摘要：德國壓力機廠家分析相關(guān)報告，發(fā)現(xiàn)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(shù)，開發(fā)用于處理電極漿料，電極片生產(chǎn)，電池組裝，電池包組裝和電池性能的實時模型（即用于電池制造的數(shù)字化模型）。

Part I:“電池2030+（BATTERY 2030+）”背景

《電池2030+（BATTERY2030+）》是一項大規(guī)模的歐洲長期研究計劃，為歐盟委員會提出的戰(zhàn)略能源技術(shù)計劃（SET-plan）的想法之一，旨在聯(lián)合歐洲整體解決未來電池研發(fā)過程中所面臨的各項挑戰(zhàn)，克服重重阻力達成宏大的既定的電池性能目標(biāo)。

研究內(nèi)容以“化學(xué)中性途徑（chemistry neutral approach）”為導(dǎo)向，基于現(xiàn)有或未來多種不同類型的電池化學(xué)物質(zhì)，通過縮小各自之間的差距來發(fā)揮其全部潛力以實現(xiàn)電池的實際能力和理論極限。

理念上基于給歐洲電池企業(yè)乃至全球電池企業(yè)的價值鏈提供新的發(fā)展和支持，比如從原材料到先進材料的發(fā)展，到電池和電池包的設(shè)計制造，電池壽命終止后的回收利用和電池實際應(yīng)用場景等。

除此之外，《電池2030+》的長期發(fā)展路線圖也充分地彌補了歐洲電池內(nèi)部的中期研究和創(chuàng)新工作–歐洲技術(shù)和創(chuàng)新平臺（ETIP）。

因此，歐盟希望借助于《電池2030+》來推動歐洲為期10年的大規(guī)模努力以促進電池領(lǐng)域的變革性發(fā)展。不斷提出新的研究方法和開拓新的創(chuàng)新領(lǐng)域，實現(xiàn)安全的超高性能電池開發(fā)，最終實現(xiàn)歐洲社會2050年前不再使用化石能源（如圖1所示）。

2019年3月，歐盟啟動《電池2030+》協(xié)調(diào)和支持行動，以確定計劃的研發(fā)路線圖。本次發(fā)布的《電池2030+》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。

 

圖1. 《電池2030+》的長期愿景及使命

Part II:“電池2030+”計劃目標(biāo)

據(jù)德國壓力機廠家了解，《電池2030+》的總體目標(biāo)是實現(xiàn)具有超高性能和智能化的可持續(xù)電池功能以適用于每個應(yīng)用場景。所謂超高性能，是指能量和功率密度接近理論極限，出色的使用壽命和可靠性，增強安全性，環(huán)境可持續(xù)性和可擴展性，以實現(xiàn)具有競爭力成本的大規(guī)?；a(chǎn)電池。

第一個重要挑戰(zhàn)是達到最好的電池性能，因此發(fā)現(xiàn)新材料和新化學(xué)體系的開發(fā)過程必須加快。《電池2030+》提出電池界面基因組（BIG）–材料加速平臺（MAP）計劃，將采用人工智能（AI）大幅減少電池材料的開發(fā)周期。

第二個重要挑戰(zhàn)是延長單體電池和電池系統(tǒng)的使用壽命和安全性。壽命和安全都對未來電池的大小，成本和接受度具有關(guān)鍵性影響。

為了實現(xiàn)第二個挑戰(zhàn)，《電池2030+》提出了兩種不同且互補的建議方案：開發(fā)直接在化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)中可探測的傳感器，將新型傳感器嵌入電池中連續(xù)監(jiān)控其“健康”和“安全狀態(tài)”。另一方面，通過使用自愈合功能來提高電池容量并提高電池性能。

與目前最先進的電池技術(shù)相比，《電池2030+》旨在提出并影響電池技術(shù)的未來發(fā)展（如圖2）：

第一，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減少至少1/2。

第二，至少將電池的耐用性和可靠性提高3倍。

第三，對于給定的電力組合，將電池的生命周期碳足跡減少至少1/5。

第四，使電池的回收率達到至少75％，并實現(xiàn)關(guān)鍵的原材料回收率接近100％。

 

