如何提升动力电池再利用的效率？.pdf-solarbe文库

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中国汽车动力电池产业创新联盟王子冬 2019年 4月 25日杭州题目 一、储能电池产业发展趋势 二、动力电池回收再利用的重要性 三、多级利用过程中遇到的困难 四、如何解决动力电池的再利用难题 2 2010-2018年新能源汽车产销量据中国汽车工业协会数据，2018年我国新能源汽车市场产销规模再创新高，全年新能源汽车累计生产127万辆，同比增长59.9；累计销售125.6万辆，同比增长61.7。纯电动车型仍旧为市场支撑主体，2018年共计生产98.6万辆，占总产量比77.6。2010-2018年我国累计生产新能源汽车达304.6万辆。 2013-2018年动力电池装车情况整体情况受新能源汽车市场带动和政策利好，2018年我国动力电池装车量大幅增长，全年装车共计56.92GWh（不计铅酸电池），较2017年同比增长56.34。在经历2016年和2017年两年高速发展期，我国动力电池市场逐渐进入稳步发展期，增速开始呈现上升趋势。 2018年动力电池装车情况按材料种类 2018年我国动力电池装车主体产品仍旧以三元电池、磷酸铁锂电池为主，其中三元电池受乘用车市场带动，全年装车量共计33.07GWh，占装车量总比达58.11，较2017年上升14.03个百分点，呈逐年上升趋势；磷酸铁锂电池全年装车量共计22.20GWh，在纯电动客车领域配套占比高达72.16。动力电池产业发展趋势 我国是一个能源进口大国， 60的一次能源依赖进口，这给我国能源的战略安全带来很大风险。从国内来看，我国电能源发电结构体系中，火电占比 70-85，改善电能源发电结构，积极发展新能源和清洁绿色能源发电，无疑是当务之急  风能和太阳能是新能源发电的主力，但是都存在发电波动大、难预测等特点，而采用动力电池储能具有较好的调度平衡作用，动力电池储能的特点是响应快、配置灵活、控制精准、环境相对要求较低等。 动力电池储能系统被认为是新能源发电的最佳搭档，这已是行业共识。动力电池储能产业发展趋势 目前辅助的调峰和调频装置有许多，如燃气发电、抽水蓄能电站、储热和储冷也能完成一部分调峰工作，但平滑输出和调频效果不如动力电池储能。 集中在同一个地方的风电与光伏发电，虽然具有自动平衡一部分输出的波动性，但是风和光能够达到互补效应的地方不多，因此，采用一定规模的动力电池储能装置，是新能源电站实现平稳输出的最佳配置。 据国家权威部门预测，到 2030年，我国风光发电装机容量将超过 6亿 kW。如果按储能平衡时间 1个小时的比例来配套储能系统，则储能系统装机将超过 600GWh，如果其中有 30采用动力电池进行储能，则就会有超过 180GWh的动力电池需求。根据储能联盟全球储能项目库的不完全统计，截至 2017年第三季度，全球已投运电化学储能项目累计装机规模达 2.24GWh。 与新能源发电配套的储能电站可以有多种存在形式，从使用效果、利用效率、调度方便和商业模式等几方面综合考量，百兆瓦以上规模的独立储能电站将成为主流配置。未来动力电池技术路线的走向 未来储能市场动力电池的主流类型  方形硬壳和方形软包装 100Ah以上大容量电池。 主流的材料体系  磷酸铁锂配硅碳负极、长寿命三元配硅碳负极 主流工艺扁卷和叠片。 产品要求安全性、长寿命、低成本。软包装模块题目 一、储能电池产业发展趋势 二、动力电池回收再利用的重要性 三、多级利用过程中遇到的困难 四、如何解决动力电池的再利用难题 9 背景锂离子动力电池较之于铅酸电池，镍氢电池，超级电容等储能方案，具有鲜明的优势，已被国内外汽车工业界广泛认可，也是目前最适合电动汽车产业化的储能解决方案。