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摘要：德國壓力機廠(chǎng)家分析相關(guān)報告，發(fā)現開(kāi)發(fā)靈活的制造流程和高精度建模工具，以?xún)?yōu)化工藝、條件和機器參數，開(kāi)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(shí)時(shí)模型（即用于電池制造的數字化模型）。

Part I:“電池2030+（BATTERY 2030+）”背景

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

研究?jì)热菀?ldquo;化學(xué)中性途徑（chemistry neutral approach）”為導向，基于現有或未來(lái)多種不同類(lèi)型的電池化學(xué)物質(zhì)，通過(guò)縮小各自之間的差距來(lái)發(fā)揮其全部潛力以實(shí)現電池的實(shí)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(jià)值鏈提供新的發(fā)展和支持，比如從原材料到先進(jìn)材料的發(fā)展，到電池和電池包的設計制造，電池壽命終止后的回收利用和電池實(shí)際應用場(chǎng)景等。

除此之外，《電池2030+》的長(cháng)期發(fā)展路線(xiàn)圖也充分地彌補了歐洲電池內部的中期研究和創(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(lái)推動(dòng)歐洲為期10年的大規模努力以促進(jìn)電池領(lǐng)域的變革性發(fā)展。不斷提出新的研究方法和開(kāi)拓新的創(chuàng )新領(lǐng)域，實(shí)現安全的超高性能電池開(kāi)發(fā)，最終實(shí)現歐洲社會(huì )2050年前不再使用化石能源（如圖1所示）。

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

 

圖1. 《電池2030+》的長(cháng)期愿景及使命

Part II:“電池2030+”計劃目標

據德國壓力機廠(chǎng)家了解，《電池2030+》的總體目標是實(shí)現具有超高性能和智能化的可持續電池功能以適用于每個(gè)應用場(chǎng)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)境可持續性和可擴展性，以實(shí)現具有競爭力成本的大規?；a(chǎn)電池。

第一個(gè)重要挑戰是達到最好的電池性能，因此發(fā)現新材料和新化學(xué)體系的開(kāi)發(fā)過(guò)程必須加快?！峨姵?030+》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(kāi)發(fā)周期。

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

為了實(shí)現第二個(gè)挑戰，《電池2030+》提出了兩種不同且互補的建議方案：開(kāi)發(fā)直接在化學(xué)和電化學(xué)反應中可探測的傳感器，將新型傳感器嵌入電池中連續監控其“健康”和“安全狀態(tài)”。另一方面，通過(guò)使用自愈合功能來(lái)提高電池容量并提高電池性能。

與目前最先進(jìn)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(lái)發(fā)展（如圖2）：

第一，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(shí)現關(guān)鍵的原材料回收率接近100％。

 

圖2.《電池2030+》對未來(lái)電化學(xué)存儲系統的最新技術(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)現和開(kāi)發(fā)始終貫穿于整個(gè)過(guò)程。特別對于新興的電池技術(shù)，先進(jìn)材料幾乎是所有清潔能源創(chuàng )新的基礎。

若依靠現有的傳統重復性試驗開(kāi)發(fā)過(guò)程，需要耗費大量的時(shí)間，人力物力去開(kāi)發(fā)新型高性能電池材料并用于電池設計，這一過(guò)程從最初發(fā)現到完全實(shí)現商業(yè)化可能長(cháng)達10年之久。

因此，在《電池2030+》項目中，為了加速超高性能的，可持續發(fā)展的智能型電池開(kāi)發(fā)，計劃在歐洲范圍內設立電池“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(shí)BIG-MAP基礎設施模塊化設置，全系統具有高度的通用性，以便能夠容納所有新興的電池化學(xué)體系，材料成分，結構和界面。

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)中集成和編排數據，整合計算材料設計，模塊化和自主性綜合機器人技術(shù)和先進(jìn)表征，實(shí)現全新的電池開(kāi)發(fā)策略。促進(jìn)材料，工藝和設備的逆向設計和定制。

最終，在MAP框架下由每個(gè)核心元素構建概念電池，開(kāi)發(fā)出具有突破性的電池材料，極大提高電池開(kāi)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(diǎn)研發(fā)技術(shù)

a. 高通量技術(shù)：開(kāi)發(fā)自主材料合成機器人，構建電池材料自身及使用過(guò)程中原位的自動(dòng)化高通量表征。實(shí)現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表征?；诟咄繑祿慕：蛿祿上嘟Y合，以物理參數為導向對電池及其活性材料進(jìn)行分析和表征。

b. 建立基于分布式訪(fǎng)問(wèn)模型的跨區域通用數據基礎架構，實(shí)現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(guò)程中，能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行跨區域的實(shí)驗數據集成和建模。通過(guò)數據的共享實(shí)現信息的匯總及規?；治?。

