PAGE8退役車用動力電池回收處理模型參數(shù)分析案例對于退役車用動力電池，本研究從電池的化學(xué)體系、健康狀態(tài)、能量密度、循環(huán)壽命的角度進(jìn)行描述并作為輸入，通過梯次利用、修復(fù)再生、冶金回收的方法建立模型，輸出電池的相應(yīng)參數(shù)，輸出經(jīng)過回收處理技術(shù)處理后的二次電池相應(yīng)參數(shù)，以及從環(huán)境效益、能源效益進(jìn)行計(jì)算的評價指標(biāo)。通過這個模型，可以定量評價不同回收處理技術(shù)的影響與效果，從而為選擇技術(shù)手段提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。1.1電池參數(shù)對于一塊電池而言，對電池進(jìn)行描述的參數(shù)有很多。按照對電池描寫的角度不同，可以分為：環(huán)境工況參數(shù)、電池性能參數(shù)和電池設(shè)計(jì)參數(shù)。環(huán)境工況參數(shù)指電池在使用過程中所處的外部環(huán)境及使用工況，外部環(huán)境包括所處溫度、熱交換條件、振動、濕度、水平高度、壓力等。使用工況則指的是電池在工作時所處的內(nèi)部情況，按照工作條件的不同可分為實(shí)驗(yàn)室工況、車用工況等。實(shí)驗(yàn)室工況指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定電池各項(xiàng)參數(shù)時所設(shè)定的固有工況，常用實(shí)驗(yàn)室工況有恒流（constantcurrent,CC）、恒壓（constantvoltage,CV）、恒功率（constantpower,CP）等。車用工況指在道路上行駛時電池所處的工況，由于目前技術(shù)手段限制，對道路行駛車輛所處的工況進(jìn)行實(shí)時測定的技術(shù)尚未發(fā)展成熟，故全球各國目前使用各種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況模擬道路工況，例如：歐盟國家使用的新歐洲駕駛循環(huán)（NewEuropeanDrivingCycle,NEDC）、美國使用的環(huán)境保護(hù)署制訂的城市測功機(jī)駕駛循環(huán)（EnvironmentProtectionAgencyUrbanDynamometerDrivingSchedule,EPAUDDS）、中國使用的中國乘用車測試循環(huán)（ChinaAutomotiveTestingCycle,CATC）等。不同的車用工況刻畫了在不同國家和地區(qū)、不同的行駛環(huán)境（城市、城郊、鄉(xiāng)村等）下，電動汽車在行駛中所處的實(shí)際工況被概括、歸納成的整體循環(huán)情況，它描述了發(fā)布國家及其交通特點(diǎn)，主要的總體參數(shù)有時長、距離與平均速度。依據(jù)道路工況，根據(jù)整車動力學(xué)模型，將整車需求轉(zhuǎn)換為對動力系統(tǒng)的需求；根據(jù)動力系統(tǒng)構(gòu)型，將動力系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)換為對電池包的需求；根據(jù)電池包連接方法和參數(shù)，將電池包需求翻譯到單體，實(shí)現(xiàn)從道路工況到電池運(yùn)作的過渡。電池性能參數(shù)指影響電池表現(xiàn)出的性能的各項(xiàng)內(nèi)部指標(biāo)，是對用戶而言的評價指標(biāo)。常用的電池性能參數(shù)包括開路電壓（open-circuitvoltage,OCV）、端電壓（terminalvoltage,Vt）、電流與放電倍率、容量、SoC、能量、直流內(nèi)阻、SoH、能效等。開路電壓指電池在開路狀態(tài)下的端電壓，即沒有電流通過電池兩極時，電池的正極電極電勢與負(fù)極電極電勢之差，可用標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位進(jìn)行計(jì)算。在車用動力電池中，一般以石墨作為負(fù)極、以各類LXO作為正極（X表示正極活潑金屬，如Fe、Mn、Ni1?x?yCoxMny圖3.1車用動力電池開路電壓（OCV）與放電時間的關(guān)系曲線電池設(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題是制備與合成，控制產(chǎn)物的形貌、均勻性、制造過程成本、制造過程環(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)）εe、活性物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)εAM、添加劑體積分?jǐn)?shù)εf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)部的主要過程，電極的結(jié)構(gòu)特征決定了化學(xué)反應(yīng)過程的進(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）一般指在本研究中，主要關(guān)注電池在使用過程及回收后的過程中體現(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)過對各種參數(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)行模型中動力電池的描述?；瘜W(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，即電流。對于目前電動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)生價態(tài)變化，負(fù)極材料發(fā)生鋰離子的脫嵌，二者均不會改變主要結(jié)構(gòu)，僅發(fā)生少量的體積漲縮。目前常見的車用鋰離子電池主要有：磷酸鐵鋰電池（LiFePO4/C,LFP）、錳酸鋰電池（LiMn2O4/C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，且是未來前沿研究中較為看好的主流車用動力電池研究方向，故在本研究中，主要對LFP和NCM進(jìn)行研究?；瘜W(xué)體系是電池的基本屬性，對電池的其他各項(xiàng)參數(shù)做了基本的范圍限定，在回收處理過程中其化學(xué)體系不會被改變。此外，電池的化學(xué)體系決定對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)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，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)時出現(xiàn)突然快速下降，這一點(diǎn)被稱為“跳水點(diǎn)”，SoH的快速下降的現(xiàn)象被稱為“跳水”。圖3.2車用動力電池健康狀態(tài)SoH與電池循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線根據(jù)目前國家和企業(yè)對車用動力電池的退役要求，當(dāng)電池的SoH降低至80%時，應(yīng)當(dāng)對電池進(jìn)行報(bào)廢處理。