圖2.《電池2030+》對未來電化學(xué)存儲系統(tǒng)的最新技術(shù)展望

Part III:“電池2030+”主要研發(fā)方向

3.1 材料加速平臺（Materials Acceleration Platform，MAP）

從能源技術(shù)的生產(chǎn)，存儲到最終交付使用，材料的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)始終貫穿于整個過程。特別對于新興的電池技術(shù)，先進材料幾乎是所有清潔能源創(chuàng)新的基礎(chǔ)。

若依靠現(xiàn)有的傳統(tǒng)重復(fù)性試驗開發(fā)過程，需要耗費大量的時間，人力物力去開發(fā)新型高性能電池材料并用于電池設(shè)計，這一過程從最初發(fā)現(xiàn)到完全實現(xiàn)商業(yè)化可能長達10年之久。

因此，在《電池2030+》項目中，為了加速超高性能的，可持續(xù)發(fā)展的智能型電池開發(fā)，計劃在歐洲范圍內(nèi)設(shè)立電池“材料加速平臺（MAP）”，并與電池界面基因組（BatteryInterface Genome，BIG）集成在一起。

同時BIG-MAP基礎(chǔ)設(shè)施模塊化設(shè)置，全系統(tǒng)具有高度的通用性，以便能夠容納所有新興的電池化學(xué)體系，材料成分，結(jié)構(gòu)和界面。

另一方面，MAP將利用人工智能（AI）從許多互補的方法和技術(shù)中集成和編排數(shù)據(jù)，整合計算材料設(shè)計，模塊化和自主性綜合機器人技術(shù)和先進表征，實現(xiàn)全新的電池開發(fā)策略。促進材料，工藝和設(shè)備的逆向設(shè)計和定制。

最終，在MAP框架下由每個核心元素構(gòu)建概念電池，開發(fā)出具有突破性的電池材料，極大提高電池開發(fā)速度和電池性能。

 

圖3. 電池材料加速平臺（MAP）的核心組成部分

（一）MAP重點研發(fā)技術(shù)

a. 高通量技術(shù)：開發(fā)自主材料合成機器人，構(gòu)建電池材料自身及使用過程中原位的自動化高通量表征。實現(xiàn)電極活性材料及其組合方式的快速篩選和電解液配方的系統(tǒng)表征?；诟咄繑?shù)據(jù)的建模和數(shù)據(jù)生成相結(jié)合，以物理參數(shù)為導(dǎo)向?qū)﹄姵丶捌浠钚圆牧线M行分析和表征。

b. 建立基于分布式訪問模型的跨區(qū)域通用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)，實現(xiàn)多維度互連和集成工作流程：確保在材料的閉環(huán)研發(fā)過程中，能夠?qū)崟r進行跨區(qū)域的實驗數(shù)據(jù)集成和建模。通過數(shù)據(jù)的共享實現(xiàn)信息的匯總及規(guī)?；治?。

以機器學(xué)習(xí)和物理理論為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型去識別材料開發(fā)過程中重要的參數(shù)和特征，開發(fā)有效的和穩(wěn)固的方式耦合和連接不同維度的模型，加速材料開發(fā)過程。

c. 開發(fā)基于電池系統(tǒng)的人工智能（AI），構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架：基于AI技術(shù)開發(fā)集成物理參數(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的混合型模型。

比如目前已有一些AI軟件包如ChemOS和phoenix正在用于自驅(qū)動實驗室的原型開發(fā)階段。利用歐洲材料建模委員會（EMMC）和歐洲材料與建模本體（EMMO）支持的訪問協(xié)議，將學(xué)術(shù)界和工業(yè)界、材料建模和實際應(yīng)用工程聯(lián)系起來，實現(xiàn)電池整體價值鏈的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化傳遞及共享。

d. 電池材料和界面的逆向設(shè)計工程：通過所需的目標(biāo)性能定義電池材料和/或界面的組成和結(jié)構(gòu)，從而打破傳統(tǒng)的開發(fā)過程，促進材料的高效高速開發(fā)。

（二）MAP研發(fā)計劃

短期計劃：開發(fā)用于電池材料和電池本身的共享且可互操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)接口，涵蓋電池發(fā)現(xiàn)和開發(fā)周期所有領(lǐng)域的數(shù)據(jù)；自動化的工作流程，用于識別在不同時間尺度下傳遞相關(guān)特征/參數(shù)；構(gòu)建基于不確定性的電池材料的數(shù)據(jù)驅(qū)動和物理模型。