以機器學(xué)習和物理理論為導向的數據驅動(dòng)模型去識別材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中重要的參數和特征，開(kāi)發(fā)有效的和穩固的方式耦合和連接不同維度的模型，加速材料開(kāi)發(fā)過(guò)程。

c. 開(kāi)發(fā)基于電池系統的人工智能（AI），構建統一數據框架：基于A(yíng)I技術(shù)開(kāi)發(fā)集成物理參數和數據驅動(dòng)的混合型模型。

比如目前已有一些AI軟件包如ChemOS和phoenix正在用于自驅動(dòng)實(shí)驗室的原型開(kāi)發(fā)階段。利用歐洲材料建模委員會(huì )（EMMC）和歐洲材料與建模本體（EMMO）支持的訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，將學(xué)術(shù)界和工業(yè)界、材料建模和實(shí)際應用工程聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現電池整體價(jià)值鏈的數據標準化傳遞及共享。

d. 電池材料和界面的逆向設計工程：通過(guò)所需的目標性能定義電池材料和/或界面的組成和結構，從而打破傳統的開(kāi)發(fā)過(guò)程，促進(jìn)材料的高效高速開(kāi)發(fā)。

（二）MAP研發(fā)計劃

短期計劃：開(kāi)發(fā)用于電池材料和電池本身的共享且可互操作的數據基礎架構接口，涵蓋電池發(fā)現和開(kāi)發(fā)周期所有領(lǐng)域的數據；自動(dòng)化的工作流程，用于識別在不同時(shí)間尺度下傳遞相關(guān)特征/參數；構建基于不確定性的電池材料的數據驅動(dòng)和物理模型。

中期計劃：在材料加速平臺（MAP）中實(shí)現電池基因組（BIG-MAP）構建，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計過(guò)程；在發(fā)現和預測過(guò)程中直接集成來(lái)自嵌入式傳感器的數據，例如主動(dòng)的自我愈合。

長(cháng)期計劃：在電池基因組平臺中建立完全的自主開(kāi)發(fā)過(guò)程；集成電池單元組裝和設備級測試；包含材料發(fā)現過(guò)程中的可制造性和可回收性；展示材料開(kāi)發(fā)周期的5倍加速；實(shí)施并驗證用于電池超高通量測試的數字技術(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電碳和/或粘結劑等的添加劑之間。因此在開(kāi)發(fā)新的電池化學(xué)體系或現有電池技術(shù)中引入新的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，界面是有效利用電池電極材料關(guān)鍵之所在。

MAP是提供基礎設施以加快材料的發(fā)現，而《電池2030+》提出BIG將對材料開(kāi)發(fā)過(guò)程提供必要的理解和模型，以預測和控制影響電池性能關(guān)鍵界面的動(dòng)態(tài)變化（如圖4所示）。

BIG將高度適應不同的化學(xué)物質(zhì)，從材料到設計，用大量數據構建模型，形成全新的材料開(kāi)發(fā)途徑，以超越當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(diǎn)研發(fā)技術(shù)

a. 開(kāi)發(fā)更高的空間、時(shí)間分辨率和運算速度的新型計算方法和實(shí)驗技術(shù)：以獲得超高性能電池系統構造和材料組合搭配的新理解。通過(guò)基于物理的數據驅動(dòng)混合模型和仿真技術(shù)描述最先進(jìn)的實(shí)驗和技術(shù)方法。

b. 開(kāi)發(fā)具有高還原度的電池界面表征技術(shù)：通過(guò)對電池界面及其動(dòng)態(tài)特性的精確表征，建立電池界面屬性的大型共享數據庫，利用大數據再對表征技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調整，不斷修正測試偏差，真實(shí)還原界面工作過(guò)程，提高保真度。

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

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

（二）BIG研發(fā)計劃

短期計劃：建立一定范圍內表征/測試協(xié)議和數據的電池界面標準；開(kāi)發(fā)可利用AI和仿真模擬技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特征分析和數據測試的自主模塊；開(kāi)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(kāi)發(fā)預測混合模型，用于在時(shí)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計；能夠在MAP平臺（BIG-MAP）中實(shí)現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(cháng)期計劃：在BIG-MAP平臺中建立完全的自主開(kāi)發(fā)過(guò)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(zhù)目前對電池應用的依賴(lài)性不斷提高，要求對電池的狀態(tài)進(jìn)行準確監控，提高其質(zhì)量，可靠性和使用壽命。在過(guò)去幾十年中，雖然許多電化學(xué)阻抗設備（EIS）以及先進(jìn)的電池管理系統（BMS）發(fā)展，但成效有限。無(wú)論電池技術(shù)發(fā)展如何，性能仍取決于電池單元內界面的性質(zhì)和依賴(lài)于溫度驅動(dòng)的反應以及不可預測的動(dòng)力學(xué)。

