中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近期，歐洲電池技術(shù)與創(chuàng)新平臺(tái)“電池歐洲”（Batteries Europe）發(fā)布《2025年歐洲電池研發(fā)創(chuàng)新路線圖》[1]，在2023年版本基礎(chǔ)上進(jìn)行更新，其中針對(duì)7種新興電池技術(shù)以及性能表征、仿生技術(shù)、材料發(fā)現(xiàn)與模擬、電池設(shè)計(jì)和制造等5項(xiàng)共性技術(shù)，明確了到2029年、2035年和2040年3個(gè)節(jié)點(diǎn)[2]的研發(fā)重點(diǎn)。同時(shí)，Batteries Europe還更新了2024年《電池戰(zhàn)略研究和創(chuàng)新議程》[3]設(shè)定的2035年電池技術(shù)研發(fā)關(guān)鍵性能指標(biāo)。
一、新興電池技術(shù)
1、下一代液流電池
氧化還原液流電池涵蓋多種化學(xué)體系和技術(shù)，2023年路線圖確定的挑戰(zhàn)仍然存在，包括：①開發(fā)先進(jìn)材料、高效膜以及固態(tài)增強(qiáng)劑等顛覆性概念；②運(yùn)行計(jì)算工具并驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)，探索雙應(yīng)用化學(xué)體系。新版路線圖強(qiáng)調(diào)需解決以下問題：
短期（2029年）：為低成熟度技術(shù)設(shè)計(jì)新型活性材料和先進(jìn)組件（如低成本無機(jī)材料、新型有機(jī)化合物和有機(jī)金屬化合物），開發(fā)針對(duì)特定化學(xué)成分優(yōu)化的電極和低成本催化劑以提高功率性能。
中期（2035年）：開發(fā)穩(wěn)健的生產(chǎn)工藝，以支持可持續(xù)電池組件和系統(tǒng)的商業(yè)化。
歐盟明確了到2035年釩液流電池的關(guān)鍵性能指標(biāo)（表1）。
表1 到2035年釩液流電池研發(fā)關(guān)鍵性能指標(biāo)
2、高性能、安全可靠的金屬-空氣電池
金屬-空氣電池采用輕量化設(shè)計(jì)，具有高能量密度，2023年路線圖重點(diǎn)提出解決可充電性、副反應(yīng)和電解質(zhì)穩(wěn)定性問題，新版路線圖進(jìn)一步拓展為：
短期（2029年）：①開發(fā)低成本催化劑（如Mn(II)O/氮摻雜碳材料、單原子催化劑、高熵材料等）；②設(shè)計(jì)固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)金屬-空氣電池，以解決穩(wěn)定性、氧氣交叉滲透、枝晶生長(zhǎng)及副反應(yīng)等問題；③開發(fā)3D打印電極，以提高能量密度與耐久性；④為電網(wǎng)集成與消費(fèi)電子產(chǎn)品構(gòu)建可擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案；⑤優(yōu)化鋅-空氣電池系統(tǒng)，用于電網(wǎng)和緊湊型應(yīng)用場(chǎng)景。
中期（2035年）：①通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升功率密度與循環(huán)壽命；②將應(yīng)用拓展至可穿戴設(shè)備、醫(yī)療器械與電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。
歐盟明確了到2035年鋅-空氣電池的關(guān)鍵性能指標(biāo)（表2）。
表2 到2035年鋅-空氣電池研發(fā)關(guān)鍵性能指標(biāo)
3、具有更高能量密度的金屬-硫電池
金屬-硫電池采用硫基正極和金屬負(fù)極（如鋰、鈉、鎂），該技術(shù)的局限性包括硫轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)緩慢、多硫化物穿梭效應(yīng)以及循環(huán)過程中電解質(zhì)消耗等問題。2023年路線圖提出的所有挑戰(zhàn)仍然存在，并新增以下需求：
短期（2029年）：①開發(fā)低成本、可持續(xù)來源的硫基載體材料和電催化劑納米顆粒；②開發(fā)適用于軟包電池中試生產(chǎn)的工藝技術(shù)（如鋰負(fù)極和硫正極處理技術(shù)）。
中期（2035年）：①擴(kuò)大硫基載體材料的合成規(guī)模，理想情況下采用低成本、可持續(xù)且在歐洲儲(chǔ)量豐富的前驅(qū)體；②開發(fā)專門針對(duì)金屬-硫電池的復(fù)合聚合物電解質(zhì)和凝膠聚合物電解質(zhì)。
