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       玩具車里的電池 “沒電” 了之后，先別著急扔，放到遙控器、掛鐘里，還能再用很長一段時間。電動汽車里的動力電池也存在類似的情況：由于續航里程的要求，當車載動力電池的容量下降到只有原先容量的 80% 的時候，就不得不報廢了。但用在電車上雖然不行，能不能在其他要求相對低一點的領域繼續 “發揮余熱” 呢？

 

       這便是電動汽車動力電池 “梯次利用” 的概念。麻省理工大學的一個研究團隊近期在《應用能源》（Applied Energy）雜志上刊文，分析了將已經退役的電動汽車動力電池，用于為太陽能光伏電站提供儲能服務的經濟可行性。他們得出的結論是，盡管業界對這樣做的成本問題憂心忡忡，但如果二手電池的價格可以低于新電池的 60%，再輔以適當的運行控制策略，報廢動力電池用作新能源儲能也可以是劃算的。

 

       該論文的第一作者、麻省理工大學博士后 Ian Mathews 認為，動力電池梯次利用為光伏電站提供儲能這件事，“真的可行”。

 

       近年來，電動汽車技術日臻成熟，再加上各國在不同層面上的政策扶持，全球電動汽車銷量屢創新高。不過，與常規燃油車不同的是，汽車雖然可以開很久，電動汽車上的電池卻不行。隨著電池充放電循環次數的增加，其可以儲存的最大電量——電池的容量會逐步衰減、下降。當容量下降到原始容量的 80% 以下時，就將無法滿足續航里程的要求，必須更換新的電池。

 

       換下來的報廢電池，其命運往往就是回收站了。在那里，電池里的貴金屬、電極等材料將被回收，而其他的部分，在無害化處理之后，就將塵歸塵，土歸土了。有機構預計，2020 年我國動力電池報廢裝機量將達到約 25GWh。這么多的其實還能用的電池就這么報廢了，實在是太可惜了。

 

       因此，隨著兩三年前我國第一批動力電池的退役，動力電池梯次利用的概念便走進了人們的視野。雖然無法繼續用在汽車上了，但還有 80% 的容量，依然“老當益壯”，可以“志在千里”。

 

       城市里閃轉騰挪的電動自行車，鄉村道路上隨處可見的低速電動車，建設在偏遠山區的通信基站，為光伏、風電等不穩定的新能源提供平衡發電輸出的儲能電站，理論上都可以是報廢動力電池的理想去處。

 

       在這些應用場景里，依然擁有 80% 容量的鋰電池，還可以安全地繼續使用到容量衰減到 60% 甚至更低的程度。據估計，到 2025 年，我國動力電池梯次利用的市場將有望達到近 300 億元的規模。各路英豪紛紛摩拳擦掌，打算在這片藍海里闖出一番天地。

 

       然而，盡管看上去梯次利用的優勢顯而易見，但現實總是比夢想骨感一些。

 

       理論上還有 80% 電量的電池，實際操作起來卻不一定是那么回事。

 

       所謂的“容量下降到原始容量的 80%”，并不等于所有的電池都下降到了 80%。電動汽車使用的電池，是由一節一節的單體電池——也就是所謂的電芯所組成的。許多電芯經過串聯、并聯組成電池模塊，許多電池模塊再加上管理系統、冷卻系統、控制系統，才能最終組成了裝在汽車上的電池包。

 

       盡管按照同樣的方法生產組裝，但每一個電芯的性能是略有差異的。組裝到電池模塊里之后，其使用情況也不盡相同。到了報廢的時候，電池模塊的容量下降到了 80%，但具體到每一個電芯上，剩余的電量卻有高有低。

 

       如果一節單體電池的容量已經非常低了，超期服役會發生電池容量的突然衰減，俗稱“跳水”。跳水可能會導致電池膨脹、起火等安全事故的發生，威脅到電池模塊、甚至整個用電系統的安全運行。就算沒有跳水，電池的壽命也“大限將至”，無法按照設計發揮應有的作用。

 

       因此，要想對動力電池進行有效的梯次利用，就必須把每一個電芯都從嚴密包裹著的電池包、電池模塊里拆出來，對其容量、電阻等性能進行充分測量，根據這些參數分析出每一個電芯的實際性能，再將性能相近的電池重新組成新的電池模塊。這個過程幾乎相當于把電池模塊重新設計和生產了一次。

 

       而且，這個重新生產的過程還很難實現規模化。且不說不同批次、廠家的電池規格、材料不盡相同，這些電芯甚至連形狀都有可能不一樣——電芯可以是普通干電池那樣的圓柱形，也可以是方的、扁的…… 這樣一來，盡管二手電池的電芯成本比全新電池要低，但對不同批次、甚至不同廠家生產的電池包進行徹底的拆解，對每一個電芯進行檢測，再分類、篩選，組裝成全新的電池模塊，工作量巨大，成本也很高。

