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欧洲十年电池研发路线图：2030打造超高性能电池

第一电动大牛作者 NE时代 2020-03-16 10:16

欧洲颠覆性的下一代电池技术开发重点：材料研发、电池界面/相间研究、先进传感器、自我修复、电池制造、电池回收。

一、BATTERY 2030+制定背景

在欧洲，电池从化石燃料向可再生能源的过渡中起着核心作用。多功能和高性能的电化学储能装置可以改善交通部门的碳排放，有助电网的稳定性，并为广泛的战略性行业提供支持，如医疗设备生产、信息和通信技术、航空航天和先进的机器人技术。在现代生活的几乎所有方面，电池可以推动创新。从2025年起，欧洲每年可占领高达2500亿欧元的电池市场。

欧洲委员会于2018年5月发布的《电池战略行动计划》呼吁制定一项雄心勃勃的大规模长期电池研究计划，作为欧洲电池联盟短期工业计划以及SET Plan计划的补充和支持。“BATTERY 2030+”计划是一项关于未来电池技术的十年长期研究计划。

BATTERY 2030+计划将召集欧洲以及整个价值链上的顶尖科学家，以实现电池科学技术的飞跃。

BATTERY 2030+的愿景是，发明未来的电池，为欧洲工业创造颠覆性技术和整个价值链的竞争优势。BATTERY 2030+将通过跨学科研究方法，利用人工智能、机器人技术、传感器和智能系统等先进技术，追求超高性能、可靠、安全、可持续和价格合理的电池。

二、总体目标

BATTERY 2030+既明确了有待克服的困难，又指出为实现具有超高性能、可靠性、安全、可持续和价格合理的电池需要开发的工具。

总体目标是实现能够适用于不同应用场景，且具备超高性能和智能功能的可持续电池。所谓的超高性能指的是，能量密度和功率密度接近理论限值，使用寿命和可靠性非常出色，安全性、环境可持续性和可扩展性得到强化，能够以具有竞争力的成本大规模量产电池。

它面对着两大挑战。第一个重要挑战是实现最佳的电池性能。针对于此，新材料和新化学体系的开发过程必须加快。面对电池中有害的腐蚀和化学副反应，新材料需要保持稳定。特别需要注意的是电池界面处发生的复杂反应，如电极材料与电解液之间、电极与集电器之间、电极不同材料之间。BATTERY 2030+提议研究电池界面基因组（BIG）-材料加速平台（MAP），采用AI大幅减少电池材料的开发周期。核心是，开发可共享欧洲数据基础架构，实现自动采集、处理和利用各个领域电池开发环节的数据。

第二个重要挑战是延长和强化电芯及电池系统的使用寿命和安全性。寿命和安全性对于未来电池的尺寸、成本和可接受度有着关键影响。为了实现这些目标，Battery 2030+提出两种不同且互补的方案：开发直接在电芯层面探测化学反应和电化学反应的传感器；通过使用电芯间的自我修复功能提高电池的性能。

与目前最先进的电池技术相比，《电池2030+》旨在影响电池技术的未来发展：

第一，将电池实际性能（能量密度和功率密度）和理论性能之间的差距缩小至少1/2。

第二，将电池的耐用性和可靠性至少提高3倍。

第三，（对于特定的电力组合）将电池的生命周期碳排放量至少减少1/5。

第四，使电池的回收率达到至少75％，并且关键原材料回收率实现接近100％。

三、五大研究领域

到目前为止，BATTERY 2030+已经确定了五个主要研究领域来应对下一代电池的开发挑战。路线图中列出的研究领域包括：

材料加速平台（Materials Acceleration Platform，MAP）电池界面基因组（Battery Interface Genome，BIG）智能感测和自我修复（Smart sensing and self-healing）规模制造（Manufacturability）电池回收（Recyclability）

拟议的研究领域在化学上都是中性的，这意味着它们可以应用于不同类型电池化学物质中，从而对最新技术和未来的电化学存储系统产生影响。

不同研究领域之间的关联

研究工作将涵盖整个价值链。例如，如果传感器、自修复化学或其他智能功能得到应用，则不仅会影响可制造性和可回收性，还会影响电池管理系统（BMS）操作系统、硬件和软件的开发。

四、材料加速平台（MAP）

从能源生产、存储，到交付和最终使用，材料的发现和开发贯穿始终。特别是对于新兴的电池技术，先进材料几乎是所有清洁能源创新的基础。依靠现有的反复试验开发过程，新型高性能电池材料和电池设计开发需要大量的精力、物力和时间。从最初发现到实现商业化可能需要长达10年的时间。而在BATTERY 2030+，项目为了加速超高性能、可持续、智能电池的开发，而采取更快，更节能和更具成本效益的电池开发方法。这就是建立一个欧洲范围内共用的材料加速平台（MAP）。该平台将与下文中的电池界面基因组（BIG）集成在一起。

