退役車用動(dòng)力電池回收處理模型參數(shù)分析案例對(duì)于退役車用動(dòng)力電池，本研究從電池的化學(xué)體 (constantpower,CP)等。車用工況指在道路上行駛時(shí)電池所處的工況，由于目前技術(shù)手段限制，對(duì)道路行駛車輛所處的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定的技術(shù)尚未發(fā)展成 (ChinaAutomotiveTestingCycle,CATC)等。家和地區(qū)、不同的行駛環(huán)境(城市、城郊、鄉(xiāng)村等)下，電動(dòng)汽車在行駛中所處價(jià)指標(biāo)。常用的電池性能參數(shù)包括開(kāi)路電壓(open-circuitvoltage,OCV)、端電在車用動(dòng)力電池中，一般以石墨作為負(fù)極、以各類LXO作為正極(表示正極活潑金屬，如Fe、Mn、Ni?-x-vCoMn等),各類鋰離子電池的OCV在3.2~3.8V的范圍內(nèi)。OCV是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，隨著SoC的變化而變化，一般地SoC越低，OCV越低。端電壓指的是在有外接用電器(有外阻存在)的情況下，電池兩端的電壓，電池端電壓的計(jì)算方法為V.=OCV-Rl,因此電池端電壓與放電時(shí)間有關(guān)，典型的放電端電壓曲線見(jiàn)圖2.1,開(kāi)始時(shí)端電壓比較穩(wěn)定，基本不隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，隨后迅速下降。電流與放電倍率是電池電流的兩種描述方式，電流為絕對(duì)數(shù)值，單位為安培(A),而放電倍率為相對(duì)數(shù)值，定義為電池x小時(shí)從滿電狀態(tài)均勻放電至空電狀態(tài)，則其電流倍率為1/xC。一般地，電動(dòng)汽車電池平均工作電流為0.33C,最大工作電流為1C。容量、SoC、能量均與電池電量有關(guān)：電池容量指的是電池的標(biāo)稱可用容量，單位為安時(shí)(Ah);SoC指的是電池的荷電狀態(tài)，等于可用容量與標(biāo)稱容量的比值；電池能量取決于電池容量與電壓，單位為瓦時(shí)(Wh)。直流內(nèi)阻指電池工作中自身的阻抗，與電池的SoC、溫度、采樣頻率等有關(guān)，內(nèi)阻反應(yīng)電池對(duì)電流的拮抗作用，會(huì)造成電功損失，但是適當(dāng)?shù)膬?nèi)阻能夠保護(hù)電池的熱管理。SoH描述電池的容量衰減程度，也就是當(dāng)前容量與初始容量的比值，電池老化的影響因素呈現(xiàn)多應(yīng)力的特點(diǎn)，受到熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的影響。OCV(V) OCV(V)電池設(shè)計(jì)參數(shù)則是在設(shè)計(jì)電池的環(huán)節(jié)中需要考慮的電池物料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝等參數(shù)，按照尺度可劃分為顆粒層次、電極層次、單體層次與系統(tǒng)層次。顆粒層次(particle)一般指1nm~10μm范圍內(nèi)的微粒，微粒設(shè)計(jì)會(huì)影響電池性能中的電池容量，提供熱力學(xué)上的理論最大值。顆粒層次上的核心問(wèn)題是制備與合成，控制產(chǎn)物的形貌、均勻性、制造過(guò)程成本、制造過(guò)程環(huán)保性等。電極層次 (electrode)一般指μm~mm范圍內(nèi)的電極層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電極層結(jié)構(gòu)在宏觀上呈現(xiàn)為厚度與平面面積的指標(biāo)，而微觀尺度上需要考慮設(shè)計(jì)孔隙率(電解液的體積分?jǐn)?shù))e、活性物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)AM、添加劑體積分?jǐn)?shù)f以及顆粒平均半徑、曲折系數(shù)等。這些因素影響了熱力學(xué)能量的利用率，即實(shí)際動(dòng)力學(xué)的表現(xiàn)。在電極微觀的多孔結(jié)構(gòu)中，發(fā)生電池內(nèi)部的主要過(guò)程，電極的結(jié)構(gòu)特征決定了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)展，進(jìn)展的順暢程度決定了電池達(dá)到截止電壓前可實(shí)際釋放的能量。