中期計劃：在材料加速平臺（MAP）中實現(xiàn)電池基因組（BIG-MAP）構(gòu)建，能夠集成計算建模，自主合成機器人技術(shù)和材料表征；展示電池材料的逆設(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)，例如主動的自我愈合。

長期計劃：在電池基因組平臺中建立完全的自主開發(fā)過程；集成電池單元組裝和設(shè)備級測試；包含材料發(fā)現(xiàn)過程中的可制造性和可回收性；展示材料開發(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)。

3.2 電池界面基因組（Battery interface genome，BIG）

電池不僅包含電極和電解質(zhì)之間的界面，而且還包含其他大量重要的界面，例如：在集流體和電極之間或在活性材料和諸如導(dǎo)電碳和/或粘結(jié)劑等的添加劑之間。因此在開發(fā)新的電池化學(xué)體系或現(xiàn)有電池技術(shù)中引入新的化學(xué)物質(zhì)時，界面是有效利用電池電極材料關(guān)鍵之所在。

MAP是提供基礎(chǔ)設(shè)施以加快材料的發(fā)現(xiàn)，而《電池2030+》提出BIG將對材料開發(fā)過程提供必要的理解和模型，以預(yù)測和控制影響電池性能關(guān)鍵界面的動態(tài)變化（如圖4所示）。

BIG將高度適應(yīng)不同的化學(xué)物質(zhì)，從材料到設(shè)計，用大量數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，形成全新的材料開發(fā)途徑，以超越當(dāng)前的鋰離子電池技術(shù)。

 

圖4. 電池界面基因組（BIG）運作流程

（一）BIG重點研發(fā)技術(shù)

a. 開發(fā)更高的空間、時間分辨率和運算速度的新型計算方法和實驗技術(shù)：以獲得超高性能電池系統(tǒng)構(gòu)造和材料組合搭配的新理解。通過基于物理的數(shù)據(jù)驅(qū)動混合模型和仿真技術(shù)描述最先進的實驗和技術(shù)方法。

b. 開發(fā)具有高還原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，利用大數(shù)據(jù)再對表征技術(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，不斷修正測試偏差，真實還原界面工作過程，提高保真度。

c. 建立電池及其材料的標(biāo)準(zhǔn)化測試協(xié)議：發(fā)布詳細(xì)的材料表征檢查列表，通過將電池性能與材料化學(xué)性質(zhì)逐一比對來獲取有關(guān)電池界面的關(guān)鍵信息。

d. 構(gòu)建更精確的材料結(jié)構(gòu)與電池性能模型：利用電子，原子及介觀材料尺度模型耦合形成連續(xù)相模型，真實反映電池正常工作時的界面狀態(tài)、老化和衰減機制。

（二）BIG研發(fā)計劃

短期計劃：建立一定范圍內(nèi)表征/測試協(xié)議和數(shù)據(jù)的電池界面標(biāo)準(zhǔn)；開發(fā)可利用AI和仿真模擬技術(shù)進行動態(tài)特征分析和數(shù)據(jù)測試的自主模塊；開發(fā)可互操作的高通量和高保真的界面表征方法。

中期計劃：開發(fā)預(yù)測混合模型，用于在時間和空間尺度上推演電池界面；演示模型電池間逆向合成設(shè)計；能夠在MAP平臺（BIG-MAP）中實現(xiàn)電池界面基因組計算建模，自主綜合機器人技術(shù)和材料的集成表征。

長期計劃：在BIG-MAP平臺中建立完全的自主開發(fā)過程；證明界面性能提高5倍；表明電池界面基因組到新型電池化學(xué)的可移植性。

3.3 智能傳感器（Integration of smart functionalities–sensing）

隨著目前對電池應(yīng)用的依賴性不斷提高，要求對電池的狀態(tài)進行準(zhǔn)確監(jiān)控，提高其質(zhì)量，可靠性和使用壽命。在過去幾十年中，雖然許多電化學(xué)阻抗設(shè)備（EIS）以及先進的電池管理系統(tǒng)（BMS）發(fā)展，但成效有限。無論電池技術(shù)發(fā)展如何，性能仍取決于電池單元內(nèi)界面的性質(zhì)和依賴于溫度驅(qū)動的反應(yīng)以及不可預(yù)測的動力學(xué)。

