技術發(fā)展數字化趨勢勢不可當，電池技術也不例外。近日，歐盟“電池2030+”（BATTERY 2030+）計劃工作組發(fā)布的電池研發(fā)路線圖第二版草案，給出了雄心勃勃的計劃目標，以及材料研發(fā)、電池界面/相間研究、先進傳感器、自修復功能、電池制造、電池回收6個領域的研發(fā)路線，特別值得關注的其底層研究方法中突出的“數字化”特征。本文轉載自“先進能源科技戰(zhàn)略情報研究中心”公眾號，希望對儲能領域研究人員有所啟發(fā)。
近日，歐盟“電池2030+”（BATTERY 2030+）計劃工作組發(fā)布了電池研發(fā)路線圖第二版草案，提出未來10年歐盟電池技術的研發(fā)重點，旨在開發(fā)智能、安全、可持續(xù)且具有成本競爭力的超高性能電池，使歐洲電池技術在交通動力儲能、固定式儲能領域以及機器人、航空航天、醫(yī)療設備、物聯網等未來新興領域保持長期領先地位。該路線圖草案提出了歐盟電池研發(fā)的長期愿景和總體目標，指出未來將圍繞材料開發(fā)、電池界面/相間研究、先進傳感器、自修復功能四個主要研究領域，以及制造和回收利用兩個交叉研究領域開展新概念技術（技術成熟度在1-3級）研發(fā)活動。
歐盟委員會在2018年5月公布的《電池戰(zhàn)略行動計劃》中宣布將設立一個大型的電池研發(fā)長期計劃，并在當年12月發(fā)布《電池2030+宣言》，闡述了“電池2030+”計劃的目標、愿景和重點研發(fā)領域。2019年3月，歐盟啟動“電池2030+”協調和支持行動，以確定“電池2030+”計劃的研發(fā)路線圖。本次發(fā)布的研發(fā)路線圖第二版草案經討論修改后，將于2020年2月底提交給歐盟委員會。路線圖主要內容如下：
一、“電池2030+”計劃目標
研發(fā)具有超高性能的智能、可持續(xù)電池，以應用于各種領域。此類電池將具備超高性能（即能量和功率密度接近理論極限）、出色的使用壽命和可靠性、增強的安全性和環(huán)境可持續(xù)性以及可擴展性，并能以具有競爭力的成本大規(guī)模量產。
通過“電池2030+”計劃在未來10年的研究，將為電池技術帶來如下影響（與當前技術相比）：①將電池實際性能（能量密度和功率密度）和理論性能之間的差距縮小1/2；②至少將電池的耐用性和可靠性提高三倍；③將電池的生命周期碳足跡至少減少五分之一（對于給定的電力組合）；④電池回收率至少達到75%，關鍵原材料回收率接近100%。
二、重點領域研發(fā)路線
1、材料開發(fā)
（1）研發(fā)重點
通過創(chuàng)建材料加速平臺，將合作伙伴的優(yōu)勢互補與現有的合作環(huán)境相結合，以支持提高對電池材料認識的研究工作。重點研發(fā)技術包括：①開發(fā)高通量自主合成機器人，以解決電解質配方和電極活性材料及其組合時的材料表征問題；②建立用于對電池材料及其原位和運行過程中表征的自動化高通量基礎設施，將物理參數導向的基于數據的建模和數據生成相結合，對電池及其活性材料進行高通量測試，建立可加速開發(fā)新材料和界面的電池材料平臺；③建立基于分布式訪問模型的跨部門通用數據基礎架構，確保在材料的閉環(huán)研發(fā)過程中，能夠實時進行跨部門實驗數據集成和建模；④多尺度互連和集成工作流程，通過機器學習和物理理論導向的數據驅動模型識別最重要的參數和特征，開發(fā)創(chuàng)新方法以有效和穩(wěn)固的方式最佳地耦合和連接不同尺度的模型；⑤開發(fā)人工智能，將基于AI技術開發(fā)集成物理參數和數據驅動的混合模型；⑥統(tǒng)一數據協議，利用歐洲材料建模委員會（EMMC）和歐洲材料與建模本體（EMMO）支持的語義訪問協議，并將學術界和工業(yè)界、材料建模和工程聯系起來，實現整個電池價值鏈中的數據標準化；⑦電池材料和界面的逆向設計，通過所需性能目標來定義電池材料和/或界面的組成和結構，從而顛覆傳統(tǒng)的開發(fā)過程。
（2）研發(fā)目標
短期目標：開發(fā)用于電池材料和界面的共享且可互操作的數據基礎架構，涵蓋電池發(fā)現和開發(fā)周期內所有領域的數據；自動化的工作流程，可識別并在不同的時空尺度之間傳遞特征/參數；構建基于不確定性的材料和界面的數據驅動和物理混合模型。