雖然監控溫度對于延長(cháng)循環(huán)壽命和延長(cháng)電池壽命至關(guān)重要，但在目前電動(dòng)汽車(chē)的應用中也無(wú)法直接測量單體電池的溫度。為了更好了解/監測電池工作過(guò)程中的物理參數對電化學(xué)反應過(guò)程的影響，有效解決黑箱問(wèn)題。

《電池2030+》提出將智能傳感器嵌入到電池中，能夠實(shí)現電池在空間和時(shí)間上的分辨監視（如圖5所示）。這樣可以整合和開(kāi)發(fā)各種傳感技術(shù)在電池中以實(shí)時(shí)傳遞信息（如溫度，壓力，應變，電解質(zhì)成分，電極膨脹度，熱流變化等）。

最重要的是依據大量的原位實(shí)時(shí)監測數據，可以與BIG-MAP協(xié)作構建電池工作狀態(tài)函數及模型，開(kāi)發(fā)智能的響應式電池管理系統。將在單體電池級別和整個(gè)系統級別上進(jìn)行分層管理。

 

圖5. 未來(lái)具有原位傳感及輸出分析裝置的電池

（一）智能傳感器重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)

a. 集成和開(kāi)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)傳感器用于設計/開(kāi)發(fā)固態(tài)電解質(zhì)（SEI）中間相動(dòng)態(tài)監測功能。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控電池內外的局部及整體溫度變化。

電化學(xué)傳感器主要用于監控電池界面SEI增長(cháng)，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變和壓力變化，從而反應電池的SoC以及SoH狀態(tài)。

光學(xué)傳感器則可以對電池局部溫度，壓力和應變通過(guò)光學(xué)信號同時(shí)感應，其中光子晶體纖維傳感器可以對多感應信號同時(shí)采集但又解耦合分析，是未來(lái)發(fā)展多參數監測新型傳感器的趨勢。

b. 開(kāi)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)反應副產(chǎn)物對傳感器的腐蝕，提升器件穩定性，傳導靈敏性和使用壽命。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(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)來(lái)避免復雜的連接布線(xiàn)問(wèn)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(jiǎn)單的集成開(kāi)發(fā)非侵入式多傳感方法，為評估電池內界面動(dòng)力學(xué)，電解質(zhì)降解，樹(shù)枝狀生長(cháng)，金屬溶解，材料結構變化的相關(guān)性提供可行性。

監測電池運行期間關(guān)鍵參數的正?；蛘弋惓Ｐ袨?，并定義從傳感器到BMS的傳遞函數，通過(guò)運行實(shí)時(shí)傳感將溫度窗口提高>10％。

中期計劃：實(shí)現（電）化學(xué)穩定傳感技術(shù)的微型化和集成，在電池層面和實(shí)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(guò)程兼容；利用傳感數據實(shí)現高級BMS，構建新的自適應和預測控制算法；BIG-MAP中集成感應和自我愈合；多價(jià)電極系統的過(guò)電壓降低>20％；將鋰離子電池可利用電壓窗口增加>10％。

長(cháng)期計劃：依靠先進(jìn)的BMS控制傳感器的通信，新的AI協(xié)議通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現完全可操作的智能電池組。在未來(lái)的電池設計中，將感測/監視與刺激引起的局部自愈合機制結合，從而可以通過(guò)集成感測-BMS-自愈合系統得到智能電池。

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

電池技術(shù)的可持續發(fā)展以及我們對電池普及應用的日益依賴(lài)，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?？煽啃?，電池應該能夠自動(dòng)感知損壞，并恢復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(lái)制造智能長(cháng)壽命電池嗎？

《電池2030+》中借鑒醫學(xué)領(lǐng)域中“再生工程”的理念，提出可以開(kāi)發(fā)在電池內注入相應自愈合功能的材料，以恢復電極內部的缺陷。

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)送到電池管理系統并進(jìn)行分析，如果出現問(wèn)題，BMS將發(fā)出信號發(fā)送給執行器以觸發(fā)自我愈合過(guò)程的刺激。這種既自我感知又觸發(fā)自修復的結合過(guò)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介導的電池工作-感應-自我修復協(xié)同耦合過(guò)程

