技術(shù)發(fā)展數(shù)字化趨勢勢不可當(dāng)，電池技術(shù)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(biāo)，以及材料研發(fā)、電池界面/相間研究、先進(jìn)傳感器、自修復(fù)功能、電池制造、電池回收6個領(lǐng)域的研發(fā)路線，特別值得關(guān)注的其底層研究方法中突出的“數(shù)字化”特征。本文轉(zhuǎn)載自“先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報研究中心”公眾號，希望對儲能領(lǐng)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(shù)的研發(fā)重點(diǎn)，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(shù)在交通動力儲能、固定式儲能領(lǐng)域以及機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等未來新興領(lǐng)域保持長期領(lǐng)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(biāo)，指出未來將圍繞材料開發(fā)、電池界面/相間研究、先進(jìn)傳感器、自修復(fù)功能四個主要研究領(lǐng)域，以及制造和回收利用兩個交叉研究領(lǐng)域開展新概念技術(shù)（技術(shù)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(shè)立一個大型的電池研發(fā)長期計劃，并在當(dāng)年12月發(fā)布《電池2030+宣言》，闡述了“電池2030+”計劃的目標(biāo)、愿景和重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。2019年3月，歐盟啟動“電池2030+”協(xié)調(diào)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(jīng)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(nèi)容如下：
一、“電池2030+”計劃目標(biāo)
研發(fā)具有超高性能的智能、可持續(xù)電池，以應(yīng)用于各種領(lǐng)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(qiáng)的安全性和環(huán)境可持續(xù)性以及可擴(kuò)展性，并能以具有競爭力的成本大規(guī)模量產(chǎn)。
通過“電池2030+”計劃在未來10年的研究，將為電池技術(shù)帶來如下影響（與當(dāng)前技術(shù)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(dá)到75%，關(guān)鍵原材料回收率接近100%。
二、重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)路線
1、材料開發(fā)
（1）研發(fā)重點(diǎn)
通過創(chuàng)建材料加速平臺，將合作伙伴的優(yōu)勢互補(bǔ)與現(xiàn)有的合作環(huán)境相結(jié)合，以支持提高對電池材料認(rèn)識的研究工作。重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)包括：①開發(fā)高通量自主合成機(jī)器人，以解決電解質(zhì)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(yùn)行過程中表征的自動化高通量基礎(chǔ)設(shè)施，將物理參數(shù)導(dǎo)向的基于數(shù)據(jù)的建模和數(shù)據(jù)生成相結(jié)合，對電池及其活性材料進(jìn)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)，確保在材料的閉環(huán)研發(fā)過程中，能夠?qū)崟r進(jìn)行跨部門實驗數(shù)據(jù)集成和建模；④多尺度互連和集成工作流程，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和物理理論導(dǎo)向的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型識別最重要的參數(shù)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(shù)開發(fā)集成物理參數(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的混合模型；⑥統(tǒng)一數(shù)據(jù)協(xié)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(xié)議，并將學(xué)術(shù)界和工業(yè)界、材料建模和工程聯(lián)系起來，實現(xiàn)整個電池價值鏈中的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；⑦電池材料和界面的逆向設(shè)計，通過所需性能目標(biāo)來定義電池材料和/或界面的組成和結(jié)構(gòu)，從而顛覆傳統(tǒng)的開發(fā)過程。
（2）研發(fā)目標(biāo)
短期目標(biāo)：開發(fā)用于電池材料和界面的共享且可互操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)，涵蓋電池發(fā)現(xiàn)和開發(fā)周期內(nèi)所有領(lǐng)域的數(shù)據(jù)；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(shù)；構(gòu)建基于不確定性的材料和界面的數(shù)據(jù)驅(qū)動和物理混合模型。