單體層次(battery)一般指cm~m范圍內(nèi)的電池單體設(shè)計(jì)，電池單體的熱電耦合效應(yīng)經(jīng)尺度擴(kuò)大后的產(chǎn)熱、內(nèi)部傳熱、對(duì)外散熱過(guò)程形成了電池的溫升與溫差，溫度效應(yīng)反過(guò)來(lái)影響電池的電性能表現(xiàn)，過(guò)高或過(guò)低的溫度對(duì)電池的壽命與安全性均會(huì)產(chǎn)生顯著影響。系統(tǒng)層次(system)指在m層次上的整體車用動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要納入單體間差異性，形成新的邊界條件，其核心問(wèn)題在于設(shè)計(jì)邊界條件并實(shí)現(xiàn)控制。電池設(shè)計(jì)的最終目的是實(shí)現(xiàn)高安全性、長(zhǎng)壽命、高能效的綜合協(xié)同。在本研究中，主要關(guān)注電池在使用過(guò)程及回收后的過(guò)程中體現(xiàn)的性能，即主要聚焦于影響電池使用表現(xiàn)的參數(shù)及設(shè)計(jì)電池使用表現(xiàn)的各項(xiàng)參數(shù)。在本模型中，經(jīng)過(guò)對(duì)各種參數(shù)的綜合了解及系統(tǒng)計(jì)算后，共推導(dǎo)、計(jì)算并使用以下四項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行模型中動(dòng)力電池的描述。(1)化學(xué)體系電池的反應(yīng)原理為電化學(xué)反應(yīng)，其基本要素包括：正極、負(fù)極、電解液，正極側(cè)的電解池內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極側(cè)的電解池內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)，在電解池及外接電線中發(fā)生電子的定向流動(dòng)，即電流。對(duì)于目前電動(dòng)汽車上居主流的鋰離子電池而言，在正負(fù)極上發(fā)生的是鋰離子的脫嵌反應(yīng)，鋰離子在電解池內(nèi)由正極側(cè)流向負(fù)極側(cè)，形成電流。在反應(yīng)中，正極材料發(fā)生價(jià)態(tài)變化，負(fù)極材料發(fā)生鋰離子的脫嵌，二者均不會(huì)改變主要結(jié)構(gòu)，僅發(fā)生少量的體積漲縮。目前常見(jiàn)的車用鋰離子電池主要有：磷酸鐵鋰電池(LiFePO?/C,LFP)、錳酸鋰電池 (LiMn?O4/C,LMO)、鎳鈷錳三元鋰電池(Li(Ni?-x-vCoMn,)O?/C,NCM),其內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要如下：磷酸鐵鋰電池：充電：放電：錳酸鋰電池：充電：放電：鎳鈷錳三元鋰電池：充電：放電：由于目前市場(chǎng)上磷酸鐵鋰電池和鎳鈷錳三元鋰離子電池的所占比例較高，且是未來(lái)前沿研究中較為看好的主流車用動(dòng)力電池研究方向，故在本研究中，主要對(duì)LFP和NCM進(jìn)行研究?；瘜W(xué)體系是電池的基本屬性，對(duì)電池的其他各項(xiàng)參數(shù)做了基本的范圍限定，在回收處理過(guò)程中其化學(xué)體系不會(huì)被改變。此外，電池的化學(xué)體系決定對(duì)電池的回收處理技術(shù)中使用工藝流程的不同，因此化學(xué)體系對(duì)回收處理模型中的技術(shù)應(yīng)用也有著重要的指導(dǎo)意義。健康狀態(tài)即SoH,指的是電池的當(dāng)前容量與初始容量的比值。健康狀態(tài)的變化受到全方面因素的影響，包括化學(xué)體系、使用工況、循環(huán)次數(shù)等。其中化學(xué)體系和循環(huán)次數(shù)與健康狀態(tài)的關(guān)系可用SoH曲線圖進(jìn)行描述。如圖2.2所示，可以看出SoH曲線整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在0~100的循環(huán)次數(shù)中，SoH下降較快，隨后平穩(wěn)下降，直至某一點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)突然快速下降，這一點(diǎn)被稱為“跳水點(diǎn)”,SoH——I根據(jù)目前國(guó)家和企業(yè)對(duì)車用動(dòng)力電池的退役要求，當(dāng)電池的SoH降低至80%時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行報(bào)廢處理。但是目前的技術(shù)手段尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池SoH的無(wú)拆卸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)定了車用動(dòng)力電池統(tǒng)一的報(bào)廢使用年限。