歐盟明確了到2035年鋰-硫電池的關(guān)鍵性能指標(biāo)（表3）。
表3 到2035年鋰-硫電池研發(fā)關(guān)鍵性能指標(biāo)
4、下一代水系電池
水系電池采用無毒、不可燃的電解質(zhì)及儲(chǔ)量豐富、成本低廉的材料，鋅離子和鈉離子化學(xué)體系表現(xiàn)出了良好的前景，其他類型的水性電池也正被研究。面臨的挑戰(zhàn)包括電解質(zhì)電壓窗口有限以及電極溶解等問題，最關(guān)鍵的研發(fā)需求是建立能在電解質(zhì)中保持充分穩(wěn)定的材料體系，從而避免副反應(yīng)的發(fā)生。還需解決以下問題：
短期（2029年）：①研究濃度和pH值的影響，開發(fā)新型凝膠電解質(zhì)和分區(qū)專用電解質(zhì)，以拓寬電壓窗口并降低電極溶解度，同時(shí)研發(fā)更廉價(jià)、可回收的電解質(zhì)鹽；②通過涂層技術(shù)提高電解質(zhì)穩(wěn)定性，防止電極溶解；③研究可回收電池組件，包括電解質(zhì)的回收利用。
中期（2035年）：①設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)以規(guī)避材料穩(wěn)定性問題，包括緊湊型系統(tǒng)和排氣型系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)方案；②開發(fā)針對(duì)電池組件（包括電解液）的回收工藝。
歐盟明確了到2035年金屬離子水系電池的關(guān)鍵性能指標(biāo)（表4）。
表4 到2035年金屬離子水系電池研發(fā)關(guān)鍵性能指標(biāo)
5、零過量鋰/鈉電池
零過量鋰/鈉電池采用金屬負(fù)極和放電狀態(tài)下的正極活性材料，其無需額外金屬儲(chǔ)層，可實(shí)現(xiàn)無負(fù)極配置。這種創(chuàng)新方法有可能實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)電池更高的能量密度，同時(shí)大幅降低制造成本，并減少關(guān)鍵原材料的使用，能夠降低環(huán)境影響。但其開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)，如在運(yùn)行過程中減少金屬損失、確保界面穩(wěn)定性以及擴(kuò)大制造規(guī)模等。盡管已取得顯著進(jìn)展（如加深了對(duì)鋰成核/生長(zhǎng)過程及界面效應(yīng)的認(rèn)知），仍需解決以下挑戰(zhàn)：
短期（2029年）：①開發(fā)厚度小于20微米的輕質(zhì)、可持續(xù)親鋰/鈉集流體，以確保在中到高電流密度（大于1毫安/平方厘米）和較高循環(huán)深度（大于3毫安時(shí)/平方厘米）下實(shí)現(xiàn)鋰的均勻沉積與剝離過程；②提出并評(píng)估界面與涂層解決方案，用于原位或非原位構(gòu)建穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI膜），以提升可逆性并減少鋰腐蝕，并通過高通量實(shí)驗(yàn)手段加速合適方案的發(fā)現(xiàn)；③提升電解液循環(huán)效率，減少鋰損耗，防止電池阻抗升高。
中期（2035年）：①通過人工智能技術(shù)與基于物理的建模方法（如溫度、壓力等），優(yōu)化電池設(shè)計(jì)、成型/激活過程和運(yùn)行條件，從而實(shí)現(xiàn)電池組件在循環(huán)壽命和高比能方面的目標(biāo)；②循環(huán)壽命超過1000次，并具備更高安全性、低壓運(yùn)行能力和高能量密度；③成本降至每千瓦時(shí)75歐元以下，并確保所有材料符合《歐盟電池法規(guī)》、具備可回收性；④進(jìn)行安全性基準(zhǔn)測(cè)試，并驗(yàn)證具備至少1安時(shí)容量的電池設(shè)計(jì)，以滿足監(jiān)管合規(guī)性要求。
6、多價(jià)非水系電池
基于多價(jià)金屬（鎂、鈣、鋁、鋅）的可充電電池，相比鋰電池具有更高能量密度、更豐富的資源儲(chǔ)備、更安全的不可燃電解質(zhì)。然而，材料、電極和電池開發(fā)方面的重大挑戰(zhàn)限制了其實(shí)際應(yīng)用，如負(fù)極鈍化、有限的循環(huán)壽命以及某些使用單價(jià)電荷載體的化學(xué)體系中能量密度降低。此外，電極和電池制造技術(shù)的規(guī)?；に嚾蕴幱谠缙陔A段。除2023年路線圖中已確定的金屬負(fù)極鈍化策略和電解質(zhì)開發(fā)外，還需考慮以下方面：
