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退役锂电池梯级利用、容量衰减及回收流程研究

【摘要】:随着电动汽车的骤增,产生了大量的退役锂电池,锂电池的梯级利用、容量衰减机理及报废回收,实现退役电池的无害化、绿色化及资源利用最大化处理亟待展开研究。本论文以退役锂离子动力电池为研究对象,给出了放电倍率、电池容量及电阻三个性能参数对退役电池容量的影响规律,并通过实例来划分了梯级利用等级;提出了一种循环过程中容量损失模型,作为循环寿命主要的退化机理;基于性能测试实验、寿命测试实验及内阻实验,给出了充电截止电压、放电深度、充放电倍率及环境温度对梯级动力锂离子电池容量衰减的影响规律;建立了梯级利用锂离子动力电池的寿命预测方法;结合现在的退役电池回收体系,建立了一种新的回收体系,有效提高正、负极材料的回收率。本论文的主要研究内容如下:(1)通过对退役锂电池外形、结构检测和性能分选,选取了合格的单体锂离子电池;为了使容量和内阻存在差异的退役电池分别能应用到最适合的梯级利用场合,基于二元线性回归模型,拟合出放电倍率与退役电池容量和内阻之间的关系式,建立了基于电池容量和内阻的锂离子退役电池梯级利用模型;通过市场状况和材料成本对锂离子电池进行了价格分析,估算出梯级利用对锂离子电池价格的影响,验证锂离子电池梯级利用在经济上的可行性。(2)以SEI的断裂和修复理论为基础,提出了一种循环过程中容量损失模型。通过推导SEI和活性材料粒子组成系统的力学模型,研究表明电池的材料参数和工况对放电和SEI应力有不同程度的影响;将计算结果与基于石墨/NMC技术的电池加速老化实验数据进行了比较,表征了DOD或SOC均值对容量衰减影响的关键是控制Li_xC_6化合价与石墨膨胀的相对变化和电极平衡;循环过程中电池的最小退化对应于循环过程中的最小应力振荡,最小应力位置将受到电池平衡的影响,电池平衡决定了石墨参数膨胀范围在整个电池中的确切SOC。(3)以梯级LFP电池为研究对象,基于性能测试实验、寿命测试实验及内阻实验,结合锂离子电池容量衰减机理,研究了充电截止电压、放电深度、充放电倍率及环境温度对梯级动力锂离子电池容量衰减的影响规律;高充电截止电压下的电池放电容量会快速缩减,使用寿命明显下降;高放电深度下梯级LFP电池的内阻提升速度更快;梯级LFP电池性能衰减速度将会随着充电倍率的增大而加快。(4)通过梯级锂电池间隔脉冲试验建立了二阶Thevenin等效电路模型,采用了递推最小二乘法进行等效电路模型参数辨识;结合梯级锂电池衰减特性的研究成果,分析并得出影响梯级锂电池寿命主要因素为电池温度、电池内阻和放电电压。将梯级锂电池的电池温度、参数辨识的内阻和放电电压作为BP神经网络模型参数,预测梯级锂电池的SOH和梯级锂电池的循环寿命。(5)针对退役梯级LFP电池回收利用过程中的电池包智能筛选、智能拆解、单体电池的梯级利用及元素回收等工艺问题进行研究,找寻高效环保的退役梯级LFP电池回收工艺;完成了智能高效的退役梯级LFP电池包拆解系统及元素回收系统的优化设计,并探讨了该系统的回收效率;提出了合理的锂电池高效利用及回收建议。

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