按照设定，BIG-MAP基础设施是模块化的，具有高度通用性，可以容纳所有新兴的电池化学、材料成分、结构和界面。MAP也将利用AI从许多互补的方法和技术中集成和编排数据。

建立电池MAP平台的要素

若依靠传统的研究策略开发新型电池材料的，广泛采用的是爱迪生的试错法，开发价值链的每一步都有赖于前一步骤的成功。近年来，有事实显示，循环设计中虚拟的（通常是原子级）计算材料设计和操作表征技术紧密集合，可以加快下一代电池开发，例如高容量锂离子阴极、二次金属-空气电池的材料。但是还需要进一步加速，才能实现雄心勃勃的2030计划。

4.1 MAP关键领域的最新技术

数据基础结构和数据库是加速电池材料和界面合理设计的主要需求。它可以确保不同来源（例如实验、测试和建模）的高质量数据的访问和互操作性。欧洲及其他地区正在创建广泛的、灵活的且可共享的数据库以及资料库。此外，诸如PRACE和EuroHPC等计算基础设施，以及UNICORE，SimStack，AiiDA和Materials Cloud等平台促进了高效、可靠的高通量计算。

多尺度建模，电池性能和寿命由发生在不同时间和长度尺度上的工艺所决定。电池模拟需要从不同的长度和时间尺度上获得信息，例如，遵循EMMC的指导原则。

材料和界面的实验表征，例如同步加速器和中子散射设施，在确保获取足够描述电池材料和界面的高保真数据过程中发挥着关键作用。

自动合成机器人，由中央AI控制和指挥，是闭环材料开发的核心要素。高度自动化，高通量合成物现已成为有机和药物研究的最新技术，在固体和薄膜材料开发中也有应用。对于用于储能材料，机器人辅助的合成和自动化也实现了高通量筛选技术在电解液、电极活性材料的应用。

高通量筛选技术，在加速相关电池材料的配制时，通过使用自动化、小型化分析和大规模数据分析，对大型复合库应用高通量技术，可以将速度提高一个数量级。

材料开发中的人工智能，用于训练模型的庞大的、精选的数据集是否可用，是基于AI / ML预测技术能否成功应用前提。. ChemOS 和Phoenix等软件包已在自动驾驶实验室的原型开发阶段，但尚未实现电池应用。

4.2 未来开发重点

欧洲据点，始终是未来电池技术开发的前提。AlistoreERI等跨国研究，RS2E、英国Faraday机构、CELEST德国财团等国家级研究，都表明较之个体实验室，合作可以创造更多新技术。因此欧洲正在结合各界优势，创造欧洲级别的电池材料加速平台。

自主合成机器人，直到今天，电芯级电池材料和测试的全面电化学表征是加快新型电池材料和界面开发速度的一个瓶颈。为了在特定应用的背景下探索更大种类的材料，有必要进一步开发高通量合成机器人，构建电解液配方和电极活性材料的表征。

高通量/高保真度表征，建立用于电池材料及其原位和运行过程中表征的自动化高通量基础设施。它将以物理参数为导向的数据驱动的建模和数据生成相结合，对电池及其内置活性材料进行高通量测试，从而开发加速电池材料和界面开发的平台。

跨区域数据基础架构，建立通用的数据基础设施，有助于确保闭环材料开发过程中，实验数据能够跨机构适时集成和建模。

多维度互连和集成工作流程，机器学习和物理导向的数据驱动模型可用于识别最重要的参数，特征或图谱。释放多维度模型的潜力来支持新材料和设备创造，需要新创新方法桥接。

人工智能开发，解决难题的关键是开发混合模型。基于AI技术开发的预测受限于物力定律。这些模型必须在大量精选数据中得到训练，数据来自先进的多维度计算模型、材料数据库和文献，以及运行过程中的表征。

统一数据协议，利用欧洲材料建模委员会（EMMC）和欧洲材料与建模本体（EMMO）支持的语义访问协议，以及联合学术界和工业界、材料建模和工程的私人团队，实现整个电池价值链中的数据标准化。

电池材料和界面的逆向设计，通过所需的性能目标，定义电池材料和界面的成分和结构。

4.3 研发目标

自动化BIG-MAP愿景是开发有一种通用的、化学中性的框架，能够提升10倍新型电池材料和界面开发速度。

短期目标：开发用于电池材料和电池的共享且可互操作的数据基础架构；涵盖电池发现和开发周期所有领域的数据；自动化的工作流程，用于识别和传递不同时间和维度的特征/参数；构建基于不确定性的数据驱动和物理混合模型。

