《Journal of Energy Storage》：Second-life lithium-ion batteries for microgrids: A comprehensive review of integration, degradation, control, and reliability
交通运输的快速电气化显著提高了对高效电池储能系统的需求。锂离子电池（LiBs）在电动汽车（EVs）中广泛采用，通常在健康状态（SoH）降至70%–80%以下时退役，尽管仍保留大量剩余容量，预计到2040年将产生约1400万吨退役EV电池废料。这些退役电池被称为二次寿命电池（SLBs），为微电网应用中的固定式储能提供了有前景的机会，具有92%–99%的高能量效率，并实现经济高效且可持续的解决方案。文献报道的预测表明，SLBs到2030年可提供约96 GWh的储能容量，到2040年可达3000 GWh，凸显其大规模潜力。本文对SLB融入微电网的前景进行了全面的元综述，解决了现有文献中常将技术、经济和控制方面孤立对待的关键运营和可部署性差距。综合了一个多尺度框架，将电池电化学、退化机制、再利用方法、数学建模和系统级能源管理联系起来。本综述进一步提出了一个基于现有电池标准的SLB分级框架，以支持微电网部署的电池选择。对先进的控制和能源管理策略，以及安全性、可靠性、环境效益和标准化要求进行了严格审查，以确定大规模部署的障碍。最后，提出了关键研究挑战、差距和未来研究方向，以促进SLB可靠、安全和经济可行地融入现代微电网。总体而言，该研究强调SLB可作为一种可持续、经济且技术上可行的储能解决方案，支持全球向清洁能源系统的转型以及电动出行在支持循环经济方面的持续增长。
1. Introduction
全球能源部门正经历快速转型，可再生能源（RES）的部署增加、交通电气化以及脱碳需求推动了这一变化。电动汽车（EVs）作为可持续出行的关键贡献者，其全球销量在2024年达到约1700万辆，占全球新车销量的20%以上。锂离子电池（LiBs）主导EV市场，主要使用镍锰钴（NMC）和磷酸铁锂（LFP）化学体系。EV电池通常在健康状态（SoH）降至70%–80%时退役，此时仍保留大量剩余容量。这些退役电池被称为二次寿命电池（SLBs），可应用于微电网等固定式储能场景。本文通过元综述，整合技术、经济、控制等孤立领域，提出多尺度框架，并构建SLB分级框架、数学建模层次体系和控制策略，以支持微电网中的可靠部署。
1.1. Research gaps
现有综述大多忽略了SLB在微电网中的具体应用。主要空白包括：缺乏统一的分类和再利用框架；技术、经济与运营模型之间集成有限；微电网环境下SLB长期实验和示范稀缺；能源管理与控制策略未充分考虑SLB的SoH变化和异构性；安全、可靠性和标准化方面缺乏共识；环境效益和循环经济量化不一致。本文针对这些空白，提出了跨域统一的框架。
1.2. Key contributions
本综述提供了端到端的系统审查框架，涵盖电池基础、再利用过程、微电网集成、建模、控制、安全和可持续性。弥合了技术性能、经济可行性和系统级运营之间的鸿沟，通过数学建模模拟真实SLB行为，批判性评估电池异质性、退化不确定性和标准化缺失等实际挑战，并强调电池健康预测、标准化框架和循环经济驱动的基础设施发展方向。
2. Overview of lithium-ion batteries
2.1. Battery chemistry
LiB的性能主要由正负极材料化学决定，影响能量密度、功率能力、热稳定性、寿命和成本。常见正极材料包括锂钴氧化物（LCO）、锂锰氧化物（LMO）、NMC、锂镍钴铝氧化物（NCA）、LFP等，负极包括石墨、硅和钛酸锂（LTO）。电解质通常为LiPF
6有机碳酸盐体系，隔膜、集流体、粘结剂和电池管理系统（BMS）共同构成电池架构。
2.2. Operating principles
LiB通过“摇椅机制”工作，锂离子在充放电过程中于正负极之间往返嵌入/脱嵌。本文描述了电化学反应方程、电荷容量方程、库仑效率、离子传输机制以及耦合离子-电子转移（CIET）理论，并对比了传统Butler–Volmer模型的局限性。还介绍了瞬时响应和滞后性能。
2.3. Charging–discharging characteristics
