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欧盟“电池2030+”计划工作组发布电池研发路线图草案

以下文章来源于先进能源科技战略情报研究中心 ,作者CASEnergy

【编者按】技术发展数字化趋势势不可当,电池技术也不例外。近日,欧盟“电池2030+”(BATTERY 2030+)计划工作组发布的电池研发路线图第二版草案,给出了雄心勃勃的计划目标,以及材料研发、电池界面/相间研究、先进传感器、自修复功能、电池制造、电池回收6个领域的研发路线,特别值得关注的其底层研究方法中突出的“数字化”特征。本文转载自“先进能源科技战略情报研究中心”公众号,希望对储能领域研究人员有所启发。


近日,欧盟“电池2030+”(BATTERY 2030+)计划工作组发布了电池研发路线图第二版草案,提出未来10年欧盟电池技术的研发重点,旨在开发智能、安全、可持续且具有成本竞争力的超高性能电池,使欧洲电池技术在交通动力储能、固定式储能领域以及机器人、航空航天、医疗设备、物联网等未来新兴领域保持长期领先地位。该路线图草案提出了欧盟电池研发的长期愿景和总体目标,指出未来将围绕材料开发、电池界面/相间研究、先进传感器、自修复功能四个主要研究领域,以及制造和回收利用两个交叉研究领域开展新概念技术(技术成熟度在1-3级)研发活动。
欧盟委员会在2018年5月公布的《电池战略行动计划》中宣布将设立一个大型的电池研发长期计划,并在当年12月发布《电池2030+宣言》,阐述了“电池2030+”计划的目标、愿景和重点研发领域。2019年3月,欧盟启动“电池2030+”协调和支持行动,以确定“电池2030+”计划的研发路线图。本次发布的研发路线图第二版草案经讨论修改后,将于2020年2月底提交给欧盟委员会。路线图主要内容如下:
一、“电池2030+”计划目标
研发具有超高性能的智能、可持续电池,以应用于各种领域。此类电池将具备超高性能(即能量和功率密度接近理论极限)、出色的使用寿命和可靠性、增强的安全性和环境可持续性以及可扩展性,并能以具有竞争力的成本大规模量产。
通过“电池2030+”计划在未来10年的研究,将为电池技术带来如下影响(与当前技术相比):①将电池实际性能(能量密度和功率密度)和理论性能之间的差距缩小1/2;②至少将电池的耐用性和可靠性提高三倍;③将电池的生命周期碳足迹至少减少五分之一(对于给定的电力组合);④电池回收率至少达到75%,关键原材料回收率接近100%。
二、重点领域研发路线
1、材料开发
(1)研发重点
通过创建材料加速平台,将合作伙伴的优势互补与现有的合作环境相结合,以支持提高对电池材料认识的研究工作。重点研发技术包括:①开发高通量自主合成机器人,以解决电解质配方和电极活性材料及其组合时的材料表征问题;②建立用于对电池材料及其原位和运行过程中表征的自动化高通量基础设施,将物理参数导向的基于数据的建模和数据生成相结合,对电池及其活性材料进行高通量测试,建立可加速开发新材料和界面的电池材料平台;③建立基于分布式访问模型的跨部门通用数据基础架构,确保在材料的闭环研发过程中,能够实时进行跨部门实验数据集成和建模;④多尺度互连和集成工作流程,通过机器学习和物理理论导向的数据驱动模型识别最重要的参数和特征,开发创新方法以有效和稳固的方式最佳地耦合和连接不同尺度的模型;⑤开发人工智能,将基于AI技术开发集成物理参数和数据驱动的混合模型;⑥统一数据协议,利用欧洲材料建模委员会(EMMC)和欧洲材料与建模本体(EMMO)支持的语义访问协议,并将学术界和工业界、材料建模和工程联系起来,实现整个电池价值链中的数据标准化;⑦电池材料和界面的逆向设计,通过所需性能目标来定义电池材料和/或界面的组成和结构,从而颠覆传统的开发过程。
(2)研发目标