中期目標(biāo)：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(jī)器人和材料表征；成功演示電池材料可逆設(shè)計過程；在發(fā)現(xiàn)和預(yù)測過程中直接集成來自嵌入式傳感器的數(shù)據(jù)。
長期目標(biāo)：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(shè)備級測試；在材料開發(fā)過程中實現(xiàn)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(shù)字技術(shù)。
2、電池界面/相間研究
（1）研發(fā)重點(diǎn)
在電池界面/中間相研究方面，將重點(diǎn)關(guān)注如下研究：①開發(fā)針對更高的空間分辨率、時域和運(yùn)行條件的新型計算和實驗技術(shù)，以獲得超高性能電池系統(tǒng)構(gòu)造的新認(rèn)知；②開發(fā)結(jié)合實驗、理論和數(shù)據(jù)驅(qū)動的全新研究方法，通過基于物理的數(shù)據(jù)驅(qū)動混合模型和仿真技術(shù)以描述最先進(jìn)的實驗；③開發(fā)具有高保真度的電池界面表征技術(shù)，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(shù)據(jù)庫；④設(shè)計電池及其材料的標(biāo)準(zhǔn)化測試協(xié)議，以便通過將電池性能與其化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行比較來獲取有關(guān)電池界面的關(guān)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(biāo)
短期目標(biāo)：為電池界面建立規(guī)范的特性/測試協(xié)議和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；開發(fā)自主模塊可利用AI和仿真模擬技術(shù)進(jìn)行動態(tài)特征分析和數(shù)據(jù)測試；開發(fā)可互操作的高通量和高準(zhǔn)確度的界面表征方法。
中期目標(biāo)：為電池界面的空間和時間變化過程開發(fā)預(yù)測混合模型；電池中間相逆向合成設(shè)計模型的示范；電池界面基因組-材料加速平臺得以實現(xiàn)，能夠集成計算建模、自主合成機(jī)器人技術(shù)和材料表征。
長期目標(biāo)：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(xué)和界面的可移植性。
3、先進(jìn)傳感器
（1）研發(fā)重點(diǎn)
在先進(jìn)傳感器方面，將重點(diǎn)關(guān)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(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和電化學(xué)傳感器，并設(shè)計/開發(fā)固體電解質(zhì)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(xué)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(shù)來避免連接布線問題，還可開發(fā)能夠監(jiān)測多個參數(shù)的新型傳感器。
（2）研發(fā)目標(biāo)
短期目標(biāo)：開發(fā)基于各種傳感技術(shù)和簡單集成的非侵入性多傳感方法，為評估電池內(nèi)的界面動力學(xué)、電解質(zhì)降解、枝晶生長、金屬溶解、材料結(jié)構(gòu)變化等現(xiàn)象提供可能；監(jiān)測電池工作期間關(guān)鍵參數(shù)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(shù)；通過實時傳感將工作溫度窗口擴(kuò)大>10%。
中期目標(biāo)：實現(xiàn)（電）化學(xué)穩(wěn)定傳感技術(shù)的微型化和集成，以經(jīng)濟(jì)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(jìn)電池管理系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)，建立新的自適應(yīng)預(yù)測控制算法；在電池界面基因組-材料加速平臺中集成感應(yīng)和自修復(fù)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(biāo)：依靠新的AI協(xié)議輔助的先進(jìn)電池管理系統(tǒng)，通過無線傳感器通信實現(xiàn)完全可操作的智能電池組；在未來的電池設(shè)計中，將感測/監(jiān)視與刺激引起的局部修復(fù)機(jī)制（例如自修復(fù)）結(jié)合，從而可以通過集成感測-電池管理系統(tǒng)-自修復(fù)系統(tǒng)來獲得智能電池。
4、自修復(fù)功能
（1）研發(fā)重點(diǎn)
在電池自修復(fù)方面，將重點(diǎn)關(guān)注如下研究：①功能化電解質(zhì)隔膜，研究電解質(zhì)隔膜孔道內(nèi)接枝的方法，經(jīng)過專門設(shè)計使其具有自修復(fù)特性；②針對大多數(shù)組件和界面開發(fā)聚合物自修復(fù)策略，也將探索超分子在自修復(fù)多相固體聚合物電解質(zhì)系統(tǒng)中的應(yīng)用；③開發(fā)生物基電解質(zhì)隔膜，通過控制電解質(zhì)的分解從而改善電池老化，使用無毒的生物基分子/蛋白質(zhì)（例如環(huán)糊精）設(shè)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(zhì)工程來實現(xiàn)；④探索利用滑動輪凝膠控制隔膜表面的有機(jī)物并優(yōu)化電池裝置的效率，另外將研究復(fù)合電極，其包含能夠通過施加刺激來釋放修復(fù)劑的微膠囊，將設(shè)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(biāo)