研究表明，较高的C倍率会导致容量快速损失、内阻增加和温度升高，加速锂电镀和固态电解质界面（SEI）生长。循环寿命强烈依赖于阻抗增长和充电协议，热应力显著促进退化。
2.4. Aging and degradation mechanisms (Calendar and cycle aging)
日历老化主要由SEI生长主导，由锂库存损失（LLI）引起，高SoC和高温加速该过程。循环老化同时导致LLI和活性材料损失（LAM），低SoC循环造成硅退化，机械应力引起颗粒开裂和阻抗增长。
2.5. SoH estimation
SoH评估方法包括基于容量、内阻、特征参数及组合定义。模型方法有基于等效电路模型（ECM）、电化学模型、卡尔曼滤波器，数据驱动方法如极限学习机（ELM）、卷积神经网络（CNN）、长短期记忆网络（LSTM）和时序卷积网络（TCN），混合方法日益增多。准确的SoH估计是二次寿命再利用的前提，决定SLB的分级、分组和调度策略。
3. Concept of second-life lithium-ion batteries
3.1. Analysis of batteries: EV → repurposing → microgrid/grid → recycling
EV电池因老化在RCB（通常为80%容量）处退休，经过测试和SoH筛选、分类和分级、再制造和模块重构、安全与BMS适配等再利用步骤，成为SLBs。随后可应用于光伏（PV）集成微电网、风电混合系统、频率调节、削峰填谷和能量套利。当容量低于30%或安全风险升高时，进入回收阶段，回收锂、镍、钴和铜等金属。
3.2. Battery selection criteria
现有电池选择研究多集中于EV性能-安全权衡或微电网的技术经济效率，缺乏统一框架。本文提出一个综合预部署分级框架（表7），包含健康、热安全、可靠性、运行应力、电芯不一致性、变异性、安全性、经济性和微电网适用性等九类指标，基于最坏情况规则将电池分为A级（AC微电网）、B级（DC微电网）和C级（混合微电网备用），不合格参数直接剔除。
3.3. Advantages and disadvantages of SLBs
SLB的优势包括延长的生命周期和循环经济、经济价值回收（降低固定式储能资本成本）、环境效益（降低每千瓦时环境影响）。劣势包括技术不确定性（退化历史和电芯异质性）、安全风险（热失控和认证挑战）、经济障碍（测试、分选和再制造成本）、法规与标准化空白、市场不成熟（缺乏保修模型和投资者不确定性）。
4. Significance of SLBs in microgrid applications
4.1. Performance expectations from SLBs in microgrids
微电网是本地化小规模电力系统，可并网或孤岛运行，依赖能量管理系统（EMS）和逆变器控制。SLB需满足至少70%剩余容量、90%能量效率、稳定电压和温度等条件。实验部署显示SLB可实现60%峰值需求削减和39%峰值时间能量减少，并支持可再生能源集成和频率调节。
4.2. Technical specifications and performance characteristics
SLB通常保留70%–80%的容量，能量效率介于92%（NCA）至99%（NMC）之间。内阻增大导致峰值功率能力下降，但通过适当功率管理仍可维持稳定电压。热行为在充放电过程中保持安全范围，继续退化速率低于EV运行阶段。长期SoH监测对于确保可靠运行至关重要。
5. Techno-economic assessment methodologies and findings for SLBs
技术经济分析表明，SLB收购成本是可行性的主要驱动因素。当SLB成本低于新电池的40%时具有经济吸引力。文献报告SLB可降低平准化储能成本（LCOS）13%–40%，净现值（NPV）提高49.2%，内部收益率（IRR）提高41.9%。频率调节是最具盈利性的第二寿命应用，价值可达273美元/kWh。再制造成本在27.2–38.3欧元/kWh之间（模块级）。经济可行性高度依赖于应用场景和收购成本。
6. Mathematical modelling of second-life lithium-ion batteries
