中國電科院楊凱：梯次利用電池在電力儲能的應用研究
圖為中國電科院楊凱在CBIS2018“鋰想”峰會上發表主題演講
戳此進入峰會官方專題，了解更多會議信息：“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)
2018年11月8日，以“新時代·破而立：前行中的產業轉折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動力電池應用國際峰會(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。中國電力科學研究院儲能電池本體技術研究室主任楊凱在峰會上發表主題演講，以下為主題演講內容。
中國電科院楊凱：
大家好！我來自于中國電力科學研究院，主要是做一些電化學儲能相關的工作。梯次利用我認為是橫跨動力電池領域和整個儲能領域的行業，我今天下午主要是介紹一下我們在梯次利用方面的部分工作。
三個方面：
第一，背景方面。梯次利用這個行業是比較火的，近幾年來熱度不斷提升，背景來說大家應該很清楚，近幾年電池退役的量急劇增加，我們判斷在2020年大概20GWh，2025年大概90GWh。從梯次利用定義來說就不多講了，說的簡單點就是，電動汽車利用完的在儲能上面繼續用。我這里想講的是，梯次利用電池主要應用的領域我們認為主要有三個方面：低速電動車、電網應用、通訊基站的應用。而在這三個場景當中，電網的應用又是它的主要應用場景。為什么這么說？因為電網應用的場景非常豐富，它能給不同狀態的梯次利用電池提供不同的應用場景，可以實現整個電池最大化的應用，所以我們認為電網的應用是梯次利用電池最主要的應用場景。
作為梯次利用的意義來說，簡單說來，兩個經濟因素、一個環保的意義。經濟上的意義，梯次利用電池延長整個電池的使用壽命，對于電動車這個方向來講，它的初次采購成本，如果考慮未來梯次利用的話，它的初次采購成本是有可能降低的。同樣，這樣的電池到了儲能這個行業肯定比新電池還是要便宜的，所以也能降低整個在儲能環節的成本。第三方面就是環保意義。
作為梯次利用來說，目前國內和國外主要的情況是這樣的，國內來說，做梯次利用有這么幾個主力，一個是車廠，像比亞迪、北汽，再一個是鐵塔公司，因為它的基站非常多，它是其中的一個，剛才我們說的通訊基站應用的主力，再就是電網公司，像國家電網、南網，再有就是一些民營企業。
國外來說，基本上是以汽車公司為主，他們應用為什么以汽車為主？因為汽車對整個電池的狀態是非常了解的，有先天的優勢，同時這些電池本身應用起來從產權到數據各方面都有先天的優勢，所以基本上是車廠在做一些主導。梯次利用電池來說，從技術這個層次開展的主要就是狀態的評估，簡單說就是一個電池拿到這兒以后，健康狀態是多少，還有多少容量，還能用多久，然后就是分選重組，然后就是電熱管理，安全管理，后面我會講到，安全管理應該是梯次利用電池當中我們認為是最關鍵的環節。因為大家也知道，近兩年，從2017年到現在，儲能的安全事故、召回事故非常多，電動車不妄下結論，但是儲能確實從去年到現在安全事故非常多。所以梯次利用的安全隱患比新電池安全隱患還要大。因此，在安全管理方面挑戰會更大。
