电动汽车使用的电池,是由一节一节的单体电池——也就是所谓的电芯所组成的。许多电芯经过串联、并联组成电池模块,许多电池模块再加上管理系统、冷却系统、控制系统,才能最终组成了装在汽车上的电池包。
尽管按照同样的方法生产组装,但每一个电芯的性能是略有差异的。组装到电池模块里之后,其使用情况也不尽相同。到了报废的时候,电池模块的容量下降到了 80%,但具体到每一个电芯上,剩余的电量却有高有低。
图|电动汽车里的电池,是由电芯、电池模块、电池包三级结构组成的。梯级利用需要把三级结构层层拆开,再分类重组。(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)
如果一节单体电池的容量已经非常低了,超期服役会发生电池容量的突然衰减,俗称“跳水”。跳水可能会导致电池膨胀、起火等安全事故的发生,威胁到电池模块、甚至整个用电系统的安全运行。就算没有跳水,电池的寿命也“大限将至”,无法按照设计发挥应有的作用。
因此,要想对动力电池进行有效的梯级利用,就必须把每一个电芯都从严密包裹着的电池包、电池模块里拆出来,对其容量、电阻等性能进行充分测量,根据这些参数分析出每一个电芯的实际性能,再将性能相近的电池重新组成新的电池模块。这个过程几乎相当于把电池模块重新设计和生产了一次。
而且,这个重新生产的过程还很难实现规模化。且不说不同批次、厂家的电池规格、材料不尽相同,这些电芯甚至连形状都有可能不一样——电芯可以是普通干电池那样的圆柱形,也可以是方的、扁的…… 这样一来,尽管二手电池的电芯成本比全新电池要低,但对不同批次、甚至不同厂家生产的电池包进行彻底的拆解,对每一个电芯进行检测,再分类、筛选,组装成全新的电池模块,工作量巨大,成本也很高。
此外,动力电池和储能电池的设计要求本身就不一样。动力电池要求更高的能量密度,毕竟一辆车可以携带的电池重量有限,必须尽可能地提高可以储存的电量;但储能电池、备用电源电池对空间的要求就没那么高了,更多的是需要有更长的寿命。太阳能光伏电池的寿命动辄二三十年,与之配套的储能电池如果要频繁更换,会严重增加储能电站的成本。
图|动力电池再利用,说起来容易做起来难。(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)
而且,由于本来就是二手电池,其寿命天然就比新电池要短。最后算下来,二手电池到底划不划算,一直是一个问号。
目前,业界普遍认为,报废动力电池用在低速电动车、通信基站上,还是可以接受的。
但大家最期待的,是将二手动力电池用于新能源储能。储能技术被认为是能源转型的瓶颈、应对气候变化的关键,大多数电池专家都认为,全新的锂电池并不能满足要求,需要研发新的化学储能原理来让电池拥有更低的成本和更高的寿命。至于二手动力电池能不能在保证使用寿命的前提下有效降低成本,则一直众说纷纭,没有确切的答案。
麻省理工大学的这篇论文,就针对这个问题给出了自己的解读。
为了评估使用电池进行储能的经济效益,研究人员假设了一座位于美国加利福尼亚州的 2.5MW 的光伏电站。并按照加州的政策法规、商品的服务和价格,对比了三种情况下的成本和收益。这三种情况分别是:1)不安装电池,2)安装全新电池,3)安装只剩 80% 容量的二手动力电池。
为了估计电池的容量随着时间推移的衰减程度,他们使用了一个基于实际数据的半经验模型。这个模型考虑了电池内部固体 - 电解质之间界面的非线性增长、随着使用年限带来的容量衰减,以及随着循环寿命的增加带来的容量衰减,以及电池的使用温度。之前的研究发现,这个模型可以非常准确地估计各种锂离子电池的容量衰减程度。
图|尽管锂电池用作光伏储能十分困难,但二手锂电池让这件事变得有可能。(来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)
经过计算,研究人员发现,如果不严格控制二手电池的使用方式,其容量衰减将会很快,经济性也会很差。
但若是严格控制二手电池的充放电深度,高不超过 65%,低不低于 15%,那么电池容量的衰减将会变得很慢。假设电池容量衰减到 60% 就要彻底报废,那么二手动力电池作为光伏储能的使用寿命会长达 16.1 年。这个年限只比拥有 100% 初始容量的全新电池短一年多。
在这种情况下,只要二手电池的成本低于新电池的 80%,其所能带来的收益就将高于新电池。不过,这并不意味着二手电池用作光伏储能就是划算的。若是要保证顺利收回建设光伏电站和储能设施的投资,需要让二手电池的成本低于新电池的 60%。
换句话说,如果想要通过动力电池梯级利用的方式,实现锂电池应用于大规模光伏储能的设想,二手电池的成本必须比新电池低四成,具体使用过程中还需要严格控制其充放电深度。
图|麻省理工校友企业 Rivian 已经开始设计方便回收再利用的电池(来源:MIT News)
如果要做到这一点,从政府到企业都得再下功夫。其中最重要的,是电池的生产和检测必须标准化,确保不同厂家、不同批次的电池可以用同样的方式大规模拆解、检测、重组。麦肯锡的一则报告估计,到2030 年,动力电池梯级利用的规模将可以满足一半的新能源储能消纳的需求。但前提是,那时的电池必须用 “以终为始” 的态度,降低二手电池的加工成本,最大化地利用每一节电池的价值。
麻省理工大学博士后 Ian Mathews 表示,电动汽车的生产商、电池生产商、光伏电站等各利益相关方都应该“坐下来好好讨论一下”,因为动力电池梯级利用为光伏电站提供储能这件事,“真的可行”。