废旧锂离子(Li-Ion)电池重组以获得特定输出参数电池组的方法研究：以4s6p电池组为例的案例研究

《Applied Sciences》：Method for Recycling Used Li-Ion Batteries to Build Battery Packs with Specific Output Parameters: A Case Study of the 4s6p Battery Pack

　　

本文提出一种从拆解除用的笔记本电脑电池中筛选圆柱形锂离子(Li-Ion) 18650电芯，并将其重新用于构建具有二次寿命(Second-life)电池组的新方法。引言部分分析了锂离子(Li-Ion)电芯相较于其他储能方案的关键特性，重点关注基于钠离子(Na-Ion)电芯的新型电池技术。研究过程包括拆解损坏的电池包，依据端电压(Un)和内阻(Internal Resistance, Rw)测量值进行初步筛选。研究的核心是基于4s6p（4串6并）拓扑结构中电芯的随机排布进行仿真模拟，并根据三项既定判据确定最优配置。最终制作原型电池组，并在50 W至150 W三种恒功率(Constant Power, CP)负载下分析其放电曲线。结论表明，该方法在环境保护方面具有重要意义，可推广应用于不同类型锂离子(Li-Ion)电芯的其他电池组构建；案例研究中测试原型的最佳负载水平为50 W恒功率放电。

废旧锂离子电池梯次利用构建4s6p电池组的选型与优化配置研究——论文解读

本文发表于《Applied Sciences》。随着可再生能源与电动汽车的快速发展，电化学储能需求激增，废旧锂离子(Li-Ion)电池数量随之上升。退役笔记本及动力电池虽丧失部分容量（通常保留60%~80%），但仍具备梯次利用(Second-life Utilization)价值，可用于家庭储能或低功耗设备。然而，目前缺乏针对废旧拆包电芯（尤其是异构混合批次）进行参数匹配、分组及构建指定输出参数（如4s6p拓扑）电池组的实用工程方法与标准化流程。现有研究多聚焦材料回收(Material Recovery)，少有结合实测参数与仿真优化来指导实际组装。为此，研究人员开展了一项基于废旧笔记本电池拆包电芯的分选、随机模拟寻优及原型验证研究，旨在建立一套可复用的废旧18650锂离子(Li-Ion)电芯重组方法，并确定最佳负载工况，对推动循环经济与降低储能成本具有重要实践意义。

研究人员自5块报废Dell Vostro 1540笔记本电池（3s2p结构，共30节18650电芯，原厂标称2200 mAh/3.7 V，品牌含Samsung SDI与LG Energy Solution）中机械拆解获取电芯。经三次充放电循环活化后，使用SkyRC IMAX B6 mini以CC-CV（恒流-恒压，Constant Current-Constant Voltage）模式充满并静置，测量开路电压(U_n)与内阻(R_w)；剔除U_n< 2.5 V或R_w> 200 mΩ的失效电芯。针对剩余24节合格电芯拟构建4s6p（标称约14.8 V，容量约13.2 Ah）电池组，研究人员编写电子表格宏程序执行随机排列搜索算法，以三组目标函数作为筛选判据——每并联组内电芯电压极差ΔU_ni、内阻极差ΔR_wi及单体内阻R_wi，满足预设阈值则停止迭代（超时6小时终止）。依最优排布焊接组装带被动均衡BMS（电池管理系统，Battery Management System，最大30 A）的原型，利用假负载(EBD-A20H)进行恒功率(CP)放电测试（50 W、100 W、150 W），记录电压-时间曲线，并依据Peukert定律测算Peukert系数(k)。

1. Introduction（引言）

引言指出Li-Ion电池因高能量密度（150~300 Wh/kg）、无记忆效应、低自放电及长循环寿命（1000~8000次）成为主流，LFP（磷酸铁锂，LiFePO₄）因安全性佳渐用于储能，Na-Ion（钠离子）电池因低成本可作补充。强调废旧电池不当处置致污染与火灾隐患，而梯次利用可延缓资源耗竭，但面临缺统一测试标准与结构差异大的障碍。指出现有文献缺乏针对拆包旧电芯构建特定拓扑（如4s6p）且结合实测与仿真的实用方法，确立本研究必要性。

2. Materials and Methods（材料与方法）

如上所述，材料为5块废旧3s2p笔记本电池包拆出的30节18650 Li-Ion电芯（Samsung SDI 18节，LG 12节）。方法涵盖：机械拆解→三次CC-CV充放循环→测U_n与R_w→剔除坏品（U_n<2.5 V或R_w>200 mΩ）→获24节可用电芯。设定4s6p结构，建立三判据：Criterion 1为并联支路内电压差ΔU_ni=max(U_nij)-min(U_nij)；Criterion 2为并联支路内内阻差ΔR_wi=max(R_wij)-min(R_wij)；Criterion 3为单体R_wi。通过随机重排迭代计算直至三判据同时满足（阈值ΔU_ni≤0.2 V，ΔR_wi≤46 mΩ，R_wi≤29 mΩ）或超6小时。依最优矩阵焊接组装带被动均衡BMS之4s6p原型，同长度导线连接采集线。测试采用假负载于CP模式下50 W、100 W、150 W放电至截止电压12 V，并用两组不同恒流放电(3 A与6 A)实测数据按Peukert公式计算k值。

3. Results（结果）

仿真搜索获得满足条件之4s6p最优排布。验证测试显示：50 W恒功率放电至12 V续航187 min（最大放电电流约0.4C），100 W续航86 min（0.8C），150 W续航57 min（1.2C）。初始端电压分别约为16.755 V、16.693 V、16.784 V。实验测得该二手电芯组建之电池组整体内阻R_w= 89.032 mΩ，Peukert系数k = 1.1（新电芯通常R_w<50 mΩ，k<1.09）。放电曲线表明50 W负载下电压平台较稳，大负载下降快，确认案例中最适工作负载为50 W。

4. Discussion and Conclusions（讨论与结论）

研究人员指出，30节拆包电芯中仅6节因欠压或高内阻被剔除，证明多数旧18650电芯具备梯次利用潜力。基于U_n与R_w双参数初筛配合随机模拟寻优的多目标配置法，在4s6p案例中验证有效，理论计算与实测吻合，原型工作温升正常。退役电芯适宜用于低电流场合（如花园灯、小型储能）。该方法亦适用于新电芯混批分组。后续将开展长期日历老化与循环老化评估以估算剩余寿命。

原文结论翻译：对锂离子(Li-Ion)电池进行回收是可持续发展的关键环节，可保护环境、节约资源并助力能源转型。对于可拆包的圆柱形电芯废旧电池，大部分电芯参数允许再利用；本案例仅30节中6节被拒收。测量废旧电芯的两个基本参数（U_n与R_w）可作为新电池组建模与配置的基础。提出的拆包电芯选型方法在4s6p结构中成功验证且具实用精度，适用于可机械拆壳之电池。理论计算经原型测试验证，存储能量随负载增大而减小之结果成立。测试中电池组未见异常温升。原型分析表明最优负载水平为50 W恒功率(0.4C)；较高负载(100 W/150 W)因组内较高内阻(R_w=89.032 mΩ)与Peukert系数(k=1.1)导致性能下降。所提方法可实现废旧锂离子(Li-Ion)电池电芯梯次利用，未来研究将聚焦长期老化测试评估剩余使用寿命，并确认该方法同样适用于新电芯存在参数离散的情形。