但是目前的技術(shù)手段尚不能實(shí)現(xiàn)對電池SoH的無拆卸實(shí)時監(jiān)測，因此根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)定了車用動力電池統(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)廢時間統(tǒng)計(jì)，設(shè)定達(dá)到此年限時僅有小部分的動力電池已達(dá)到報(bào)廢水平，否則，若設(shè)定時間延長，電池在使用期間性能發(fā)生“跳水”的概率增高，電動汽車的安全性將會下降。此外，動力電池的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)、同一型號的電池間的SoH曲線也會有所不同。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值的時候，其SoH可能處在一個較大的范圍內(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。故對于動力電池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)測技術(shù)突破時，通過對動力電池SoH的監(jiān)測，電池的使用壽命將會可預(yù)期地有所延長。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，放電過程中端電壓也會隨著放電時間的延長而下降，電池的實(shí)際放電能量低于理論放電能量，因此一般用電壓對容量的積分計(jì)算電池能量。一般地，車用動力電池的容量密度使用單位為毫安時/克，記作mAh/g；電池質(zhì)量能量密度使用單位為瓦時/千克，記作Wh/kg。能量密度可從兩個維度進(jìn)行說明，單體電芯能量密度為單個電芯級別的能量密度，而系統(tǒng)能量密度是指單體組合成系統(tǒng)后整個電池系統(tǒng)的能量和整個電池系統(tǒng)的質(zhì)量的比值，由于電池系統(tǒng)還包括電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等非動力單元，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)能量密度。能量密度的大小受到多方面影響，其中主要的因素是化學(xué)體系?，F(xiàn)有的鋰離子電池儲電材料中，石墨的理論克容量為372mAh/g，磷酸鐵鋰的理論克容量為160mAh/g，三元材料鎳鈷錳的克容量約為200mAh/g，故正極材料決定了單體電芯能量密度的下限。除此之外，生產(chǎn)工藝水平也會對能量密度產(chǎn)生影響。能量密度的突破是車用動力電池乃至電動汽車發(fā)展的重點(diǎn)與突破點(diǎn)。根據(jù)《中國制造2025》中對動力電池的發(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，增大電池系統(tǒng)的總能量，從而提高電動汽車的續(xù)航里程，對于電動汽車的推廣具有重要的積極作用。循環(huán)壽命電池的循環(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)次數(shù)。由于電池的使用工況、使用頻率、使用時長在不同電動汽車車主手中不盡相同，因此對于電池壽命使用日歷時間進(jìn)行描述方差較大，故選擇與電池充放電相關(guān)的循環(huán)壽命作為主要的電池壽命描述方式。由于不同電動車主的充電習(xí)慣不同，因此循環(huán)壽命亦與電動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%時動力電池能夠經(jīng)歷的充放電次數(shù)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，動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。由于在實(shí)際使用過程中，對于電動汽車的充放電次數(shù)及充放電深度未做詳細(xì)的記錄與計(jì)算，故在市場中，仍經(jīng)常使用電池的日歷壽命作為車用動力電池報(bào)廢的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)苛地定為2~3年。未來隨著技術(shù)發(fā)展，對充放電行為及電池循環(huán)壽命的監(jiān)測成為可能，動力電池的壽命將會進(jìn)一步得到延長。1.2技術(shù)參數(shù)在本模型中，主要涉及三種不同的回收處理技術(shù)，分別為梯次利用技術(shù)、修復(fù)再生技術(shù)、冶金回收技術(shù)。三種技術(shù)在對廢舊電池的處理上側(cè)重于不同的處理思路，梯次利用技術(shù)意在充分利用動力電池跳水點(diǎn)前的循環(huán)壽命，修復(fù)再生技術(shù)對電池中的貴重正極材料進(jìn)行活性再生并充分利用其活性，冶金回收則是對動力電池正極、負(fù)極、電解液、隔膜、外殼等各組成部分進(jìn)行有效回收并投入二次生產(chǎn)進(jìn)行全面利用。各項(xiàng)技術(shù)共同點(diǎn)為技術(shù)模型的輸入端包含：車用動力電池各項(xiàng)參數(shù)、技術(shù)過程投入物質(zhì)與數(shù)量、技術(shù)過程經(jīng)歷工藝、物流成本及以上過程的損耗系數(shù)，輸出端包含：動力電池各項(xiàng)參數(shù)（冶金回收無輸出動力電池）、技術(shù)過程輸出物質(zhì)與數(shù)量、技術(shù)過程的各項(xiàng)能源損耗、技術(shù)過程的等效碳排放因子，模型實(shí)現(xiàn)了從輸入動力電池到輸出動力電池和物質(zhì)并評價過程中的能源損耗和環(huán)境影響。動力電池的各項(xiàng)參數(shù)如前文所述，其他技術(shù)參數(shù)包括物質(zhì)損耗、工藝技術(shù)、物流成本、碳排放因子等敘述如下。物質(zhì)損耗在生產(chǎn)、回收階段中，各項(xiàng)工藝流程中對原材料的投入產(chǎn)出比重有一定的損耗，該部分物質(zhì)損耗在工業(yè)上以產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算。各項(xiàng)工藝的產(chǎn)率參考《中國鋼鐵工業(yè)年鑒2018》以及中國的鋼鐵冶煉工廠數(shù)據(jù)，并與GREET模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)參考。工藝技術(shù)在生產(chǎn)、回收階段中，各項(xiàng)工藝流程存在能源消耗，例如高爐煉鋼、保溫?zé)崽幚淼?。各?xiàng)工藝流程的能源消耗以中國的電池生產(chǎn)廠商的能源消耗數(shù)據(jù)計(jì)算，并與GREET模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)參考。物流成本在生產(chǎn)、回收階段中，存在物流成本，可具