（一）自愈合理念重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)

a. 開(kāi)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，用于修復電極導電網(wǎng)絡(luò )。具有自愈合性的人工SEI結構活性材料，用于修復電極材料充放電過(guò)程中界面結構的破壞。

b. 開(kāi)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)中的應用。使用無(wú)毒的生物基材料（例如多糖類(lèi)材料，蛋白質(zhì)材料）設計薄而多孔的可控隔膜，開(kāi)發(fā)功能化生物基電解質(zhì)隔離膜，專(zhuān)門(mén)設計使其具有自愈合特性，通過(guò)控制電解液的分解從而改善電池老化。

c. 構建復合電極：設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(guò)外界刺激響應來(lái)釋放愈合劑，或在受刺激破裂時(shí)將釋放鋰鹽、鈉鹽等。利用特定高分子結構的設計（比如PAA-聚輪烷滑輪型聚合物）控制電極膨脹結構并優(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(jìn)行功能化處理，并開(kāi)發(fā)依靠氫鍵相同作用實(shí)現可逆交聯(lián)的超分子結構，以愈合電極-隔離膜的膜破裂，同時(shí)與電池的目標化學(xué)性質(zhì)兼容。

中期計劃：設計智能型隔離膜，具有可容納多種功能有機-無(wú)機愈合劑的微膠囊，可通過(guò)磁性，熱或化學(xué)作用觸發(fā)自動(dòng)愈合，同時(shí)確定與刺激驅動(dòng)的自愈合操作相關(guān)的響應時(shí)間，以愈合與電極斷裂或SEI中間相老化有關(guān)的故障。

長(cháng)期計劃：設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(guò)外部刺激適當觸發(fā)已經(jīng)植入電池的自我愈合功能。

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

新一代突破性電池材料的面世將開(kāi)啟嶄新的電池技術(shù)機會(huì )。但是，從廣義上講，這些新電池技術(shù)至少需要面對兩個(gè)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?；a(chǎn)的可行性和進(jìn)入工業(yè)化過(guò)程的評估。

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

 

圖7. 電池制造的數字化過(guò)程

（一）未來(lái)電池規?；圃熘攸c(diǎn)技術(shù)

a. 設計過(guò)程數字化：引入新功能，如自愈合材料/界面、各類(lèi)智能傳感器或其他執行器、生態(tài)電池設計和替代電池設計，在電池制造過(guò)程中開(kāi)發(fā)和驗證多重物理量和多尺度模型，以更準確了解制造過(guò)程的每個(gè)步驟。

b. 制造過(guò)程數字化：開(kāi)發(fā)靈活的制造流程和高精度建模工具，以?xún)?yōu)化工藝、條件和機器參數，開(kāi)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(shí)時(shí)模型（即用于電池制造的數字化模型）。

（二）未來(lái)電池規?；圃煅邪l(fā)計劃

短期計劃：從最先進(jìn)的信息開(kāi)始，重點(diǎn)放在是電池設計方法。改進(jìn)模擬工具（如多物理場(chǎng)模型），通過(guò)深度學(xué)習和機器學(xué)習方法減輕計算負擔，應用AI技術(shù)用于電池設計。

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；在電池級設計取得進(jìn)展之后，將啟動(dòng)并實(shí)施基于A(yíng)I制造方法，即建模> AI>制造（包括新技術(shù)的制造以及制造過(guò)程中的數字化模型）。

規模也可擴大到電池制造過(guò)程中的技術(shù)，可擴展到電池化學(xué)成分開(kāi)發(fā)，例如多價(jià)和有機的材料開(kāi)發(fā)，或者其他電池體系，如液流電池。

長(cháng)期計劃：將整個(gè)AI驅動(dòng)的方法集成并整合在電池單元設計中，實(shí)現基于BIG-MAP的完全自主系統。利用這種方法促進(jìn)學(xué)術(shù)界創(chuàng )新和工業(yè)界開(kāi)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(xiàn)圖將促進(jìn)建立循環(huán)經(jīng)濟社會(huì )，減少浪費，減少二氧化碳排放量并更明智地使用戰略資源作為長(cháng)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(shí)，電池經(jīng)濟長(cháng)期且可持續性發(fā)展至關(guān)重要的保證。這就需要有針對性的開(kāi)發(fā)新型，創(chuàng )新的，簡(jiǎn)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(guò)多步驟的途徑。采用直接修復或重新調節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(gè)生命周期可持續設計（包括生態(tài)設計和經(jīng)濟設計）；（2）電池及電池組拆解設計；（3）回收設計方法。這個(gè)過(guò)程需要研究者，電池生產(chǎn)企業(yè)，材料供應商協(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計中。