雖然監(jiān)控溫度對于延長循環(huán)壽命和延長電池壽命至關(guān)重要，但在目前電動汽車的應(yīng)用中也無法直接測量單體電池的溫度。為了更好了解/監(jiān)測電池工作過程中的物理參數(shù)對電化學(xué)反應(yīng)過程的影響，有效解決黑箱問題。

《電池2030+》提出將智能傳感器嵌入到電池中，能夠?qū)崿F(xiàn)電池在空間和時間上的分辨監(jiān)視（如圖5所示）。這樣可以整合和開發(fā)各種傳感技術(shù)在電池中以實時傳遞信息（如溫度，壓力，應(yīng)變，電解質(zhì)成分，電極膨脹度，熱流變化等）。

最重要的是依據(jù)大量的原位實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以與BIG-MAP協(xié)作構(gòu)建電池工作狀態(tài)函數(shù)及模型，開發(fā)智能的響應(yīng)式電池管理系統(tǒng)。將在單體電池級別和整個系統(tǒng)級別上進行分層管理。

 

圖5. 未來具有原位傳感及輸出分析裝置的電池

（一）智能傳感器重點研發(fā)技術(shù)

a. 集成和開發(fā)適用于電池的多種傳感器，將智能功能嵌入電池：光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)和電化學(xué)傳感器用于設(shè)計/開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)（SEI）中間相動態(tài)監(jiān)測功能。比如利用電阻溫度檢測器（RTD），熱敏電阻，熱電偶等溫度傳感器監(jiān)控電池內(nèi)外的局部及整體溫度變化。

電化學(xué)傳感器主要用于監(jiān)控電池界面SEI增長，氧化還原穿梭物質(zhì)和重金屬溶解。壓力傳感器可以檢測電極應(yīng)變和壓力變化，從而反應(yīng)電池的SoC以及SoH狀態(tài)。

光學(xué)傳感器則可以對電池局部溫度，壓力和應(yīng)變通過光學(xué)信號同時感應(yīng)，其中光子晶體纖維傳感器可以對多感應(yīng)信號同時采集但又解耦合分析，是未來發(fā)展多參數(shù)監(jiān)測新型傳感器的趨勢。

b. 開發(fā)具有創(chuàng)新化學(xué)涂層的傳感器：采用特殊涂層的傳感器，減緩電解液及電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物對傳感器的腐蝕，提升器件穩(wěn)定性，傳導(dǎo)靈敏性和使用壽命。將傳感器尺寸減小到幾微米以匹配電池隔離膜的厚度，采用無線傳感技術(shù)來避免復(fù)雜的連接布線問題。

（二）智能傳感器研發(fā)計劃

短期計劃：在電池單元級別上，依靠各種傳感技術(shù)和簡單的集成開發(fā)非侵入式多傳感方法，為評估電池內(nèi)界面動力學(xué)，電解質(zhì)降解，樹枝狀生長，金屬溶解，材料結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)性提供可行性。

監(jiān)測電池運行期間關(guān)鍵參數(shù)的正常或者異常行為，并定義從傳感器到BMS的傳遞函數(shù)，通過運行實時傳感將溫度窗口提高>10％。

中期計劃：實現(xiàn)（電）化學(xué)穩(wěn)定傳感技術(shù)的微型化和集成，在電池層面和實際電池模塊中均具有多功能，以經(jīng)濟有效的方式與工業(yè)制造過程兼容；利用傳感數(shù)據(jù)實現(xiàn)高級BMS，構(gòu)建新的自適應(yīng)和預(yù)測控制算法；BIG-MAP中集成感應(yīng)和自我愈合；多價電極系統(tǒng)的過電壓降低>20％；將鋰離子電池可利用電壓窗口增加>10％。

長期計劃：依靠先進的BMS控制傳感器的通信，新的AI協(xié)議通過無線方式實現(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自愈合機制結(jié)合，從而可以通過集成感測-BMS-自愈合系統(tǒng)得到智能電池。

3.4 自愈合理念（Integration of smartfunctionalities–self-healing）

電池技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展以及我們對電池普及應(yīng)用的日益依賴，要求確保其具有很高的可靠性和安全性。其中探測或者傳感不可逆變化是獲得更好的可靠性第一步。