從技術路線發展來講，主要分為兩個階段，第一階段，2015年以前，當時梯次利用大家剛剛開始做研究的時候，當時這個技術路線就是拆解，一直把它拆到單體，然后再對每個電池測試完以后再進行重組。這個方法應該講，作為分選、包括對電池一致性方面，應該講是有好處，但是違背了梯次利用在電網應用最根本的宗旨就是成本，我們知道儲能應用三大條件，高安全、低成本、長壽命，在梯次利用這個環節我們始終要強調的是一個成本，因為如果舊電池的成本比新電池還高，梯次利用的路子是死的，直到今天仍然有人說，梯次利用到底這個事靠譜還是不靠譜，盡管說不太清楚，但是成本是追求的因素之一。這個技術路線成本很顯然太高了，現在基本上已經被淘汰掉了。2015年以后的使用，基本上是在模組這個級別上的應用，主要的就是通過一些歷史的數據來估算退役時候的容量等等這些特性，模組再進行應用，這是目前梯次利用這個技術，從全世界范圍內來看一個主流的技術趨勢。
下面介紹一下在我們做的梯次利用方面部分的工作，剛才講到，我們認為電網的儲能應用是消納退役電池最有效的手段之一，目前來講，因為本身低價格，能夠給整個儲能應用低成本創造一些新的機遇，目前從價格可以看到，退役價格的電池基本是新電池價格的一半左右。
我今天介紹的這部分工作，是對主流的三款梯次利用做評估，第一個，2008年奧運會電動大巴上退役下來的電池，是錳酸鋰的電池，2012年退役的，另外一款是比亞迪的電池，從深圳的K9公交車上退役的電池，是2015年退役的，還有國家電網公司在青島薛家島有一個充換電站，是2016年退役的，下面兩個是磷酸鐵鋰的，上面一個是錳酸鋰的電池。
當時錳酸鋰的原始容量是90安時，它退下來的時候基本上容量在一半左右了，大概55%左右，我們從容量分布圖可以看到，基本上大部分容量在55%左右，就是45—55安時之間，內阻分散性比較大，基本上內阻在原電池的2倍以上，容量保持率還好。我們主要測了一下這個電池溫升的特性、倍率的特性，我們在主流產品應用做的重要的工作是，來根據電網應用的場景估算電池能用多長時間，我們做估算來看，因為這個電池我們拿過來以后發現總體性能比較差，所以我們先是評估了一下，在電網相對來講備用工況是儲能應用工況里面相對來講最溫和的工況了，這樣的工況下做測試，評估剩余壽命還能再用3天，在削峰填谷應用就是全充全放了，這種情況下的壽命大概1500次。平滑來講，這個電池的差異性就變得比較顯著，從這個分析來看，這些電池做平滑的應用是不太合適的。
對安全性的評估，我們依據當時的電池安全性的標準來測這個電池的話，電池安全性是沒有問題的，通過這些標準都沒有問題的，而且在后面兩款梯次電池在單體電池依據當時的標準測安全性來看，基本上安全性都能過。這個電池因為當時量不是特別大，我們做了一個100千瓦時的儲能系統，放在了大興換電站旁邊，作為備用電源，這個系統用了很短的時間，從循環次數來講大概不超過50次，時間大概在4個月左右，這個系統就沒法用了，為什么沒法用了？就是電池的差異性快速的分散，最后造成電池的一致性極差，根本無法使用。從這個應用的案例來講，這就算是一個梯次利用失敗的案例，從這個案例上我們發現，在2012年以前的電池，當時的電池整個生產工藝和技術水平來講，還不是特別的先進，因此電池先天的一致性不好，再經過動力電池應用以后，再在儲能上面用，基本上沒有什么意義。因此我們判斷，做梯次利用電池應用，基本上2012年以后的電池還可以考慮。
這款就是剛剛說到的比亞迪的200安時電池，在這個圖上可以看到，這個電池原始的容量是200安時，退下來以后大概容量在85%左右，內阻增加很小，基本上增加了10%的樣子，整個電池一致性還是不錯的。
同樣我們測試了電池的倍率、充放電特性，測整個電池的溫升特性，從溫升特性上可以看到，這種電池在梯次利用場合用的話，建議工作電流應該控制在0.5C以下，我們建議要在0.5C以下的工況下應用。