中期目标：在MAP平台中实施电池界面基因组，能够集成计算建模、自主合成机器人和材料表征；成功演示电池材料可逆设计过程；在发现和预测过程中直接集成来自嵌入式传感器的数据，例如协调主动的自我修复

长期目标：在BIG-MAP平台中建立并展示完全自主和化学中性；集成电芯组装和设备级测试；在材料开发过程中实现可制造性和可回收性；材料开发周期5倍加速；实施并验证电芯级超高通量测试的数字技术。

五、电池界面基因组（BIG）

MAP提供加速开发的基础设施骨干，而BIG将提供必要的协议和模型，以预测和控制关键界面和相间的成因及动力。

5.1 未来开发重点

开发面向更高的空间分辨率、时域和操作条件的新型计算和实验技术，获得超高性能电池系统构造的新认知。

为了开发电池界面基因组，需要高质量/高保真度数据。它要求开发高级操作实验技术以用于建立原子级认知。

结合实验、理论和数据驱动的全新方法将是必要的，必须基于物理的混合模型和仿真技术来描述前沿操作实验。

进一步开发和利用高保真度表征技术，对电池界面及其动态变化进行精确表征，由此建立大规模共享基础设施或数据库。

制定电池材料和电芯标准化测试协议，以便通过对比电芯性能和化学性质来提取有关电池界面的关键信息。

开发更精确的模型，以解决更真实的界面、老化、退化问题，以及复杂的设计方法。它需要足够的数学框架，将电子、原子和介观模型与连续模型相结合。

5.2 研发目标

短期目标：建立全欧范围内的电池界面表征/测试协议和数据标准；使用AI和仿真技术进行表征和测试即时分析的自动化模块；开发可操作的高通量和高保真界面表征方法。

电池相间设计的生成模型

中期目标：开发用于电池界面的时空演化预测的混合模型；成功演示电池中间相逆向设计模型；在MAP平台（BIG-MAP）中使用电池接口基因组，能够集成计算建模、自动合成机器人和材料表征。

长期目标：在BIG-MAP平台中建立并展示完全自动化和化学中性；界面性能提升5倍；展示电池界面基因组向新型电池化学物质和界面的可移植性。

六、智能功能的集成——传感器

虽然温度监控对于延长循环寿命和使用寿命至关重要，但是当前的技术还不足以在电芯层面直接进行监测。为了大幅提升电芯的质量，可靠性和使用寿命（总简称QRL），需要在循环中对物理参数进行更好的了解/监测，以及对电芯内发生的寄生化学过程进行科学理解。为了突破现有的局限性，我们提出一种颠覆性的方法，即在电芯中注入智能嵌入式传感器。

装有输出分析器的新型电池

6.1 未来开发重点

将智能嵌入式传感技术和功能装入电池，集成、开发多种传感器，如光学、电学、热学、声学和电化学传感技术，进行电芯内外信息的传输。

由于电池环境的化学性质苛刻，我们需要开发具有以下特点的传感器：具有极高化学和热稳定性的创新化学涂料。将传感器集成、注入电池需要将其尺寸减小到几微米，以适合电极隔板的厚度。终极挑战是采用无线传感技术，避免连接布线问题。减少接线的第一步可能包括开发能够同时监测多个参数的新型传感器。

方法必须系统化，并覆盖电池组，BMS和应用的三方联系。传感技术将提供巨大的数据量，对人工智能（AI）有利。

6.2 研发目标

短期目标：开发电芯级别的基于多种传感技术和简单集成的非侵入性多传感方法，易用于电池化学环境，具有评估不同相关现象的可能性（如界面动力学，电解液降解，枝晶生长，金属溶解，材料结构变化）；监测电池工作期间关键参数的正常-异常变化，并定义从传感器到BMS的适当的传递函数。通过实时传感将工作温度窗口扩大>10%。

中期目标：实现电芯级别以及电池模块级别的多功能（电）化学稳定传感技术的小型化和集成化，以具有成本效益的方式与工业生产过程兼容；建立新的自适应和预测控制算法，利用传感数据实现高级BMS；BIG-MAP集成感应和自我修复功能；多价电极体系过电压降低>20%；锂离子电池的电压窗口增加>10%。

长期目标：通过无线方式，依靠新的AI协议，掌控传感器与先进BMS之间的通信，打造完全可操作智能电池包；在未来的电芯设计和化学生成中，将感测/监视与刺激激活的局部修复机制（例如自修复）相结合，通过传感-BMS-自我修复机制的集成实现智能电池。

