《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Extending battery lifecycles: A holistic review of second-life lithium-ion technology in sustainable energy systems from assessment to emerging trends
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全球对可持续发展和低排放交通的日益关注推动了电动汽车（EV）的普及，导致锂离子电池产量显著增加。当电池容量下降到原始值的70–80%左右时，其不再满足电动汽车所需的性能标准，随后被废弃。尽管这些电池保留了相当大的残余能量和材料价值，但它们非常适合在要求较低的固
全球对可持续发展和低排放交通的日益关注推动了电动汽车（EV）的普及，导致锂离子电池产量显著增加。当电池容量下降到原始值的70–80%左右时，其不再满足电动汽车所需的性能标准，随后被废弃。尽管这些电池保留了相当大的残余能量和材料价值，但它们非常适合在要求较低的固定场景中进行二次寿命应用。将退役电动汽车电池重新利用为储能系统，可延长其使用寿命，降低生命周期成本，并通过减少废物和资源开采来支持循环经济。本综述对二次寿命电池（SLB）研究的最新进展进行了全面评估，包括退化过程、评估与再利用方法以及测试系统。本综述审视了多种估计健康状态（SOH）和剩余使用寿命（RUL）的方法，重点关注人工智能（AI）在提高预测精度和运行效率方面的日益广泛应用。研究讨论了专为SLB设计的专用电池管理系统（BMS）的最新进展，以确保安全性、可靠性和性能。此外，讨论涵盖了涉及材料回收和价值创造可持续性的回收和升级再造过程。讨论还包括已发布的数据集及其局限性，以为未来以AI为核心的发展提供信息。尽管二次寿命电池的潜力日益被认可，但大规模应用仍受到安全风险和不确定的成本效益权衡的制约。本综述综合了再利用决策路径，并讨论了它们与可持续发展目标的一致性。研究确定了当前挑战，并概述了未来研究议程，重点关注标准化再利用程序、经济和环境影响评估以及政策框架，以促进SLB在可再生终端中的规模化采用和整合。
1. 引言
全球电动汽车的普及带来了大量退役锂离子电池（LIB）的管理挑战。当电池健康状态（SOH）降至70–80%容量保持率以下时，这些电池虽不再适用于电动汽车的高强度使用，但仍保留约40%以上的储能潜力。将退役电池重新利用为二次寿命电池（SLB），可降低储能成本、延长电池寿命并支持循环经济。由于关键原材料（如锂、钴、镍、锰）的稀缺和开采的环境影响，LIB的可持续性面临约束。SLB的二次利用和回收可减少对一次资源开采的依赖，降低环境影响。尽管SLB潜力巨大，但大规模实施仍面临有效收集、安全储存和高效回收的挑战。先前综述主要概述了一般概念和潜在优势，而本综述整合了退化机制、评估方法、AI应用、BMS进展以及经济和环境影响，旨在为研究人员、行业和政策制定者提供全面理解。
2. 方法论
本文采用PRISMA指南筛选2015年至2025年9月间的文献，从IEEE Xplore、ScienceDirect和Google Scholar三个数据库检索。搜索策略使用布尔运算符，关键词包括“second life battery”、“battery degradation”、“state of health estimation”、“repurposing process”、“stationary energy storage”、“techno-economic assessment”等。共检索到273篇文章，通过纳入和排除标准筛选，最终保留与SLB退化、评估、再利用、升级再造、AI/BMS应用以及经济环境方面相关的同行评审英文文献。
3. 退化机制
LIB的性能寿命通常指SOH降至70–80%之前的时期。二次寿命中，电池继续经历容量衰减，主要由两种机制引起：日历老化和循环老化。退化模式包括锂库存损失（LLI）、活性材料损失（LAM）、电解质消耗以及不均匀退化和热退化。LLI主要由固体电解质界面（SEI）形成、锂枝晶生长和副反应引起，导致容量衰减和内阻增加。LAM源于机械应力、活性材料溶解和隔离，导致电极结构性失效和阻抗上升。其他退化机制包括隔膜退化（孔隙堵塞、熔化）和集流体退化（腐蚀、裂纹），这些都会加剧安全风险。不同退化机制对SLB适用性有不同影响：LLI主导的电池适合低应力应用，LAM严重的电池仅限低电压应用，而隔膜或集流体退化的电池应直接回收。
4. SLB再利用过程
再利用过程包括五个主要阶段：初步检查与评估、拆卸与回收、检测与测试、数据与信息系统管理、以及重新配置与BMS安装。拆卸需在受控环境中进行，以回收功能模块和组件。检测包括机械完整性检查、电化学测试（容量、内阻、电化学阻抗谱（EIS））以及间接测试（X射线、超声）。基于测试结果，电池按SOH和性能分类，低于40%SOH的电池进入回收，40–70%用于低功率应用，高于70%用于电网应用。分类技术从传统手动方法发展到基于AI的聚类算法（如K-means、支持向量机（SVM）、模糊C均值）。重新组装时需匹配参数（容量、内阻、SOH、热特性），并集成自适应BMS和热管理系统，以确保安全和长寿命。
5. SOH和RUL估计技术