锂离子动力电池系统作为电动汽车的核心零部件，其成本占整车成本的三分之一甚至更多，如何有效降低锂离子动力电池系统应用成本，将成为业界面对的一项关键挑战；同时锂离子动力电池内部结构复杂，单体电池一致性较差，如何有效保证动力电池系统在梯次利用过程中的可靠性，提升客户使用满意度也是一项非常重要工作。动力电池回收和再利用的目的1. 以降低动力电池系统在电动汽车上的应用成本，提升电动汽车产品质量和客户满意度为目标，推动锂离子动力电池产业化以及锂离子电池再利用行业和循环经济模式的可持续发展；2. 通过对锂离子动力电池系统运行数据的实时收集和分析，建立科学、可靠的锂离子动力电池系统性能和寿命评估体系；通过保养维护来确保锂离子动力电池系统的安全性和可靠性；3. 通过对锂离子动力电池系统全生命周期的多次利用和材料回收修复的关键技术研发，建立多级利用核心部件及关键材料循环利用经济模式。动力电池 -模块 -系统成本变化和占比情况 12 分析对象以磷酸铁锂电池为对象，三元材料电池材料略高10-15 100Ah能量型磷酸铁锂电池成本构成（采用自动化生产方式）逐年成本的下降以及各种费用占比2007年 2014年 2018年 2020年1 电芯 3元 /Wh 1.8元 /Wh 1.0元 /Wh 0.8元 /Wh 材料（包括正负极材料、隔膜、电解液、外壳、连接件） 65 75 80 86 动力费 10 6 4 3 设备折旧 15 11 7 4 人工 5 4 3 3 其它 5 5 5 4 2 模块 0.4元 /Wh 0.35元 /Wh 0.2元 /Wh 0.10元 /Wh 材料（包括模块外壳、连接件、紧固件） 60 65 70 80 其它 40 35 30 20 3 电池组 0.7元 /Wh 0.5元 /Wh 0.2元 /Wh 0.2元 /Wh 材料（传感器、 BMS、散热系统、紧固件、结构件、电缆、测试 70 75 80 85 其它 30 25 20 15 4 合计电池系统价格 4.1元 /Wh 2.65元 /Wh 1.4元 /Wh 1.10元 /Wh l加强环境保护、实现可持续发展的客观需要。从其化学组成成份看，电池都含有一些金属和电解质，如果处置不当，都会给生态、环境和公众健康带来危害。这一工作，对于加强环境保护、实现可持续发展至关重要。2促使资源再利用、建设节约型社会的客观需要。研究表明，电池中含有可以回收的锂、钴、锰、镍等有价值金属，其外包装也有一些可以回收的材料。使其资源再生利用，对于建设节约型社会必将发挥重要作用。3落实科学发展观、发展绿色循环经济的必然趋势。科学合理地回收利用废旧电池，走循环经济发展之路，促使其向减量化、资源化、无害化发展，不仅可以减少污染，而且可以变废为宝，既可以为企业带来显著的经济效益，也可以产生极大的环境效益和社会效益。4加强技术创新、建设创新型社会的客观要求。现实中回收利用不理想的主要原因，还是一些技术难题没有解决，处理成本较高，难以产生较大的经济效益。只有加强回收利用的技术创新，建立健全自主创新体系，在研发、投入、管理方面下功夫，才能达到目的。梯次利用和环保回收的重要性国内潜在储能市场需求对于国家 “ 十三五 ” 规划中的七大重点行业之一新能源行业而言，相关的储能电池（风能、太阳能和生物能）的需求，更远远高于新能源汽车电池需要，储能电池年需求将达到 50GWh。目前年市场份额达 200多亿元的通讯基站，也正在考虑从铅酸电池转为锂离子电池，其年需求也将多达 40GWh。另外，梯次利用的一个巨大潜在市场是低速电动车，该市场也正处在从铅酸电池到锂离子电池的转型，其年需求也将超过 10-20GWh。