但是，要真正確保可靠性，電池應(yīng)該能夠自動感知損壞，并恢復(fù)原始配置及其整體功能。那我們可以嘗試模仿自然愈合機制（比如傷口愈合）來制造智能長壽命電池嗎？

《電池2030+》中借鑒醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中“再生工程”的理念，提出可以開發(fā)在電池內(nèi)注入相應(yīng)自愈合功能的材料，以恢復(fù)電極內(nèi)部的缺陷。

另一方面，提出將狀態(tài)傳感和自我愈合功能緊密相連（如圖6所示）。從傳感器檢測到的信號將被發(fā)送到電池管理系統(tǒng)并進行分析，如果出現(xiàn)問題，BMS將發(fā)出信號發(fā)送給執(zhí)行器以觸發(fā)自我愈合過程的刺激。這種既自我感知又觸發(fā)自修復(fù)的結(jié)合過程將賦予電池更高的安全性和消費者更高的使用可靠性。

 

圖6. 由BMS介導(dǎo)的電池工作-感應(yīng)-自我修復(fù)協(xié)同耦合過程

（一）自愈合理念重點研發(fā)技術(shù)

a. 開發(fā)自愈合的電池材料以及電極界面：包裹CNT的自愈合微膠囊，用于修復(fù)電極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。具有自愈合性的人工SEI結(jié)構(gòu)活性材料，用于修復(fù)電極材料充放電過程中界面結(jié)構(gòu)的破壞。

b. 開發(fā)適用于電池組件和界面的自愈合聚合物策略：超分子聚合物在自愈合多相固體聚合物電解質(zhì)中的應(yīng)用。使用無毒的生物基材料（例如多糖類材料，蛋白質(zhì)材料）設(shè)計薄而多孔的可控隔膜，開發(fā)功能化生物基電解質(zhì)隔離膜，專門設(shè)計使其具有自愈合特性，通過控制電解液的分解從而改善電池老化。

c. 構(gòu)建復(fù)合電極：設(shè)計具有聚合物或礦物質(zhì)外殼的微膠囊，使其包含能夠通過外界刺激響應(yīng)來釋放愈合劑，或在受刺激破裂時將釋放鋰鹽、鈉鹽等。利用特定高分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計（比如PAA-聚輪烷滑輪型聚合物）控制電極膨脹結(jié)構(gòu)并優(yōu)化電池循環(huán)的效率。

（二）自愈合理念研發(fā)計劃

短期計劃：在各種交叉領(lǐng)域發(fā)展具有自我愈合功能的電池。對隔膜進行功能化處理，并開發(fā)依靠氫鍵相同作用實現(xiàn)可逆交聯(lián)的超分子結(jié)構(gòu)，以愈合電極-隔離膜的膜破裂，同時與電池的目標(biāo)化學(xué)性質(zhì)兼容。

中期計劃：設(shè)計智能型隔離膜，具有可容納多種功能有機-無機愈合劑的微膠囊，可通過磁性，熱或化學(xué)作用觸發(fā)自動愈合，同時確定與刺激驅(qū)動的自愈合操作相關(guān)的響應(yīng)時間，以愈合與電極斷裂或SEI中間相老化有關(guān)的故障。

長期計劃：設(shè)計和制造功能性和孔隙率可控的低成本生物基電解質(zhì)隔膜。在電池感測和BMS之間建立有效的反饋回路，通過外部刺激適當(dāng)觸發(fā)已經(jīng)植入電池的自我愈合功能。

3.5 未來電池規(guī)?；圃欤∕anufacturability of future batterytechnologies）

新一代突破性電池材料的面世將開啟嶄新的電池技術(shù)機會。但是，從廣義上講，這些新電池技術(shù)至少需要面對兩個主要的驗證階段。

首先，在原型級別上證明其性能潛力，其次，擴大規(guī)模化生產(chǎn)的可行性和進入工業(yè)化過程的評估。

《電池2030+路線圖》提出未來電池制造的解決策略：工業(yè)4.0和數(shù)字化的前景。利用建模和人工智能實現(xiàn)制造過程動態(tài)軟件模擬，突破制造單元的空間構(gòu)造，避免或基本減少經(jīng)典的嘗試和錯誤方法。通過全數(shù)字化制造，理解和優(yōu)化過程參數(shù)及其對最終產(chǎn)品的影響。