短期（2029年）：①開發(fā)新型液態(tài)電解質(zhì)，重點(diǎn)關(guān)注成本、安全性、離子電導(dǎo)率、遷移數(shù)以及溫度穩(wěn)定性；②為緩解當(dāng)前電解質(zhì)的腐蝕性，需要開發(fā)穩(wěn)定且成本效益高的惰性材料（如集流體、隔膜、電池外殼等）；③探索有機(jī)正極活性材料，作為解決多價(jià)離子遷移速率慢問題的潛在方案。
中期（2035年）：①推進(jìn)多價(jià)電池用固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)，目前仍處于早期階段，目標(biāo)是提升性能和可靠性；②通過發(fā)現(xiàn)新型活性材料、優(yōu)化電極配方和粘結(jié)劑，以及深入研究電荷嵌入/脫嵌機(jī)制，促進(jìn)正極研發(fā)，以提升反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和整體性能，使其具備與現(xiàn)有鋰離子電池技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力；③探索基于硫的正極材料，其在低成本下可實(shí)現(xiàn)最高容量，并可與不同金屬-硫電池體系協(xié)同應(yīng)用；④開發(fā)電池制造工藝、新型回收方法及可回收設(shè)計(jì)，解決電池可制造性和可回收性問題。
7、混合超級(jí)電容-電池
混合超級(jí)電容-電池旨在結(jié)合電池的高能量密度與超級(jí)電容器的超高功率特性。除2023年路線圖已確定的需求外（如高性能氧化還原活性電解質(zhì)開發(fā)、新一代高能量/高功率材料等），需解決以下問題：
短期（2029年）：①支持高電壓和寬溫域運(yùn)行；②開發(fā)先進(jìn)集流體，提高導(dǎo)電性、降低接觸電阻，包括采用激光刻蝕等方法提升熱傳導(dǎo)性、機(jī)械穩(wěn)定性和降低電池重量，并確保與規(guī)?；I(yè)制造流程兼容；③開發(fā)適用于量產(chǎn)系統(tǒng)的新型低成本預(yù)金屬化策略，優(yōu)先考慮空氣穩(wěn)定性和溶液可處理性，以實(shí)現(xiàn)無縫集成與規(guī)?；圃旒嫒荨?/span>
中期（2035年）：實(shí)施可持續(xù)的制造與回收工藝，例如采用干法或水系工藝以應(yīng)對(duì)高負(fù)載碳基電極的加工，同時(shí)淘汰含氟粘結(jié)劑和有毒溶劑的使用。
二、共性技術(shù)
1、多模態(tài)表征
多模態(tài)表征技術(shù)通過整合先進(jìn)的多技術(shù)聯(lián)用、多尺度及原位表征方法，在分析和優(yōu)化電池材料方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，可提供前所未有的研究視角。需解決以下問題：
短期（2029年）：①制定標(biāo)準(zhǔn)化的多模態(tài)表征操作協(xié)議，確保各種技術(shù)間的可重復(fù)性與相關(guān)性分析；②建立歐洲電池中心作為協(xié)作平臺(tái)，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和集中數(shù)據(jù)共享；③改進(jìn)多技術(shù)、多尺度和原位表征方法，實(shí)現(xiàn)電池材料和界面實(shí)時(shí)分析；④創(chuàng)建開放獲取的數(shù)據(jù)平臺(tái)與分析工具，促進(jìn)學(xué)術(shù)界與工業(yè)界實(shí)驗(yàn)成果的整合應(yīng)用；⑤優(yōu)化表征技術(shù)，提升對(duì)材料與界面的理解。
中期（2035年）：①將先進(jìn)表征方法的研究成果轉(zhuǎn)化為面向市場(chǎng)的電池技術(shù)，加快多模態(tài)表征成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；②擴(kuò)展歐洲電池中心以支持大規(guī)模工業(yè)研發(fā)，提供便捷的途徑以利用最先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施和專家網(wǎng)絡(luò)資源。
2、仿生技術(shù)
基于2023年路線圖確定的優(yōu)先事項(xiàng)，仿生材料與生物基材料在電池設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出顛覆性潛力，可替代傳統(tǒng)的非活性組件（如隔膜、粘結(jié)劑、集流體、外殼及極耳）。需解決以下問題：
短期（2029年）：①探索將具有自修復(fù)功能的仿生與生物基材料應(yīng)用于高性能電池單元；②設(shè)計(jì)集成微膠囊“藥劑”的智能隔膜、粘結(jié)劑與集流體，用于延長(zhǎng)電池壽命；③驗(yàn)證在電池中嵌入智能功能（如自修復(fù)等）在提升性能與延長(zhǎng)壽命方面的優(yōu)勢(shì)。