废旧锂电池的资源性和对环境的危害性必须得到重视 无论一次锂电池或二次锂电池，均含有的多种金属，以及电解液、有机溶剂和电池循环过程中产生的副产物都将对环境造成污染。 就目前而言，锂离子电池回收工艺众多，但主要有两种方法最为常见，即火法和湿法。在回收和处理过程中，存在着一些问题，比如在废旧电池的收集、贮存、拆解和回收过程中容易产生二次污染，特别是废气的产生、及废渣、废酸、废碱的随意排放，成为二次环境污染的主要原因。 废旧锂离子电池的电解质进入环境中，可发生水解、分解等化学反应，产生氢氟酸、含磷化合物 ,造成氟污染。电池的溶剂经过水解、燃烧分解等化学反应，生成甲醛、甲醇、乙醛、乙醇、甲酸等小分子有机物，这些小分子物质易溶于水，可造成水源污染。电池中其它物质进入环境中可造成有机物污染。资源存在不可持续的风险 1）钴资源问题 钴主要蕴藏在刚果民主共和国等中非地区，除此之外，似乎在其他任何地方都找不到。 “ 钴最大的挑战之一就是它只蕴藏在一个国家 ” 。 地处非洲中部的刚果民主共和国（以下简称刚果（金））是全球最大的钴生产国，全球 54左右的钴（约 6.6万吨）供应都来源于此。 在干旱贫瘠的非洲大陆深处，人们正在全球最大的铜矿带上打破石块，寻找新时代的 “ 石油” 用于锂电池正极材料的稀有金属 “ 钴 ” 。 这些富含钴的大块岩石被开采后，随后被送往欧美和中国的炼矿厂，并最终进入一些大型汽车公司的复杂供应链。资源存在不可持续风险 然而，刚果（金）的矿产虽获垂涎，但该国政治的不稳使得全球钴资源供应链十分脆弱。 今年年初该国矿业法修订，大幅调高开采权费用，令当地矿场成本大增。 作为制造锂电池必要的金属原料，钴被广泛应用于电动车、 3C消费电子产品等领域，钴是用于新能源汽车三元锂电池正极材料生产。 国土资源部公布的全国矿产资源储量通报中显示我国钴储量基础为 7.99万吨，资源量为 56.6万吨，具有开采意义的储量为 4.21万吨。但我国钴资源储量仅占全球总量的 1，钴资源十分短缺。 在钴的资源方面，我国钴产量比锂资源更少，但却是钴消费大国，对外依存极高，供应链风险较大。资源存在不可持续风险 2）在钴的开采过程中存在的问题 近年来，锂钴等矿产品在行业内可谓 “ 红得发紫 ” 。随着世界争相用清洁能源替代化石燃料，提取锂和钴等电池成分带来的环境影响成为一个严峻的问题。当地锂矿的有毒化学品泄漏对生态系统造成了严重破坏。随着当地采矿业活动的急剧增加，当地环境在不断恶化。 并不 “ 绿色 ” 的锂矿 在南美洲，最大的问题是水。该大陆的锂矿分布三角区覆盖了阿根廷、玻利维亚以及智利的部分地区。在当地的厚厚盐层之下，拥有世界上超过一半的锂金属矿藏。这里也是地球上最干燥、缺水的地方之一。这是一个真正的问题，矿工将富含矿物质的盐水泵出地表，然后矿场会让这种矿物质水蒸发几个月，首先制成锰，钾，硼砂和锂盐的混合物，然后将其过滤并放入另一个蒸发池中，依此循环往复。经过 12到 18个月的过滤之后，就可以从这种混合物中提取出碳酸锂。资源存在不可持续风险 这种方法相对比较便宜和有效，但在整个过程中要使用大量的水。在智利的阿塔卡马省，采矿活动消耗了该地区 65的水。这对当地农民的生产活动产生了巨大的影响。 即便在水资源丰富的地区也情况堪忧。锂矿的有毒化学品极有可能从蒸发池泄漏到供水系统中。这些有毒化学品包括用于将锂元素加工成可出售形式的盐酸，以及在每个阶段从盐水中过滤掉的那些废物。 在澳大利亚和北美洲，通常使用更传统的方法从岩石中开采出锂元素，但仍然需要使用化学品才能提取出可用的锂。内华达州的研究发现，锂加工作业对鱼类的影响远至下游 150英里。 根据环保组织的报告，提取锂不可避免地会损害土壤并导致空气污染。 2 0 2 0年累计报废量或达2 0万吨动力电池回收待破解 据统计 2017年中国新能源汽车累积销量达 180万辆， 2018年市场销量预计在100万辆左右。