電池進(jìn)行擠壓、過沖、針刺、溫度循環(huán)等破壞性測試，以此來推算同批次電池的安全性。
當(dāng)電池篩選結(jié)束后，后面的組裝流程就跟新電池的組裝工藝類似了。由于退役電池的安全性普遍低于新電池，因此可能在電池溫度檢測、隔熱材料等方面需要提高安全標(biāo)準(zhǔn)，以此來確保電池包的安全性。而電池管理系統(tǒng)可能需要更加慎重地考慮安全冗余參數(shù)，相比于新電池包的系統(tǒng)來說要求會更高。
總的來說，退役電池梯次利用的成本主要產(chǎn)生在電池檢測與重新組裝這些環(huán)節(jié)。雖然其總成本相比于利用新電池會大幅降低，但由此付出的代價(jià)是安全性的相對降低。自從今年4月16日北京集美家居大紅門梯次利用儲能電站發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致兩名消防人員犧牲后，國家能源局已暫時(shí)叫停大型梯次利用儲能電站的新裝機(jī)建設(shè)，并且要求在出臺嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)以后才能重啟建設(shè)。因此梯次利用只是解決了儲能的成本問題，并未解決安全顧慮。而要徹底解決易燃易爆的安全隱患，則需選擇完全不同的新型儲能技術(shù)，比如液流電池或飛輪儲能等。從另一個(gè)角度來說，這些不同的新型儲能技術(shù)，都有自己特定的儲能時(shí)長和應(yīng)用場景，因此它們之間并不是直接的競爭關(guān)系，更多的是通過互補(bǔ)來滿足更廣泛的市場需求。
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參考文獻(xiàn)：
1. 關(guān)于動力電池梯次利用的一些思考。儲能科學(xué)與技術(shù)，2020，V9，P598。
2. 退役動力電池梯次利用關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)狀分析。電力系統(tǒng)自動化，2020，V44，P172。
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作者簡介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國德克薩斯大學(xué)（奧斯?。┗瘜W(xué)工程博士。主要從事儲能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項(xiàng)美國能源部資助研發(fā)項(xiàng)目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎(jiǎng)。在材料學(xué)及儲能領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請17項(xiàng)。
中和儲能公司簡介：
深圳市中和儲能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲能技術(shù)，旨在通過電化學(xué)儲能技術(shù)的應(yīng)用助力于實(shí)現(xiàn)中國“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專注利用在儲能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及杰出的研發(fā)能力向中國儲能市場提供技術(shù)支持與咨詢服務(wù)。同時(shí)，公司著重于對中國儲能市場進(jìn)行調(diào)查與分析，為中國市場研發(fā)或引入最先進(jìn)、最有效的儲能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性儲能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國內(nèi)業(yè)務(wù)：液流電池與高能量密度鋰離子電池技術(shù)合作、學(xué)術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢、及論文寫作指導(dǎo)。