 

       此外，動力電池和儲能電池的設計要求本身就不一樣。動力電池要求更高的能量密度，畢竟一輛車可以攜帶的電池重量有限，必須盡可能地提高可以儲存的電量；但儲能電池、備用電源電池對空間的要求就沒那么高了，更多的是需要有更長的壽命。太陽能光伏電池的壽命動輒二三十年，與之配套的儲能電池如果要頻繁更換，會嚴重增加儲能電站的成本。

 

       而且，由于本來就是二手電池，其壽命天然就比新電池要短。最后算下來，二手電池到底劃不劃算，一直是一個問號。

 

       目前，業界普遍認為，報廢動力電池用在低速電動車、通信基站上，還是可以接受的。

 

       但大家最期待的，是將二手動力電池用于新能源儲能。儲能技術被認為是能源轉型的瓶頸、應對氣候變化的關鍵，大多數電池專家都認為，全新的鋰電池并不能滿足要求，需要研發新的化學儲能原理來讓電池擁有更低的成本和更高的壽命。至于二手動力電池能不能在保證使用壽命的前提下有效降低成本，則一直眾說紛紜，沒有確切的答案。

 

       麻省理工大學的這篇論文，就針對這個問題給出了自己的解讀。

 

       為了評估使用電池進行儲能的經濟效益，研究人員假設了一座位于美國加利福尼亞州的 2.5MW 的光伏電站。并按照加州的政策法規、商品的服務和價格，對比了三種情況下的成本和收益。這三種情況分別是：1）不安裝電池，2）安裝全新電池，3）安裝只剩 80% 容量的二手動力電池。

 

       為了估計電池的容量隨著時間推移的衰減程度，他們使用了一個基于實際數據的半經驗模型。這個模型考慮了電池內部固體 - 電解質之間界面的非線性增長、隨著使用年限帶來的容量衰減，以及隨著循環壽命的增加帶來的容量衰減，以及電池的使用溫度。之前的研究發現，這個模型可以非常準確地估計各種鋰離子電池的容量衰減程度。

 

       經過計算，研究人員發現，如果不嚴格控制二手電池的使用方式，其容量衰減將會很快，經濟性也會很差。

 

       但若是嚴格控制二手電池的充放電深度，高不超過 65%，低不低于 15%，那么電池容量的衰減將會變得很慢。假設電池容量衰減到 60% 就要徹底報廢，那么二手動力電池作為光伏儲能的使用壽命會長達 16.1 年。這個年限只比擁有 100% 初始容量的全新電池短一年多。

 

       在這種情況下，只要二手電池的成本低于新電池的 80%，其所能帶來的收益就將高于新電池。不過，這并不意味著二手電池用作光伏儲能就是劃算的。若是要保證順利收回建設光伏電站和儲能設施的投資，需要讓二手電池的成本低于新電池的 60%。

 

       換句話說，如果想要通過動力電池梯次利用的方式，實現鋰電池應用于大規模光伏儲能的設想，二手電池的成本必須比新電池低四成，具體使用過程中還需要嚴格控制其充放電深度。

 

       如果要做到這一點，從政府到企業都得再下功夫。其中最重要的，是電池的生產和檢測必須標準化，確保不同廠家、不同批次的電池可以用同樣的方式大規模拆解、檢測、重組。麥肯錫的一則報告估計，到 2030 年，動力電池梯次利用的規模將可以滿足一半的新能源儲能消納的需求。但前提是，那時的電池必須用 “以終為始” 的態度，降低二手電池的加工成本，最大化地利用每一節電池的價值。

 

       麻省理工大學博士后 Ian Mathews 表示，電動汽車的生產商、電池生產商、光伏電站等各利益相關方都應該“坐下來好好討論一下”，因為動力電池梯次利用為光伏電站提供儲能這件事，“真的可行”。

 

       參考：

 

      Mathews I, Xu B, He W, Barreto V, Buonassisi T, Peters IM. Technoeconomic model of second-life batteries for utility-scale solar considering calendar and cycle aging. Appl Energy 2020;269:115127. doi:10.1016/j.apenergy.2020.115127.

 

       Xu B, Oudalov A, Ulbig A, Andersson G, Kirschen DS. Modeling of lithium-ion battery degradation for cell life assessment. IEEE Trans Smart Grid 2018;9:1131–40. doi:10.1109/TSG.2016.2578950.

 

        譚倩, 尹斌, 趙越. 動力電池回收市場起航 —— 動力電池回收行業深度報告. 2019.

 

        Foundation LD. 深圳市動力電池回收利用機制與政策研究 Research on the Power Battery Recycling 2018.

 

        王娜. 如何突破動力電池回收產業發展瓶頸. vol. 85. 2017.

 

        Wei L, Shengquan L, Zhaoqi H. 動力電池 多梯級利用的技術難點 分析 2018:11–3.等