七、智能功能的集成——自我修复

要真正确保可靠性，电池应该能够自动感知损坏，并恢复原始配置及其整个功能。传感和自我修复功能紧密相连。我们对智能的终极愿景是电池集成这两个功能。

从传感器检测到的信号将被发送到电池管理系统并进行分析，如果出现问题，BMS将发出信号发送给执行器以触发自我修复过程。

电池材料中自我修复机制的示意图

7.1 未来开发重点

隔膜功能化，使用隔膜将分子接枝固定在多孔通道内，隔膜可以像电极一样具有自修复特性。

高分子膜，既可以用作固体聚合物电解质，也可以用作电极氧化还原活性物质或混合固态电解质的成分。

生物基隔膜，控制电解液的分解从而改善电池的老化。需要使用无毒和生物基分子/蛋白质（例如环糊精）的化学方法，设计薄而多孔的可控膜。

自我修复电极，可逆边界制成的滑动凝胶可用于控制隔膜表面的组织并优化电池装置的效率。另一种选择是复合电极，它含有通过刺激来释放修复剂的微胶囊。微胶囊具有矿物或聚合物外壳，壳破裂后会释放锂盐、钠盐等。

7.2 研发目标

短期目标：欧洲研究团队跨领域合作，形成一个新的研究组织，开发电池的自我修复功能；工程师对隔膜进行功能化并开发依靠H-H键进行可逆交联的超分子结构，以修复电极-隔膜，同时与目标电池的化学性质兼容。

中期目标：设计可容纳多种功能有机-无机修复剂胶囊的隔膜，可通过磁性、热或化学作用触发自我修复功能；确定与刺激驱动的自我修复操作相关的响应时间，修复电极断裂或SEI老化。

长期目标：设计和制造具有受控功能和孔隙率的低成本生物基隔膜，用于离子检测和调节模拟由生命科学蛋白制成的通道；在电芯传感和BMS之间建立有效的反馈回路，通过外部刺激适当触发已经植入电芯的自我修复功能。

八、新型电池技术的可制造性

8.1 未来开发重点

在未来应避免使用当前的反复试错方法，并且电芯和制造过程必须“智能化”，给他们创造一个数字身份。可以总结出如下未来电池设计和制造过程所需的进步：

引入新机能，例如自修复材料/界面、传感器或其他执行器、电池生态设计和替代电池设计。灵活的制造工艺和高精度的建模工具，优化加工条件和机器参数，尽量减少人工，反复试验和废品；开发用于处理焊膏和电池性能的实时模型（即电池制造的数字化模型）。在电芯制造过程中开发和验证多重物理量和多尺度模型，准确了解制造的每个步骤。

8.2 研发目标

短期目标：从最先进的信息开始，重点放在电芯设计方法。改进模拟工具，例如多物理量模型，减少电芯设计的计算量，并通过深度学习和机器学习应用当前的AI技术。

AI驱动的设计和制造方法作为一个整体联系在一起

中期目标：将BIG, MAP，传感器，自我修复，回收和其他创新整合到制造过程中；在完成电芯级别设计后，采用AI驱动的制造方法，即模型-> AI->制造（包含新制造技术以及制造过程的数字模型）；可扩展的电池化学成分，例如多价和有机的；证明已建立的BIG-MAP平台向如液流电池等可替代电池概念的可移植性。

长期目标：通过在整体原型开发中集成电芯设计子循环，成熟地实施整体AI驱动方法，作为BIG-MAP平台的完全自主系统。该方法有助于新技术的商业化，将逐步用于工业和学术界。

九、电池回收

根据回收效率规定，回收物含量应达到：铅酸电池重量的65％，镍镉电池的重量的75％，其他电池的重量的50％。

9.1 未来开发重点

基于一种新型的综合方法来回收材料和传感器，BATTERY 2030+将提出一个基于以下方面的新模型：

数据收集和分析（来自标签、BMS、传感器...）现代低碳足迹物流概念，包括分散式处理；自动将电池包拆解到电芯级别；尽可能探索重复使用和再利用；自动拆解电芯至最大的单个组件；开发选择性粉末回收技术，并对其翻新为电池级活性物质。在不可能的情况下，进行成分调整，合成为前驱体；促进和发展国际合作

在BATTERY 2030+ 10年的时间跨界内，一个电池回收的循环模型将被设计出来，其中包含具体拆卸和装配方法：

电池设计中尽可能延长寿命，并考虑重新校准、翻新以及二次使用和多次使用的适用性；集成传感器和自我修复，可用于识别损坏/老化组件，并为它们的重复使用做准备；可追溯性，尤其是整个电芯生命周期中关键原材料（CRM）的可追溯性，自动电池分拣和评估，以及开发对有价值、关键材料的有效、单步的、低成本和可持续的回收处理方法；选择性回收过程将需要人工智能和分拣设备，而且需要适用于任何电池技术的通用方法：即使是金属-空气电池等新型电池，该通用方法也能最大化回收电池组件。