短期目标:开发用于电池材料和界面的共享且可互操作的数据基础架构,涵盖电池发现和开发周期内所有领域的数据;自动化的工作流程,可识别并在不同的时空尺度之间传递特征/参数;构建基于不确定性的材料和界面的数据驱动和物理混合模型。
中期目标在材料加速平台中实施电池界面基因组,能够集成计算建模、自主合成机器人和材料表征;成功演示电池材料可逆设计过程;在发现和预测过程中直接集成来自嵌入式传感器的数据。
长期目标在电池界面基因组-材料加速平台上建立并示范完全自主开发过程;集成电池组装和设备级测试;在材料开发过程中实现可制造性和可回收性;示范材料开发周期的5倍加速;实施并验证用于电池超高通量测试的数字技术。
2、电池界面/相间研究
(1)研发重点
在电池界面/中间相研究方面,将重点关注如下研究:①开发针对更高的空间分辨率、时域和运行条件的新型计算和实验技术,以获得超高性能电池系统构造的新认知;②开发结合实验、理论和数据驱动的全新研究方法,通过基于物理的数据驱动混合模型和仿真技术以描述最先进的实验;③开发具有高保真度的电池界面表征技术,通过对电池界面及其动态特性的精确表征,建立电池界面属性的大型共享数据库;④设计电池及其材料的标准化测试协议,以便通过将电池性能与其化学性质进行比较来获取有关电池界面的关键信息;⑤开发更精确的模型,以接近最真实的界面、老化和退化情况。
(2)研发目标
短期目标:为电池界面建立规范的特性/测试协议和数据标准;开发自主模块可利用AI和仿真模拟技术进行动态特征分析和数据测试;开发可互操作的高通量和高准确度的界面表征方法。
中期目标:为电池界面的空间和时间变化过程开发预测混合模型;电池中间相逆向合成设计模型的示范;电池界面基因组-材料加速平台得以实现,能够集成计算建模、自主合成机器人技术和材料表征。
长期目标:在电池界面基因组-材料加速平台上建立并示范完全自主开发过程;证明界面性能提高了5倍;证明电池界面基因组到新型电池化学和界面的可移植性。
3、先进传感器
(1)研发重点
在先进传感器方面,将重点关注如下研究:①将智能功能嵌入电池,集成和开发适用于电池的多种传感器,如光学、电学、热学、声学和电化学传感器,并设计/开发固体电解质中间相动态监测功能;②将传感器嵌入电池,开发具有创新化学涂层的传感器,将传感器尺寸减小到几微米以适合电极隔板的厚度,采用无线传感技术来避免连接布线问题,还可开发能够监测多个参数的新型传感器。
(2)研发目标
短期目标:开发基于各种传感技术和简单集成的非侵入性多传感方法,为评估电池内的界面动力学、电解质降解、枝晶生长、金属溶解、材料结构变化等现象提供可能;监测电池工作期间关键参数的正常-异常变化,并定义从传感器到电池管理系统的传递函数;通过实时传感将工作温度窗口扩大>10%。
中期目标实现(电)化学稳定传感技术的微型化和集成,以经济有效的方式与工业制造过程兼容,在电池层面和实际电池模块中均具有多功能;利用先进电池管理系统传感数据,建立新的自适应预测控制算法;在电池界面基因组-材料加速平台中集成感应和自修复功能;多价电极体系过电压降低>20%;将锂离子的电压窗口增加>10%。
长期目标:依靠新的AI协议辅助的先进电池管理系统,通过无线传感器通信实现完全可操作的智能电池组;在未来的电池设计中,将感测/监视与刺激引起的局部修复机制(例如自修复)结合,从而可以通过集成感测-电池管理系统-自修复系统来获得智能电池。
4、自修复功能
(1)研发重点
在电池自修复方面,将重点关注如下研究:①功能化电解质隔膜,研究电解质隔膜孔道内接枝的方法,经过专门设计使其具有自修复特性;②针对大多数组件和界面开发聚合物自修复策略,也将探索超分子在自修复多相固体聚合物电解质系统中的应用;③开发生物基电解质隔膜,通过控制电解质的分解从而改善电池老化,使用无毒的生物基分子/蛋白质(例如环糊精)设计薄而多孔的可控隔膜,其选择性可以通过使用和优化蛋白质工程来实现;④探索利用滑动轮凝胶控制隔膜表面的有机物并优化电池装置的效率,另外将研究复合电极,其包含能够通过施加刺激来释放修复剂的微胶囊,将设计具有矿物或聚合物壳的微囊,在受刺激破裂时将释放锂盐、钠盐等。