 

圖7. 電池制造的數(shù)字化過程

（一）未來電池規(guī)?；圃熘攸c技術(shù)

a. 設(shè)計過程數(shù)字化：引入新功能，如自愈合材料/界面、各類智能傳感器或其他執(zhí)行器、生態(tài)電池設(shè)計和替代電池設(shè)計，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。

b. 制造過程數(shù)字化：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(shù)，開發(fā)用于處理電極漿料，電極片生產(chǎn)，電池組裝，電池包組裝和電池性能的實時模型（即用于電池制造的數(shù)字化模型）。

（二）未來電池規(guī)?；圃煅邪l(fā)計劃

短期計劃：從最先進的信息開始，重點放在是電池設(shè)計方法。改進模擬工具（如多物理場模型），通過深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)方法減輕計算負(fù)擔(dān)，應(yīng)用AI技術(shù)用于電池設(shè)計。

中期計劃：不斷發(fā)展BIG平臺，MAP平臺，智能傳感器技術(shù)，自愈合技術(shù)，回收策略和其他創(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)模也可擴大到電池制造過程中的技術(shù)，可擴展到電池化學(xué)成分開發(fā)，例如多價和有機的材料開發(fā)，或者其他電池體系，如液流電池。

長期計劃：將整個AI驅(qū)動的方法集成并整合在電池單元設(shè)計中，實現(xiàn)基于BIG-MAP的完全自主系統(tǒng)。利用這種方法促進學(xué)術(shù)界創(chuàng)新和工業(yè)界開發(fā)可商業(yè)化的最新電池技術(shù)。

3.6 回收策略（Recyclability）

《電池2030+》路線圖將促進建立循環(huán)經(jīng)濟社會，減少浪費，減少二氧化碳排放量并更明智地使用戰(zhàn)略資源作為長期愿景。

因此，發(fā)展高效電池拆解和回收技術(shù)是保證歐盟到2030年時，電池經(jīng)濟長期且可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要的保證。這就需要有針對性的開發(fā)新型，創(chuàng)新的，簡單的，低成本的和高效率的回收流程，以保證電池全生命周期的低碳足跡和經(jīng)濟可行性。比如對活性材料采用直接方法回收，而不是經(jīng)過多步驟的途徑。采用直接修復(fù)或重新調(diào)節(jié)電極的方式即可使電池重新達到可工作的狀態(tài)。

基于此，《電池2030+》對材料層級，界面層級和單體電池層級都提出一些新的回收概念和整體流程：

（1）整個生命周期可持續(xù)設(shè)計（包括生態(tài)設(shè)計和經(jīng)濟設(shè)計）；（2）電池及電池組拆解設(shè)計；（3）回收設(shè)計方法。這個過程需要研究者，電池生產(chǎn)企業(yè)，材料供應(yīng)商協(xié)同參與，并與回收商一起將回收策略及相關(guān)限制條件整合到新的電池設(shè)計中。

 

圖8. 未來的電池回收過程：直接回收與再利用過程有機的整合

（一）回收策略重點計劃

a. 電池組件及單體的重復(fù)可利用性：通過產(chǎn)品標(biāo)簽、電池管理系統(tǒng)、內(nèi)置和外置傳感器等相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和分析，集成傳感器和電極自愈合功能，用于識別損壞/老化的組件并為重復(fù)利用做準(zhǔn)備。同時在電池設(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可行性。

b. 引入現(xiàn)代低碳足跡物流概念：包括分散式處理，開發(fā)產(chǎn)品可追溯性，特別是整個電池生命周期中關(guān)鍵原材料的可追溯性。

以及開發(fā)對有價值關(guān)鍵材料的高效、低成本和可持續(xù)的一步回收處理策略，并將其“翻新”為電池可用活性材料，如果不能完全逆轉(zhuǎn)，則通過調(diào)整組成來合成活性材料前驅(qū)體或相關(guān)原材料。

c. 自動化及選擇性回收：采用AI輔助技術(shù)及設(shè)備，實現(xiàn)電池自動分揀和評估，自動將電池組拆解到單體電池級別，自動拆解電池至最大的單個組件級別。

