近日，歐盟"電池2030+"(BATTERY2030+)計(jì)劃工作組公布的電池研發(fā)路線圖第二版草案，給出了雄心勃勃的計(jì)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(gè)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"特點(diǎn)。本文轉(zhuǎn)載自"先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報(bào)研究中心"公眾號(hào)，希望對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域研究人員有所啟發(fā)。

　　近日，歐盟"電池2030+"(BATTERY2030+)計(jì)劃工作組公布了電池研發(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(dòng)力儲(chǔ)能、固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域以及機(jī)器人、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(gè)重要研究領(lǐng)域，以及制造和回收利用兩個(gè)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(jí))研發(fā)活動(dòng)。

　　歐盟委員會(huì)在2018年五月公布的《電池戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃》中宣布將設(shè)立一個(gè)大型的電池研發(fā)長期計(jì)劃，并在當(dāng)年十二月公布《電池2030+宣言》，闡述了"電池2030+"計(jì)劃的目標(biāo)、愿景和重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。2019年三月，歐盟啟動(dòng)"電池2030+"協(xié)調(diào)和支持行動(dòng)，以確定"電池2030+"計(jì)劃的研發(fā)路線圖。本次公布的研發(fā)路線圖第二版草案經(jīng)討論修改后，將于2020年二月底提交給歐盟委員會(huì)。路線圖重要內(nèi)容如下：

　　一、"電池2030+"計(jì)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(jì)劃在未來10年的研究，將為電池技術(shù)帶來如下影響(和當(dāng)前技術(shù)相比)：①將電池實(shí)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(有關(guān)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)

　?。?）研發(fā)重點(diǎn)

　　通過創(chuàng)建材料加速平臺(tái)，將合作伙伴的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和現(xiàn)有的合作環(huán)境相結(jié)合，以支持提高對(duì)電池材料認(rèn)識(shí)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(shí)的材料表征問題;②建立用于對(duì)電池材料及其原位和運(yùn)行過程中表征的自動(dòng)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(duì)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(tái);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(shí)進(jìn)行跨部門實(shí)驗(yàn)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(dòng)模型識(shí)別最重要的參數(shù)和特點(diǎn)，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(dòng)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(huì)(EMMC)和歐洲材料和建模本體(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(shí)現(xiàn)整個(gè)電池價(jià)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(jì)，通過所需性能目標(biāo)來含義電池材料和/或界面的組成和結(jié)構(gòu)，從而顛覆傳統(tǒng)的開發(fā)過程。

　?。?）研發(fā)目標(biāo)

　　短時(shí)間目標(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(dòng)化的工作流程，可識(shí)別并在不同的時(shí)空尺度之間傳遞特點(diǎn)/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(dòng)和物理混合模型。

　　中期目標(biāo)：在材料加速平臺(tái)中實(shí)行電池界面基因組，能夠集成計(jì)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(jì)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(tái)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(jí)測試;在材料開發(fā)過程中實(shí)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(shí)行并驗(yàn)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(duì)更高的空間分辨率、時(shí)域和運(yùn)行條件的新型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的全新研究方法，通過基于物理的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)混合模型和仿真技術(shù)以描述最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn);③開發(fā)具有高保真度的電池界面表征技術(shù)，通過對(duì)電池界面及其動(dòng)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(jì)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和其化學(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(shí)的界面、老化和退化情況。

　?。?）研發(fā)目標(biāo)

　　短時(shí)間目標(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(dòng)態(tài)特點(diǎn)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(shí)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(jì)模型的示范;電池界面基因組-材料加速平臺(tái)得以實(shí)現(xiàn)，能夠集成計(jì)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(tái)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(jì)/開發(fā)固體電解質(zhì)中間相動(dòng)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)來防止連接布線問題，還可開發(fā)能夠監(jiān)測多個(gè)參數(shù)的新型傳感器。

　　(2)研發(fā)目標(biāo)

　　短時(shí)間目標(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(píng)估電池內(nèi)的界面動(dòng)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)象供應(yīng)可能;監(jiān)測電池工作期間關(guān)鍵參數(shù)的正常-異常變化，并含義從傳感器到電池管理系統(tǒng)的傳遞函數(shù);通過實(shí)時(shí)傳感將工作溫度窗口擴(kuò)大>10%。

　　中期目標(biāo)：實(shí)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)有效的方式和工業(yè)制造過程兼容，在電池層面和實(shí)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(tái)中集成感應(yīng)和自修復(fù)功能;多價(jià)電極體系過電壓降低>20%;將鋰離子的電壓窗口新增>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(shí)現(xiàn)完全可操作的智能電池組;在未來的電池設(shè)計(jì)中，將感測/監(jiān)視和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

　?。?）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(jì)使其具有自修復(fù)特性;②針對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn);④探索利用滑動(dòng)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(jì)具有礦物或聚合物殼的微囊，在受刺激破裂時(shí)將釋放鋰鹽、鈉鹽等。

　?。?）研發(fā)目標(biāo)

　　短時(shí)間目標(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(duì)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(shí)和目標(biāo)電池的化學(xué)性質(zhì)兼容。

　　中期目標(biāo)：設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)修復(fù);確定和刺激驅(qū)動(dòng)的自修復(fù)操作相關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，以修復(fù)和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(jì)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)防止使用當(dāng)前的反復(fù)試錯(cuò)方法，并且電池和制造過程必須"智能"，開發(fā)電池?cái)?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(jì)和替代電池設(shè)計(jì);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(shí)時(shí)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(yàn)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(gè)步驟。

　?。?）研發(fā)目標(biāo)

　　短時(shí)間目標(biāo)：重點(diǎn)開發(fā)電池設(shè)計(jì)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(jì)的計(jì)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(tái)、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(jí)設(shè)計(jì)取得進(jìn)展之后，將啟動(dòng)并實(shí)行基于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(jì)，可以成熟地使用整體由AI驅(qū)動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)基于電池界面基因組-材料加速平臺(tái)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

　?。?）研發(fā)重點(diǎn)

　　計(jì)劃將開發(fā)突破性的電池回收工藝，重要研究方向包括：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(dòng)將電池組拆解到單元級(jí)別;④盡可能探索重復(fù)使用和再利用;⑤自動(dòng)拆解電池至最大的單個(gè)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)，假如不可能，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(dòng)：①電池設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)電池生命周期中關(guān)鍵原材料的可追溯性，自動(dòng)電池分揀和評(píng)估，以及開發(fā)對(duì)有價(jià)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(shí)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。

　?。?）研發(fā)目標(biāo)

　　短時(shí)間目標(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(dòng)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(dòng)將電池拆解成單個(gè)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(duì)能源和資源的消耗。

　　長期目標(biāo)：開發(fā)和驗(yàn)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。