(2)研发目标
短期目标:进行跨领域合作,为建立新的电池研究领域打下基础,从而开发电池的自修复功能。对隔膜进行功能化处理,并开发依靠H-H键可逆交联的超分子结构,以修复电极-隔膜的膜破裂,同时与目标电池的化学性质兼容。
中期目标:设计具有可容纳多种功能有机-无机修复剂胶囊的隔膜,可通过磁、热或电模量触发以实现自动修复;确定与刺激驱动的自修复操作相关的响应时间,以修复与电极断裂或固体电解质中间相老化有关的故障。
长期目标:设计和制造具有受控功能和孔隙率的低成本生物基电解质隔膜;在电池传感器和电池管理系统之间建立有效的反馈回路,以通过外部刺激适当触发已经植入电池的自修复功能。
5、电池制造
(1)研发重点
未来电池制造应避免使用当前的反复试错方法,并且电池和制造过程必须“智能”,开发电池数字化模型。因此需进行如下工作:①引入新功能,如自修复材料/界面、传感器或其他执行器、电池生态设计和替代电池设计;②开发灵活的制造流程和高精度建模工具,以优化工艺、条件和机器参数,开发用于处理电极浆料和电池性能的实时模型(即用于电池制造的数字化模型);③在电池制造过程中开发和验证多重物理量和多尺度模型,以更准确了解制造过程的每个步骤。
(2)研发目标
短期目标:重点开发电池设计方法,改进仿真工具(如多物理场模型),通过深度学习和机器学习方法减轻电池单元设计的计算量并应用当前的AI技术
中期目标:开发电池界面基因组、材料加速平台、传感技术、自修复、回收和其他创新领域,并将其整合到流程中;在电池级设计取得进展之后,将启动并实施基于AI制造方法,即建模-> AI->制造(包括新技术的制造以及制造过程中的数字化模型);规模可扩大的电池,如液流电池。
长期目标:通过在整体原型开发中集成电池单元设计,可以成熟地使用整体由AI驱动的方法,实现基于电池界面基因组-材料加速平台的完全自主系统。利用这种方法开发可商业化的最新电池技术。
6、电池回收
(1)研发重点
计划将开发突破性的电池回收工艺,主要研究方向包括:①数据收集和分析(通过标签、电池管理系统、传感器等);②现代低碳足迹物流概念,包括分散式处理;③自动将电池组拆解到单元级别;④尽可能探索重复使用和再利用;⑤自动拆解电池至最大的单个组件;⑥开发选择性粉末回收技术,并将其“翻新”为电池活性物质,如果不可能,则通过调整组成来合成活性物质前驱体。
为此,将进行特定研发活动:①电池设计中尽可能延长寿命,并考虑重新校准、翻新以及二次使用和多次使用的适用性;②集成传感器和自修复功能,用于识别损坏/老化的组件并为它们的重复使用做准备;③开发可追溯性概念,特别是整个电池生命周期中关键原材料的可追溯性,自动电池分拣和评估,以及开发对有价值关键材料的有效、低成本和可持续的一步回收处理;④选择性回收过程中将使用AI技术和分拣设备,同时还将寻求适用于所有电池的通用过程,确保即使是金属-空气电池等新型电池,也能最大程度地回收电池组件。
(2)研发目标
短期目标:开发用于数据收集和分析的系统,开发用于电池组/模块分拣和重复利用/再利用的技术,并开发自动拆解电池的方法。将开发用于电池快速表征的新测试技术。
中期目标:开发自动将电池拆解成单个组件的技术,粉末和组件的分选和回收技术,以及将其“翻新”为先进的新型电池活性材料的技术。在电池中测试回收的材料。将开发二次应用中材料再利用的预测和建模工具。显著提高关键原材料的回收率并明显改善对能源和资源的消耗。
长期目标:开发和验证完整的直接回收系统,该系统将在经济上可行、安全且环境友好,并且比目前的流程具有更低的碳足迹。


编辑:张宇

审核:白恺