這個電池的高低溫特性，大家可以看到，在零度充放電的能量百分比還是90%以上，我們重點關注一下在儲能這個工況下的應用可以看到，在全充全放的工況下循環4千次以后容量保持率還能達到93%，這個容量保持率跟退下來的時候相比，不是跟新電池相比，是跟退到我們這里的狀態相比，在平滑的工況里面，一般用20%的GOD工況模擬，可以看到這個電池還是不錯的。安全特性剛才講到，通過安全特性測試標準，這個系統做的150千瓦、1兆瓦時的系統，這個系統是在我們國家電網公司在張北有一個風光儲基地（儲能實驗室），在這上面做一些示范運行，基本上做一些平滑、削峰填谷的工況，這個電池的運營從2016年初運行到現在，這個狀態還是很不錯的，一直比較穩定。
第三款電池，青島薛家島電站22安時的電池，應該講主體的電池來自于萬向，新電池是22安時，退下來以后主體的容量大概在17安時—19安時之間。同樣也是測了一下溫度，這個結論跟前面差不多。
從低溫的充放電來講也是不錯的，零度以下大概在90%以上，壽命還是可以的，100%DOD在1400次，跟前面比亞迪的還是有差距的，20%的DOD大概1000次，安全性也沒有問題，通過當時的測試也沒有問題。這個電池已經建設完成，是在國家風光儲的二期當中，3兆瓦、9兆瓦時的系統，目前正在進行系統的調試。
從我們這幾年做梯次利用來講，我們有幾點體會跟大家分享一下：
第一個體會，剛剛反復講到了，不是所有的電池都具備梯次利用的價值，我們基本把這個線劃到2012年比較合適。
第二個體會，梯次利用當中的關鍵技術亟待突破。剛才我講到國內也好、國際也好，在做梯次利用電池的時候其實真正從技術環節上來說，我們認為還沒有做的特別細致，很關鍵的幾個步驟，比如電池的健康狀態評估，健康狀態還能有多久，目前這個方法大家做的還比較膚淺，安全性方面，我說的不是電池本體的安全性，而是電池應用環節的安全性，這個跟電池廠所說的提升電池本體的安全性是有比較本質的差別的，我們所說的是應用環節的安全性，大家如果有機會看看現在做的儲能工程來說，在這方面幾乎是很缺失的，一旦有問題的話不可破。目前大家可以看到，目前的儲能系統來說，一旦要著火的話基本上會燒光，很難控制住的。所以我說技術環節上還需要進行深入的研究。
第三個體會，對于梯次利用電池一定要找合適的應用場景，電網應用的場景非常豐富，可以給不同狀態的電池找到合適的場景。
第四個體會，從未來的梯次利用來說性能肯定會越來越好，因為梯次利用跟新電池的水平提升是相輔相成的，新電池好了，梯次利用性能肯定會越來越好，價格也會不斷降低，因此，梯次利用我們認為還是有應用的價值的，應用的技術還是要研究，還是要發展的。這是我們的觀點。
第五個體會，講到了所謂電池全壽命周期，在一開始，在電動車應用的時候就應該考慮到梯次利用的環節，包括歷史數據，這是很重要的一部分資源，為什么現在在國外很多車廠在做主導，其實掌握這個歷史數據是很重要的資源，能夠通過歷史數據的分析來判斷電池的健康狀態，其實要把一個電池，在不知道歷史數據的情況下放在你的面前，讓你馬上說出電池的健康狀態怎么樣、有沒有安全隱患、將來還有多長時間，是很難做的工作，盡管現在這個工作我們一直在做，包括今年一個國家重點研發計劃的課題，專門研究梯次利用，里面專門有一相內容就是研究這個，但是這個工作非常難，用歷史數據可能就會節省很多的精力。
最后一個，國家在這個層面也是不斷的扶持，機制從梯次利用來講，從2016年到現在熱度不斷增加，我們也認為，從我們國網公司這幾年的研究和應用來講，我們認為還是非常有前景的行業。
以上就是我講的內容，謝謝大家！
（根據嘉賓現場演講整理，未經本人審閱）
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