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MIT告訴你:報廢的電動汽車動力電池,能不能繼續給光伏做儲能?
2020-06-23 11:06
來源:Deep Tech深科技TB
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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 “梯級利用” 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,動力電池梯級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,動力電池梯級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,我國動力電池梯級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,盡管看上去梯級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。

  圖 | 電動汽車里的電池,是由電芯、電池模塊、電池包三級結構組成的。梯級利用需要把三級結構層層拆開,再分類重組。(來源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

 

  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級利用,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?;?。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。

  圖 | 盡管鋰電池用作光伏儲能十分困難,但二手鋰電池讓這件事變得有可能。(來源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

 

  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級利用的方式,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。

  圖 | 麻省理工校友企業 Rivian 已經開始設計方便回收再利用的電池(來源:MIT News)

 

  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,動力電池梯級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”,因為動力電池梯級利用為光伏電站提供儲能這件事,“真的可行”。

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