 

圖8. 未來(lái)的電池回收過(guò)程：直接回收與再利用過(guò)程有機的整合

（一）回收策略重點(diǎn)計劃

a. 電池組件及單體的重復可利用性：通過(guò)產(chǎn)品標簽、電池管理系統、內置和外置傳感器等相關(guān)數據的收集和分析，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利用做準備。同時(shí)在電池設計中盡可能延長(cháng)壽命，并考慮重新校準、翻新以及二次使用和多次使用的可行性。

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

以及開(kāi)發(fā)對有價(jià)值關(guān)鍵材料的高效、低成本和可持續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，則通過(guò)調整組成來(lái)合成活性材料前驅體或相關(guān)原材料。

c. 自動(dòng)化及選擇性回收：采用AI輔助技術(shù)及設備，實(shí)現電池自動(dòng)分揀和評估，自動(dòng)將電池組拆解到單體電池級別，自動(dòng)拆解電池至最大的單個(gè)組件級別。

同時(shí)借助于大數據技術(shù)分析并尋求適用于所有電池及電池組的通用拆解過(guò)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(shí)現電池系統可持續的發(fā)展和拆解，開(kāi)發(fā)數據收集和分析系統，用于電池組/模塊分揀和重復利用/再利用的技術(shù)，并開(kāi)始開(kāi)發(fā)自動(dòng)化拆解電池。并用于快速電池表征的新測試。

中期計劃：開(kāi)發(fā)自動(dòng)將電池分解成單個(gè)組件的方法，以及粉末及其成分的分類(lèi)和回收，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(kāi)發(fā)二次應用中材料再利用的預測和建模工具。顯著(zhù)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(cháng)期計劃：開(kāi)發(fā)和驗證完整的直接回收系統；系統在經(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，目前只有少數幾個(gè)國家有明確路線(xiàn)圖并為之長(cháng)期努力。在這里，簡(jiǎn)短介紹來(lái)自中國，印度，日本和美國的電池路線(xiàn)圖，以更廣闊的視野來(lái)看待2030+電池的目標。

4.1 中國發(fā)展規劃：中國現在是全球發(fā)表電池研究論文最多的國家。但同時(shí)在工業(yè)界也定義了兩個(gè)并行的研究和創(chuàng )新戰略：

進(jìn)化戰略和創(chuàng )新戰略。進(jìn)化戰略專(zhuān)注于優(yōu)化現有搭載新能源電池的車(chē)輛和能源動(dòng)力總成系統，包括電池性能的提升（高安全，快速充電，低耗電量等）。

而革命性戰略的目標是開(kāi)發(fā)下一代電池化學(xué)體系用于車(chē)輛動(dòng)力總成系統。如圖9所示，可以比較2015年至2035年中國的電池發(fā)展目標與日本新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（NEDO）的RISING計劃目標，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略目標

4.2 印度發(fā)展規劃：印度最近也為汽車(chē)制造行業(yè)發(fā)布了路線(xiàn)圖，其中電池研發(fā)和制造被認為具有很高的戰略意義。但路線(xiàn)圖中并未展示達到目標需要何種關(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)展規劃：日本在某些關(guān)鍵領(lǐng)域一直有制定長(cháng)期穩定研究計劃的傳統，電池就是其中之一。

日本新能源產(chǎn)業(yè)的技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（NEDO）的RISING-2項目就是一項長(cháng)期的大規模計劃，始于2010年，計劃于2022年結束。它定義了兩個(gè)關(guān)鍵的電池性能目標（如圖10所示），其中對于純電動(dòng)汽車(chē)，在2020年動(dòng)力電池系統能量密度需達到250Wh/kg，2030年達到500Wh/kg。

而對于插電混合動(dòng)力汽車(chē)，在2020年動(dòng)力電池系統能量密度需達到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

4.4 美國發(fā)展規劃：美國能源部（DOE）于2016年主導了Battery 500項目，其聯(lián)合了六所大學(xué)，四個(gè)國家實(shí)驗室和IBM的科研實(shí)力。

德國壓力機廠(chǎng)家獲悉，其總體目標是開(kāi)發(fā)鋰金屬電池，相比目前電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)發(fā)體積更小，重量更輕，更便宜的電動(dòng)汽車(chē)電池。

來(lái)源：高工鋰電網(wǎng)資訊

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