动力电池的使用年限一般是 5～ 8年，从 2019年开始，我国动力电池将进入大规模的报废期，到 2020年，中国汽车动力电池每年的报废量预计将达到 20万吨的规模，并且随着新能源汽车的发展和时间的推移，动力回收的压力会越来越大。 由于回收企业收到的电池包括各种形态、尺寸、规格、封装形式，使得拆解时涉及到多种难题，企业很难实现大规模批量化拆解，动力电池回收利用面临难以大规模实现的现状。 成本和盈利问题无疑是电池回收的主要障碍，回收工艺成本高，回收价值低，使得很多企业和资本望而却步，而且像负极、锰酸锂、磷酸铁锂系等正极材料本身价格就偏低，没有回收的经济推动力，很难保证动力电池的回收率以及资源和环保。所以，一定要开发出低能耗、环保的材料分解方法题目 一、储能电池产业发展趋势 二、动力电池回收再利用的重要性 三、多级利用过程中遇到的困难 四、如何解决动力电池的再利用难题 21 退役动力电池在储能梯次利用的困难 动力电池再利用有两个含义，即电池再次使用和材料回收再利用。动力电池在储能上梯次利用确实存在一些问题，目前有两种观点  观点 1、从节约成本、绿色发展的角度，将在电动汽车上使用过的退役动力电池用于储能，可以体现出动力电池全生命周期的价值（如果不能实现低成本梯次利用，就没有价值），也可以节约一些成本，并让锂离子电池真正做到 “ 绿色 ” ； 观点 2、从技术角度考虑，认为经过在电动汽车上动力系统中的使用，电芯性能已有很大改变，再用于储能系统，电芯性能方面会存在各种问题，而解决这些问题又会增加更多的成本投入。（事实如此） 1、低成本梯次利用困难重重 动力电池理论上是可以回收梯次利用的，但是为什么到目前还没有成功的案例  问题出在了动力电池的产品结构和生产工艺设计上，许多企业为了提高电池组工作的可靠性，采用激光焊接工艺将电池串联起来，或者采用螺栓紧固方法。这样的连接结构造成动力电池梯次利用的难度，用户采用旧电池重新组装成电池组的成本过大，阻碍了动力电池的梯次利用。 应该鼓励企业采用提高电池循环寿命的工艺，提高附加值。 我们要为了实现动力电池回收梯次利用的目标，在动力电池产品结构设计上和生产工艺方面要进行大胆的改进，要方便电池组的拆和装，以及维修保养，通过自动化组装设备缩短电池组装的时间，为动力电池的低成本梯次利用提供可能性 这里面包含自动化组装、快速、电池位置调整、低电阻连接结构、长寿命、可维护保养、寿命预测、安全性、可靠性  动力电池退役时，是整个 pack从车上拆解下来的。不同的车型有不同的电池 pack设计，其内外部结构设计，模组连接方式，工艺技术各不相同，这意味着很难用一套流水线进行所有的电池 pack和内部模组的拆解。那么，在电池拆解方面，如何进行柔性化的配置，针对不同的电池 pack，将拆解流水线进行分段细化，这就是一个需要解决的难题2、动力电池拆解技术难题待解决特斯拉电动车的动力电池系统结构国内有许多企业想学习特斯拉的电池系统结构，在学习的过程中都感觉到特斯拉的动力电池系统非常难以拆解。 26  下面这个新结构是电池组空间利用率比较高的典范。这与电芯的结构设计至关重要。 但是在拆解过程中也是困难重重国内外软包装电池的组合与连接同样难拆各个企业开发的电池包题目 一、储能电池产业发展趋势 二、动力电池回收再利用的重要性 三、多级利用过程中遇到的困难 四、如何解决动力电池的再利用难题 29 客户需求 30EPC公司电网装备公司车企设备商其他能源公司新能源发电储能客户高可靠性、标准化方案、可批量复制，关注成本。定制产品、干预产品研发，关注安全。履行电池回收责任，挖掘梯次电池剩余价值。寻求稳定合作商。移动式储能、小型储能、备用电源等。政策压力，调节性能好，标准化方案。定制标准化方案。