實(shí)際上，這一年限的設(shè)置是基于各類型電池的報(bào)廢時(shí)間統(tǒng)計(jì)，設(shè)定達(dá)到此年限時(shí)僅有小部分的動(dòng)力電池已達(dá)到報(bào)廢水平，否則，若設(shè)定時(shí)間延長(zhǎng)，電池在使用期間性能發(fā)生“跳水”的概率增高，電動(dòng)汽車的安全性將會(huì)下降。此外，動(dòng)力電池的SoH曲線本質(zhì)也是眾多統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的擬合曲線，實(shí)際上同一化學(xué)體系、同一技術(shù)參數(shù)、同一型號(hào)的電池間的SoH曲線也會(huì)有所不同。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值的時(shí)候，其SoH可能處在一個(gè)較大的范圍內(nèi)，因此可能出現(xiàn)同一循環(huán)次數(shù)下，部分電池尚在平穩(wěn)運(yùn)行而部分電池已經(jīng)“跳水”的情況。故對(duì)于動(dòng)力電池SoH降至80%進(jìn)行報(bào)廢回收的政策要求也是基于此時(shí)僅有極少數(shù)的電池發(fā)生了“跳水”的要求而設(shè)定的。因此當(dāng)電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)突破時(shí)，通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池SoH的監(jiān)測(cè)，電池的使用壽命將會(huì)可預(yù)期地有所延長(zhǎng)。(3)能量密度電池的能量密度指電池的單位體積或質(zhì)量(一般用質(zhì)量)所釋放出的電能，即電池能量與電池整體質(zhì)量的比值。由于在放電狀態(tài)下，內(nèi)阻的存在以及所處工況的限制，放電過(guò)程中端電壓也會(huì)隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，電池的實(shí)際放電能量低于理論放電能量，因此一般用電壓對(duì)容量的積分計(jì)算電池能量。一般地，車用動(dòng)力電池的容量密度使用單位為毫安時(shí)/克，記作mAA/9;電池質(zhì)量能量密度使用單位為瓦時(shí)/千克，記作故系統(tǒng)能量密度低于單體電芯能量密度。本研究中能量密度指的是系統(tǒng)能量密子電池儲(chǔ)電材料中，石墨的理論克容量為372mAh/9,磷酸鐵鋰的理論克容量為160mAh/9,三元材料鎳鈷錳的克容量約為200mAh/9,故正能量密度的突破是車用動(dòng)力電池乃至電動(dòng)汽車發(fā)展的重點(diǎn)與突破點(diǎn)。根據(jù)《中國(guó)制造2025》中對(duì)動(dòng)力電池的發(fā)展規(guī)劃，2020年電池單體電芯能量密度應(yīng)達(dá)到300Wh/kg,2025年達(dá)到400Wh/kg,2030年達(dá)到500Wh/kg。能量密度的提高能夠在不增加電池系統(tǒng)質(zhì)量的前提下，增大電池電池的循環(huán)壽命指電池在滿足一定規(guī)定條件下能夠達(dá)到的最大充放電循環(huán)同，因此循環(huán)壽命亦與電動(dòng)車主的充放電行為有關(guān)，即充放電深度(DepthofCharge/Discharge,DoC/DoD)。電池的循環(huán)壽命為充放電次數(shù)與充放電深度的乘積之和，也就是充放電深度為100%時(shí)動(dòng)力電池能夠經(jīng)歷的充放電次數(shù)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，動(dòng)力電池的電芯和模組在500次完整循環(huán)后SoH不低于90%,在1000次循環(huán)后SoH不低于80%。目前的三元材料循環(huán)次數(shù)約為800次，磷酸鐵鋰電池循環(huán)次數(shù)約為2500次。的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)苛地定為2~3年。未來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)充放電行為及電池循耗系數(shù)，輸出端包含：動(dòng)力電池各項(xiàng)參數(shù)(冶金回收無(wú)輸出動(dòng)力電池)、技術(shù)過(guò)型實(shí)現(xiàn)了從輸入動(dòng)力電池到輸出動(dòng)力電池和物質(zhì)并評(píng)價(jià)過(guò)程中的能源損耗和環(huán)(1)物質(zhì)損耗工業(yè)年鑒2018》以及