中期（2035年）：①針對(duì)多種電池體系，結(jié)合“戰(zhàn)略能源技術(shù)規(guī)劃”（SET-Plan）中的目標(biāo)，聚焦關(guān)鍵退化機(jī)制，開展針對(duì)性研發(fā)；②確保相關(guān)技術(shù)可適配電池單元的大規(guī)模量產(chǎn)流程，并與后續(xù)回收工藝兼容；③全面評(píng)估電池全生命周期內(nèi)的質(zhì)量、可靠性與壽命；④展示該技術(shù)在替代路徑（如電池更換、回收或梯次利用）等方面的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
3、材料發(fā)現(xiàn)與多尺度建模技術(shù)
除2023年路線圖強(qiáng)調(diào)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、增強(qiáng)型機(jī)器學(xué)習(xí)模型和多尺度建模外，還需開展以下工作：
短期（2029年）：①將多尺度建模與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室結(jié)合，發(fā)展高性能材料加速平臺(tái)；②構(gòu)建“可制造性導(dǎo)向設(shè)計(jì)”模型和概念，確保材料設(shè)計(jì)從使用初期就考慮其整個(gè)生命周期；③擴(kuò)展數(shù)據(jù)框架，實(shí)現(xiàn)多源、多保真數(shù)據(jù)的無縫集成，以支持模型的可擴(kuò)展性和精度。
中期（2035年）：①將實(shí)驗(yàn)室級(jí)材料加速平臺(tái)擴(kuò)展到工業(yè)規(guī)模，確保預(yù)測(cè)模型與真實(shí)制造條件保持一致；②開發(fā)物理模型與人工智能相結(jié)合的建模方法，以提升電池性能、可持續(xù)性和可回收性。
4、可持續(xù)電池設(shè)計(jì)
該方向聚焦于“可制造性導(dǎo)向設(shè)計(jì)”和“循環(huán)性導(dǎo)向設(shè)計(jì)”，確保新技術(shù)具有可持續(xù)性與循環(huán)利用潛力，包括優(yōu)先使用非關(guān)鍵原材料（如鈉、鉀、鈣、鎂、鋅、鋁），解決供應(yīng)鏈限制問題。需解決以下問題：
短期（2029年）：①開發(fā)采用非關(guān)鍵原材料的可持續(xù)電極與材料；②建立面向低技術(shù)成熟度材料體系的前瞻性可持續(xù)評(píng)估框架，充分考慮數(shù)據(jù)高度不確定性和信息有限性的挑戰(zhàn)，并推動(dòng)數(shù)據(jù)格式與傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，以促進(jìn)數(shù)據(jù)的廣泛共享與利用；③在材料開發(fā)過程中，集成有潛力工藝方法的測(cè)試，識(shí)別并解決可能的問題，以實(shí)現(xiàn)可制造性導(dǎo)向設(shè)計(jì)。
中期（2035年）：①推進(jìn)循環(huán)利用策略，包括可重復(fù)使用與可溶解材料，以契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)；②擴(kuò)展制造與可持續(xù)性流程，確保新興電池技術(shù)能夠大規(guī)模應(yīng)用。
5、顛覆性制造工藝
當(dāng)前電池制造工藝（尤其是鋰離子電池）面臨能耗高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、資本支出/運(yùn)營(yíng)成本高昂等挑戰(zhàn)。下一代電池還需全新的制造工藝：
短期（2029年）：①開發(fā)新型制造工藝，以生產(chǎn)高性能電極，同時(shí)降低能耗、占地空間、時(shí)間與成本；②針對(duì)下一代電池（如梯度電極等），研發(fā)專用的制造工藝。
中期（2035年）：①利用機(jī)器人、人工智能與數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造過程的自動(dòng)化控制與效率優(yōu)化；②將這些技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室階段擴(kuò)大至中試乃至規(guī)模化生產(chǎn)，借助先進(jìn)建模方法優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)從中試到全面商業(yè)化的轉(zhuǎn)化。
