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1.背景介绍
近年来，电动汽车的销量呈指数级增长。2022年，全球新销售电动汽车和插电式混合动力汽车1050万辆，电动汽车的市场份额从2021年的9%跃升至2022年的14%。预计2030年电动汽车销量将突破2000万辆，市场份额达到35%。由于容量和功率衰退，电动汽车电池组将在运行 8-15 年后退役。因此，未来几十年，每年电动汽车中将淘汰数百万个锂电池组（数百GWh）。如此大量的退役锂电池组为这些电池的二次利用创造了潜在的商机。日产Leaf是第一款使用锂离子电池的量产电动汽车，第一代于2010年推向市场。当前许多24 kW·h的第一代电池包已从车辆中退役。对大规模退役的动力电池进行评估，评价其应用潜力的研究
围绕以上问题，期刊编委、圣地亚哥大学的米春亭教授课题组发表了题为"Evaluation of the second-life potential of the first-generation Nissan Leaf battery packs in energy storage systems"的文章。
对退役电池组进行大规模研究，以评估其梯次利用潜力。具体来说，对超过100个量产的电动汽车电池包进行了调查，探究退役电动汽车电池包的SOH。其次，阐明将整个电池包用于梯次利用的可行性。第三，详细阐述电池车端寿命和梯次利用寿命的老化轨迹，显示出梯次利用寿命潜力为12-20年。第四，计算投资回报率，展示了锂电池梯次利用的积极前景，这对于储能行业和政府政策制定者具有重要价值。
图1 车辆拆解用于梯次利用的电池包
2.实验设置
本文首先对车端使用终了的电池进行健康状态和一致性评估，其测试系统如图2所示。
图2 日产Leaf电池包测试系统
对车端寿命终了的电池开展耐久性实验，其测试系统如图3所示。其中，耐久性工况模拟面向储能电站梯次利用场景，每56个周期开展一次标准性能测试，包括不同倍率的容量测试和HPPC测试。
图3 日产Leaf电池包耐久性测试系统
3. 电池参数识别
电池的阻抗特性用一阶RC等效电路进行评判，由于电池的内阻在不同SOC区间有较大差异，将整个HPPC测试曲线进行分段，分段进行辨识。不同区间辨识结果如图4所示。
图4 基于HPPC测试的电池阻抗辨识结果
4. 结果与讨论
4.1 车端使用终了的SOH和一致性
100辆日产Leaf的电池包在寿命终了时的寿命分布如图5所示，平均SOH为66.25%，远低于当前常设置的80%。从电压角度来看，电池的不一致性较好，因此寿命终了的主要原因是电池单体的容量衰减，而非不一致性造成。
图5 日产Leaf的电池包在寿命终了时的寿命分布
进一步选取一个电池包进行分析，用一阶RC等效电路辨识各个电池的内阻如图6所示。一个电池包内电池单体直流内阻和交流阻抗相差不大，内阻不一致性好，因此，电池包可以整包使用，避免繁复且成本高的拆解过程。
图6 日产Leaf的电池包的内阻不一致性
4.2 梯次利用场景下的耐久性
选取梯次利用场景的工况进行耐久性实验，电池寿命衰减曲线如图7所示。在较为温和的储能工况下，不管从容量还是内阻定义SOH，电池都还有很长的寿命。但寿命后期，由于内阻上升造成循环能量效率下降，致使寿命终了。
图7 日产Leaf的电池包在梯次利用场景下的耐久性
5. 结论
本文对退役的日产Leaf电池进行了全面研究，以评估其退役时的SOH和二次使用潜力。主要发现包括。
第一，大多数退役的日产Leaf第一代电动汽车电池包的SOH为60%–67%，这超出了电动汽车电池将在80%SOH时退役的传统观念。电池组容量损失主要是由电池单体容量下降引起的，而不是不一致性问题引起的。
第二，电池包测试结果显示电池在容量和阻抗上均具有良好的一致性。大多数电池组的 电压不一致性低于50 mV，表明均衡状态良好。因此，整包利用是退役日产Leaf第一代电池包的最佳选择，可以最大限度地减少重新利用的劳动力、成本和时间。电池系统成本可从 103.1美元/kWh降低至73.1美元/kWh。
第三，老化测试显示出退役电池梯次利用7380次老化循环的潜力。电池在SOH下降到50%之前的4200个循环中具有优异的性能，如果电池包每天充电一次，相当于12年。此后，电池阻抗快速增加，能量效率降低。尽管如此，电池在有限电流下仍可使用，直到7380个老化循环（20 年）和34% SOH。
第四，梯次利用电池的最佳工作条件为：温度15°C–25°C、SOC范围10%–90%和0.2C 电流。在良好控制的工作条件下，梯次利用电池的老化速度仅为每1000次循环4.05%，远低于车端使用每1000次循环18.9%的老化速度。
第五，投资回报分析显示，家用储能电站在美国加利福尼亚州每充放电1kWh可以创造约0.27美元的价值。价值1000美元（62.5美元/千瓦时）的退役日产Leaf第1代电池包在第一年可创造1244美元的价值，在其整个梯次利用生命周期内可创造16200 美元的价值。即使每千瓦时的价值为0.10美元，每年的投资回报率为23%，仍然有经济性。
综上所述，本研究显示了退役电动汽车电池梯次利用的积极前景，使退役电动汽车电池包的高效、大规模整包利用成为可能。虽然初始SOH仅为60%~67%，但预计梯次利用寿命为12~20年，具有良好的商业可行性。
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