中期目標：在材料加速平臺中實施電池界面基因組，能夠集成計算建模、自主合成機器人和材料表征；成功演示電池材料可逆設計過程；在發(fā)現和預測過程中直接集成來自嵌入式傳感器的數據。
長期目標：在電池界面基因組-材料加速平臺上建立并示范完全自主開發(fā)過程；集成電池組裝和設備級測試；在材料開發(fā)過程中實現可制造性和可回收性；示范材料開發(fā)周期的5倍加速；實施并驗證用于電池超高通量測試的數字技術。
2、電池界面/相間研究
（1）研發(fā)重點
在電池界面/中間相研究方面，將重點關注如下研究：①開發(fā)針對更高的空間分辨率、時域和運行條件的新型計算和實驗技術，以獲得超高性能電池系統(tǒng)構造的新認知；②開發(fā)結合實驗、理論和數據驅動的全新研究方法，通過基于物理的數據驅動混合模型和仿真技術以描述最先進的實驗；③開發(fā)具有高保真度的電池界面表征技術，通過對電池界面及其動態(tài)特性的精確表征，建立電池界面屬性的大型共享數據庫；④設計電池及其材料的標準化測試協議，以便通過將電池性能與其化學性質進行比較來獲取有關電池界面的關鍵信息；⑤開發(fā)更精確的模型，以接近最真實的界面、老化和退化情況。
（2）研發(fā)目標
短期目標：為電池界面建立規(guī)范的特性/測試協議和數據標準；開發(fā)自主模塊可利用AI和仿真模擬技術進行動態(tài)特征分析和數據測試；開發(fā)可互操作的高通量和高準確度的界面表征方法。
中期目標：為電池界面的空間和時間變化過程開發(fā)預測混合模型；電池中間相逆向合成設計模型的示范；電池界面基因組-材料加速平臺得以實現，能夠集成計算建模、自主合成機器人技術和材料表征。
長期目標：在電池界面基因組-材料加速平臺上建立并示范完全自主開發(fā)過程；證明界面性能提高了5倍；證明電池界面基因組到新型電池化學和界面的可移植性。
3、先進傳感器
（1）研發(fā)重點
在先進傳感器方面，將重點關注如下研究：①將智能功能嵌入電池，集成和開發(fā)適用于電池的多種傳感器，如光學、電學、熱學、聲學和電化學傳感器，并設計/開發(fā)固體電解質中間相動態(tài)監(jiān)測功能；②將傳感器嵌入電池，開發(fā)具有創(chuàng)新化學涂層的傳感器，將傳感器尺寸減小到幾微米以適合電極隔板的厚度，采用無線傳感技術來避免連接布線問題，還可開發(fā)能夠監(jiān)測多個參數的新型傳感器。
（2）研發(fā)目標
短期目標：開發(fā)基于各種傳感技術和簡單集成的非侵入性多傳感方法，為評估電池內的界面動力學、電解質降解、枝晶生長、金屬溶解、材料結構變化等現象提供可能；監(jiān)測電池工作期間關鍵參數的正常-異常變化，并定義從傳感器到電池管理系統(tǒng)的傳遞函數；通過實時傳感將工作溫度窗口擴大>10%。
中期目標：實現（電）化學穩(wěn)定傳感技術的微型化和集成，以經濟有效的方式與工業(yè)制造過程兼容，在電池層面和實際電池模塊中均具有多功能；利用先進電池管理系統(tǒng)傳感數據，建立新的自適應預測控制算法；在電池界面基因組-材料加速平臺中集成感應和自修復功能；多價電極體系過電壓降低>20%；將鋰離子的電壓窗口增加>10%。
長期目標：依靠新的AI協議輔助的先進電池管理系統(tǒng)，通過無線傳感器通信實現完全可操作的智能電池組；在未來的電池設計中，將感測/監(jiān)視與刺激引起的局部修復機制（例如自修復）結合，從而可以通過集成感測-電池管理系統(tǒng)-自修復系統(tǒng)來獲得智能電池。
4、自修復功能
（1）研發(fā)重點
在電池自修復方面，將重點關注如下研究：①功能化電解質隔膜，研究電解質隔膜孔道內接枝的方法，經過專門設計使其具有自修復特性；②針對大多數組件和界面開發(fā)聚合物自修復策略，也將探索超分子在自修復多相固體聚合物電解質系統(tǒng)中的應用；③開發(fā)生物基電解質隔膜，通過控制電解質的分解從而改善電池老化，使用無毒的生物基分子/蛋白質（例如環(huán)糊精）設計薄而多孔的可控隔膜，其選擇性可以通過使用和優(yōu)化蛋白質工程來實現；④探索利用滑動輪凝膠控制隔膜表面的有機物并優(yōu)化電池裝置的效率，另外將研究復合電極，其包含能夠通過施加刺激來釋放修復劑的微膠囊，將設計具有礦物或聚合物殼的微囊，在受刺激破裂時將釋放鋰鹽、鈉鹽等。