数学建模涵盖SoC估计、等效电路模型（ECM）、电化学模型、功率能量方程、效率模型、退化模型、热模型、异构电池组模型、基于电化学阻抗谱（EIS）的SoH估计和微网集成方程。本文提出了七阶段建模层次结构：从电化学级（扩展单粒子模型ESPM和P2D模型）到二阶Thevenin ECM，状态估计（库仑计数、扩散PDE、LSTM），退化层（SEI生长、容量衰减、半经验Ah吞吐量模型），热耦合，异构电池组层，EIS和数据驱动SoH估计，以及微电网调度优化。ECM适用于实时BMS；数据驱动模型精度高但需大量数据；物理信息混合模型可减少数据需求并快速运行。
7. Control and energy management strategies
控制策略包括用于DC微电网的部分功率变换器（PPC），实现99.45%峰值效率和插拔式集成；基于NSGA-III的多目标管理；分布式SoH平衡控制，通过可调SoC带约束限制不均；虚拟直流电机（VDCM）策略减少DC电压超调64.2%和稳定时间55.6%。经济功率管理考虑退化成本、能量损失成本和退役成本。AI和机器学习被识别为未来SLB控制的关键，包括数字护照、智能电表和物联网（IoT）。然而，尚无框架统一实时SoH集成与自适应微网控制，多时间尺度优化缺失。
8. Safety, reliability and standardization for SLBs utilization
热失控（TR）是SLB的主要安全风险，由过充、短路或机械损伤引发。SLB的退化改变了安全边界，需要自适应监控和先进BMS诊断。全球有超过二十项锂电标准（如UL 1974、IEC 62619、ISO 12405、UN 38.3、IEEE 1547、EU Battery Regulation 2023/1542），但没有单一标准覆盖SLB全生命周期。本文建议将现有标准映射到再利用流程的各个阶段：测试筛选（UL 1974、ISO 12405）、分选分级（IEC 62619、IEC 62620、GB/T 31467）、再制造（EN 50604-1、IEC 62133）、系统和BMS适配（IEC 62933-5-3、IEC 62933-2-1、NFPA 855）、运输（UN 38.3）、并网（IEEE 1547、IEEE 2030.2.1）。这些标准的顺序遵守可确保SLB的安全可靠性。
9. Environmental impact and sustainability assessment
SLB显著降低电池生产相关的环境负担。研究表明，SLB可比新电池减少3%–38%的每千瓦时碳排放，年度CO
2排放减少2.8%–18.5%，到2050年区域能源系统累计可节省超过55.8 Mt CO
2当量。再利用后再回收比直接回收具有更好的环境表现，支持循环经济。然而，现有LCA方法存在系统边界不一致的问题，需要标准化方法并将LCA与技术经济模型结合。
10. Key findings and future research directions
10.1. Major findings and emerging insights
SLB在技术上保留70%–80%原始容量，能量效率92%–99%，实际部署中可削减高达60%的峰值需求和39%的峰值时间能量。经济上，当收购成本低于新电池的40%时，LCOS降低13%–40%，IRR超过41%，NPV提高近49.2%。环境上，再利用而非立即回收可减少3%–38%的生命周期碳排放。安全方面，热失控仍是最严重问题，现有二十多项标准未覆盖整个第二寿命旅程。基于AI和混合方法的新兴控制策略在速度和准确性上优于传统物理模型。这些发现表明SLB在技术上已准备好，但标准化和退化感知控制的差距仍需弥合。
10.2. Challenges and research needs
当前研究缺乏微电网专属的SLB评估，性能不确定性（依赖于DoD、循环频率和变异性）未充分解决。微电网特定的LCA研究很少，与波动性可再生能源的交互及其对退化的影响需深入探索。现有退化模型多基于EV应用，微电网中的老化机制尚未充分理解。异构SLB电池组的自适应AI驱动的SoH估计和先进BMS尚未实现。现有EMS通常假设理想电池特性，未纳入退化约束。技术经济与环境权衡分析缺乏，标准化框架仍是关键需求。