短期目標(biāo)：進(jìn)行跨領(lǐng)域合作，為建立新的電池研究領(lǐng)域打下基礎(chǔ)，從而開發(fā)電池的自修復(fù)功能。對隔膜進(jìn)行功能化處理，并開發(fā)依靠H-H鍵可逆交聯(lián)的超分子結(jié)構(gòu)，以修復(fù)電極-隔膜的膜破裂，同時與目標(biāo)電池的化學(xué)性質(zhì)兼容。
中期目標(biāo)：設(shè)計具有可容納多種功能有機(jī)-無機(jī)修復(fù)劑膠囊的隔膜，可通過磁、熱或電模量觸發(fā)以實現(xiàn)自動修復(fù)；確定與刺激驅(qū)動的自修復(fù)操作相關(guān)的響應(yīng)時間，以修復(fù)與電極斷裂或固體電解質(zhì)中間相老化有關(guān)的故障。
長期目標(biāo)：設(shè)計和制造具有受控功能和孔隙率的低成本生物基電解質(zhì)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(dāng)觸發(fā)已經(jīng)植入電池的自修復(fù)功能。
5、電池制造
（1）研發(fā)重點(diǎn)
未來電池制造應(yīng)避免使用當(dāng)前的反復(fù)試錯方法，并且電池和制造過程必須“智能”，開發(fā)電池數(shù)字化模型。因此需進(jìn)行如下工作：①引入新功能，如自修復(fù)材料/界面、傳感器或其他執(zhí)行器、電池生態(tài)設(shè)計和替代電池設(shè)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(jī)器參數(shù)，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(shù)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(zhǔn)確了解制造過程的每個步驟。
（2）研發(fā)目標(biāo)
短期目標(biāo)：重點(diǎn)開發(fā)電池設(shè)計方法，改進(jìn)仿真工具（如多物理場模型），通過深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法減輕電池單元設(shè)計的計算量并應(yīng)用當(dāng)前的AI技術(shù)
中期目標(biāo)：開發(fā)電池界面基因組、材料加速平臺、傳感技術(shù)、自修復(fù)、回收和其他創(chuàng)新領(lǐng)域，并將其整合到流程中；在電池級設(shè)計取得進(jìn)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(shù)的制造以及制造過程中的數(shù)字化模型）；規(guī)?？蓴U(kuò)大的電池，如液流電池。
長期目標(biāo)：通過在整體原型開發(fā)中集成電池單元設(shè)計，可以成熟地使用整體由AI驅(qū)動的方法，實現(xiàn)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(shù)。
6、電池回收
（1）研發(fā)重點(diǎn)
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(shù)據(jù)收集和分析（通過標(biāo)簽、電池管理系統(tǒng)、傳感器等）；②現(xiàn)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(fù)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(shù)，并將其“翻新”為電池活性物質(zhì)，如果不可能，則通過調(diào)整組成來合成活性物質(zhì)前驅(qū)體。
為此，將進(jìn)行特定研發(fā)活動：①電池設(shè)計中盡可能延長壽命，并考慮重新校準(zhǔn)、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(fù)功能，用于識別損壞/老化的組件并為它們的重復(fù)使用做準(zhǔn)備；③開發(fā)可追溯性概念，特別是整個電池生命周期中關(guān)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(guān)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(shù)和分揀設(shè)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(biāo)
短期目標(biāo)：開發(fā)用于數(shù)據(jù)收集和分析的系統(tǒng)，開發(fā)用于電池組/模塊分揀和重復(fù)利用/再利用的技術(shù)，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(shù)。
中期目標(biāo)：開發(fā)自動將電池拆解成單個組件的技術(shù)，粉末和組件的分選和回收技術(shù)，以及將其“翻新”為先進(jìn)的新型電池活性材料的技術(shù)。在電池中測試回收的材料。將開發(fā)二次應(yīng)用中材料再利用的預(yù)測和建模工具。顯著提高關(guān)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(biāo)：開發(fā)和驗證完整的直接回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在經(jīng)濟(jì)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。