（2）研發(fā)目標
短期目標：進行跨領域合作，為建立新的電池研究領域打下基礎，從而開發(fā)電池的自修復功能。對隔膜進行功能化處理，并開發(fā)依靠H-H鍵可逆交聯的超分子結構，以修復電極-隔膜的膜破裂，同時與目標電池的化學性質兼容。
中期目標：設計具有可容納多種功能有機-無機修復劑膠囊的隔膜，可通過磁、熱或電模量觸發(fā)以實現自動修復；確定與刺激驅動的自修復操作相關的響應時間，以修復與電極斷裂或固體電解質中間相老化有關的故障。
長期目標：設計和制造具有受控功能和孔隙率的低成本生物基電解質隔膜；在電池傳感器和電池管理系統(tǒng)之間建立有效的反饋回路，以通過外部刺激適當觸發(fā)已經植入電池的自修復功能。
5、電池制造
（1）研發(fā)重點
未來電池制造應避免使用當前的反復試錯方法，并且電池和制造過程必須“智能”，開發(fā)電池數字化模型。因此需進行如下工作：①引入新功能，如自修復材料/界面、傳感器或其他執(zhí)行器、電池生態(tài)設計和替代電池設計；②開發(fā)靈活的制造流程和高精度建模工具，以優(yōu)化工藝、條件和機器參數，開發(fā)用于處理電極漿料和電池性能的實時模型（即用于電池制造的數字化模型）；③在電池制造過程中開發(fā)和驗證多重物理量和多尺度模型，以更準確了解制造過程的每個步驟。
（2）研發(fā)目標
短期目標：重點開發(fā)電池設計方法，改進仿真工具（如多物理場模型），通過深度學習和機器學習方法減輕電池單元設計的計算量并應用當前的AI技術
中期目標：開發(fā)電池界面基因組、材料加速平臺、傳感技術、自修復、回收和其他創(chuàng)新領域，并將其整合到流程中；在電池級設計取得進展之后，將啟動并實施基于AI制造方法，即建模-> AI->制造（包括新技術的制造以及制造過程中的數字化模型）；規(guī)模可擴大的電池，如液流電池。
長期目標：通過在整體原型開發(fā)中集成電池單元設計，可以成熟地使用整體由AI驅動的方法，實現基于電池界面基因組-材料加速平臺的完全自主系統(tǒng)。利用這種方法開發(fā)可商業(yè)化的最新電池技術。
6、電池回收
（1）研發(fā)重點
計劃將開發(fā)突破性的電池回收工藝，主要研究方向包括：①數據收集和分析（通過標簽、電池管理系統(tǒng)、傳感器等）；②現代低碳足跡物流概念，包括分散式處理；③自動將電池組拆解到單元級別；④盡可能探索重復使用和再利用；⑤自動拆解電池至最大的單個組件；⑥開發(fā)選擇性粉末回收技術，并將其“翻新”為電池活性物質，如果不可能，則通過調整組成來合成活性物質前驅體。
為此，將進行特定研發(fā)活動：①電池設計中盡可能延長壽命，并考慮重新校準、翻新以及二次使用和多次使用的適用性；②集成傳感器和自修復功能，用于識別損壞/老化的組件并為它們的重復使用做準備；③開發(fā)可追溯性概念，特別是整個電池生命周期中關鍵原材料的可追溯性，自動電池分揀和評估，以及開發(fā)對有價值關鍵材料的有效、低成本和可持續(xù)的一步回收處理；④選擇性回收過程中將使用AI技術和分揀設備，同時還將尋求適用于所有電池的通用過程，確保即使是金屬-空氣電池等新型電池，也能最大程度地回收電池組件。
（2）研發(fā)目標
短期目標：開發(fā)用于數據收集和分析的系統(tǒng)，開發(fā)用于電池組/模塊分揀和重復利用/再利用的技術，并開發(fā)自動拆解電池的方法。將開發(fā)用于電池快速表征的新測試技術。
中期目標：開發(fā)自動將電池拆解成單個組件的技術，粉末和組件的分選和回收技術，以及將其“翻新”為先進的新型電池活性材料的技術。在電池中測試回收的材料。將開發(fā)二次應用中材料再利用的預測和建模工具。顯著提高關鍵原材料的回收率并明顯改善對能源和資源的消耗。
長期目標：開發(fā)和驗證完整的直接回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在經濟上可行、安全且環(huán)境友好，并且比目前的流程具有更低的碳足跡。