SOH和RUL估计方法分为三类：直接法、间接法和AI/ML法。直接法包括循环计数、内阻（IR）测量和EIS，但耗时且需要专用设备。间接法包括基于模糊逻辑和滤波器（卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）、双扩展卡尔曼滤波（DEKF））的方法，能够处理非线性和噪声，但计算要求高。AI/ML方法包括支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、XGBoost等传统机器学习模型，以及长短期记忆网络（LSTM）、门控循环单元（GRU）、卷积神经网络（CNN）和混合模型，这些方法在捕捉非线性退化模式方面表现出高精度，但依赖大量高质量数据集。当前趋势表明，基于物理信息的神经网络和轻量模型在SLB评估中具有潜力。
6. 公开可用数据集
公开数据集对于AI模型开发至关重要。列举了多个数据集：斯坦福能源控制实验室的电网连接SLB老化数据集（INR21700-M50T电池，24个月数据）；拉夫堡大学的长期“汗液测试”数据集（退役EV模块，6个用例）；NASA的随机化电池数据集（26个18,650电池包）；古斯塔夫·埃菲尔大学的SLB数据银行（三星SDI 94 Ah电池，V2G数据）；PulseBat数据集（464个退役电池，三种阴极化学）；以及关于过充电情况的数据集。这些数据集覆盖多种化学体系、使用历史和测试制度，支持SOH和RUL模型的训练与验证。
7. SLB的电池管理系统（BMS）
SLB-BMS需处理电池组内健康状态异质性，包括均衡管理、状态估计和热管理。均衡管理分为被动（分流电阻耗散）和主动（电容、电感、DC-DC转换器实现能量再分配）。主动均衡策略包括相邻电池间（AC2C）、直接电池间（DC2C）、电池到包（C2P）和包到电池（P2C）等拓扑。状态估计包括荷电状态（SOC）估计（直接法如库仑计数、开路电压（OCV）；模型法如等效电路模型加卡尔曼滤波；数据驱动法如LSTM、GRU、CNN）和温度状态（SOT）估计（基于偏微分方程（PDE）模型、集总电热模型和混合模型）。热管理系统（TMS）分为外部TMS（空气冷却、液体冷却）和内部TMS（嵌入冷却通道）。主动TMS（强制对流、液冷）散热效果好但能耗高，被动TMS（相变材料（PCM））能有效抑制温升而不消耗能量，适合SLB应用。
8. SLB的应用
SLB主要应用于电网服务（频率调节、削峰填谷、能量套利）、可再生能源整合（光伏、风能储能，平抑波动）、电动汽车充电站（缓冲快充功率、降低需求费用）以及家庭和小型社区储能。研究表明，SLB在削峰填谷中可降低峰值负荷30%，在可再生能源集成中可节省运营成本11%–13%，并减少全球变暖影响。SLB的经济吸引力主要来自较低的前期成本，但性能受电池前期使用历史、退化状态和再利用兼容性影响。
9. SLB的回收与升级再造
废旧LIB的回收主要采用火法冶金（高温冶炼）和湿法冶金（酸浸提取）技术，两者都能回收金属但能耗高、化学试剂使用多。直接回收通过再锂化和结构修复恢复电极活性，可降低70%酸耗并保留颗粒形态。升级再造将退化材料转化为高附加值产品，如通过熔盐再结晶从NMC材料制备单晶正极，或利用闪蒸焦耳加热修复石墨负极，甚至将LIB材料转化为催化剂（如析氧反应催化剂）。选择再利用还是回收取决于SOH、退化模式和机械完整性：SOH高于75%的电池优先再利用，低于40%的应直接回收。回收和升级再造对循环经济至关重要，但还需解决标准化和规模化问题。
10. 经济和环境效益
经济方面，新LIB成本为110–160 USD/kWh，而SLB成本可降至50–100 USD/kWh（包括运输、拆卸、测试等费用），节省50–70%。即使考虑额外成本（27.2–38.3 EUR/kWh），SLB仍具竞争力。环境方面，SLB延长电池寿命可减少25–40%的环境影响（通过避免新电池生产和延迟回收）。与光伏系统集成可将电力碳强度降低56%。延迟回收直到更高效技术出现，可减少资源浪费和二氧化碳排放。
11. SLB采用面临的挑战
安全挑战源于退化导致的电池组内异质性、第一寿命数据缺失以及重新组装引入的热失控风险。经济挑战来自新型电池成本下降（如LFP电池降至70 USD/kWh），使SLB成本优势缩小。SLB的经济可行性依赖于政府补贴（如欧盟和中国政策）和部署速度优势（SLB可在4–5个月内重新部署，而新电池需12–18个月）。未来需设计降解感知的安全阈值、自适应BMS和电池护照制度。
12. SLB对可持续发展目标的贡献
SLB主要通过再利用、回收和升级再造支持SDG 7（负担得起的清洁能源）、SDG 12（负责任消费和生产）和SDG 13（气候行动）。SLB降低储能成本，促进可再生能源集成，从而推进SDG 7.1、7.2、7.3；延长电池寿命和回收材料减少资源浪费，符合SDG 12.2和12.5；通过替代化石燃料发电和减少碳排放贡献SDG 13.2。此外，SLB还间接支持SDG 8（绿色就业）、SDG 9（低碳基础设施）、SDG 14（减少水资源开采）和SDG 15（减少森林砍伐和生物多样性损失）。
13. 结论与未来方向
本综述全面评估了SLB研究，包括退化、评估、再利用、回收和升级再造、AI和BMS进展以及经济环境效益。关键发现：再利用过程正在标准化但缺乏全球统一标准；SOH和分类是核心，模型方法为主流，AI方法正在兴起；公开数据集有限；BMS多沿用第一寿命系统，专用系统研究不足；SLB主要用于可再生能源和电网，新应用领域在探索；回收研究多于升级再造；经济和环境分析表明SLB是低成本储能解决方案。未来研究方向：深入理解退化机制对SLB的影响；开发针对SLB的SOH/RUL估计方法；推进再利用过程标准化；设计优化的SLB专用BMS；扩展AI/ML应用（故障检测、优化控制）；创建多样化、高质量公开数据集；加强升级再造研究（将过渡金属转化为催化剂、将石墨转化为超级电容器材料）；探索SLB在更多领域的应用以支持可持续发展目标。