同時借助于大數(shù)據(jù)技術(shù)分析并尋求適用于所有電池及電池組的通用拆解過程，確保即使是像鋰金屬固態(tài)電池，鋰金屬-空氣電池等新型電池，也能最大程度地回收電池組件及其關(guān)鍵性組成材料。

（二）回收策略研發(fā)計劃

短期計劃：實現(xiàn)電池系統(tǒng)可持續(xù)的發(fā)展和拆解，開發(fā)數(shù)據(jù)收集和分析系統(tǒng)，用于電池組/模塊分揀和重復(fù)利用/再利用的技術(shù)，并開始開發(fā)自動化拆解電池。并用于快速電池表征的新測試。

中期計劃：開發(fā)自動將電池分解成單個組件的方法，以及粉末及其成分的分類和回收，將其“翻新”為先進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（比如石墨，正極材料）并明顯改善對能源和資源的消耗。

長期計劃：開發(fā)和驗證完整的直接回收系統(tǒng)；系統(tǒng)在經(jīng)濟上可行，安全且對環(huán)境友好，并且比目前的流程更低的碳排放量足跡。

除了歐洲的SET-PLAN計劃外，目前只有少數(shù)幾個國家有明確路線圖并為之長期努力。在這里，簡短介紹來自中國，印度，日本和美國的電池路線圖，以更廣闊的視野來看待2030+電池的目標(biāo)。

4.1 中國發(fā)展規(guī)劃：中國現(xiàn)在是全球發(fā)表電池研究論文最多的國家。但同時在工業(yè)界也定義了兩個并行的研究和創(chuàng)新戰(zhàn)略：

進化戰(zhàn)略和創(chuàng)新戰(zhàn)略。進化戰(zhàn)略專注于優(yōu)化現(xiàn)有搭載新能源電池的車輛和能源動力總成系統(tǒng)，包括電池性能的提升（高安全，快速充電，低耗電量等）。

而革命性戰(zhàn)略的目標(biāo)是開發(fā)下一代電池化學(xué)體系用于車輛動力總成系統(tǒng)。如圖9所示，可以比較2015年至2035年中國的電池發(fā)展目標(biāo)與日本新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的RISING計劃目標(biāo)，以及美國能源部（DOE）的Battery 500計劃。

 

圖9. 中國2013年至2030年的國家新能源項目和戰(zhàn)略目標(biāo)

4.2 印度發(fā)展規(guī)劃：印度最近也為汽車制造行業(yè)發(fā)布了路線圖，其中電池研發(fā)和制造被認(rèn)為具有很高的戰(zhàn)略意義。但路線圖中并未展示達到目標(biāo)需要何種關(guān)鍵性技術(shù)，只是明確表達了電池的重要性。

4.3 日本發(fā)展規(guī)劃：日本在某些關(guān)鍵領(lǐng)域一直有制定長期穩(wěn)定研究計劃的傳統(tǒng)，電池就是其中之一。

日本新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的RISING-2項目就是一項長期的大規(guī)模計劃，始于2010年，計劃于2022年結(jié)束。它定義了兩個關(guān)鍵的電池性能目標(biāo)（如圖10所示），其中對于純電動汽車，在2020年動力電池系統(tǒng)能量密度需達到250Wh/kg，2030年達到500Wh/kg。

而對于插電混合動力汽車，在2020年動力電池系統(tǒng)能量密度需達到200Wh/kg。這是唯一可以嘗試與《電池2030+》提出目標(biāo)相比較的國際研發(fā)計劃。

 

圖10. 日本NEDO的2020年和2030年電池性能目標(biāo)

4.4 美國發(fā)展規(guī)劃：美國能源部（DOE）于2016年主導(dǎo)了Battery 500項目，其聯(lián)合了六所大學(xué)，四個國家實驗室和IBM的科研實力。

德國壓力機廠家獲悉，其總體目標(biāo)是開發(fā)鋰金屬電池，相比目前電動汽車用電池組能量密度170-200Wh/Kg，使電池組能量密度達到500Wh/Kg。而且Battery 500將致力于開發(fā)體積更小，重量更輕，更便宜的電動汽車電池。

來源：高工鋰電網(wǎng)資訊

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