欧洲未来电池研究的技术线路图

可充电电池是一项关键技术，可为大量电子仪器、设备和交通工具提供能量存储。电池可以加速向可持续和智能移动的转变，帮助提供清洁、安全的能源，并向碳中和社会过渡。欧盟委员会的目标是2030 年将温室气体净排放量减少至少 55%，其中要求电池具有超越当前技术指标的超高性能：能量和功率密度必须接近理论极限，必须实现出色的使用寿命和可靠性以及增强的安全性和环境可持续性。此外，为了在商业上取得成功，新的电池技术必须具有可扩展性、可持续性，并能够实现具有成本效益的大规模生产。这些要求对电池研究界构成了巨大的挑战，而 BATTERY 2030+ 是欧洲的大规模和长期研究计划，为欧盟委员会提出的战略能源技术计划（SET-plan）的想法之一，旨在联合欧洲整体解决未来电池研发过程中所面临的各项挑战，克服重重阻力达成宏大的既定的电池性能目标。

本文总结了 BATTERY 2030+ 联盟制定的路线图。该路线图围绕六个主题：1) 加速材料发现平台，2) 电池接口基因组，集成智能功能，3) 传感和 4) 自愈过程。除了化学相关方面还包括关于 5) 可制造性和 6) 可回收性的交叉研究。该路线图应被视为对全球电池路线图的有利补充，该路线图专注于预期的超高电池性能，特别是对于未来的交通运输而言。电池用于许多应用，被认为是实现气候目标所必需的一种技术。目前市场以锂离子电池为主，性能良好，但尽管新一代电池在不久的将来会出现，但它们很快就会接近性能极限。如果没有重大突破，电池性能和生产要求将不足以实现气候中和社会的建设。通过 “化学中性”方法，将创建一个通用工具箱，改变电池的开发、设计和制造方式。

【详细内容】

自成立以来，BATTERY 2030+计划已成为欧洲电池“生态系统”的重要组成部分，以雄心勃勃的短期、中期和长期目标应对上述 “碳中和”挑战。这些目标符合多个协会和国家发布的路线图，例如欧洲储能协会 (EASE)、能源材料工业研究计划 (EMIRI)、欧洲汽车研发委员会 (EUCAR)、联合研究中心、欧洲 委员会 (JRC)、中国、芬兰、印度、日本和美国。其中一些路线图的性能目标如图 1 所示。

图1. 用于汽车应用的不同电池的重量性能比较。

BATTERY 2030+ 采用化学中性方法来促进未来电池的发明（图 2）。它的目标不是开发特定的电池化学成分，而是创建一个通用工具箱来改变我们开发和设计电池的方式。由于采用化学中性方法，BATTERY 2030+ 不仅对当前的锂电池化学成分产生影响，而且对所有其他类型的电池也有影响。BATTERY 2030+ 将联手关注三个总体主题，涵盖六个研究领域，以应对发明未来可持续电池的关键挑战。

1.BATTERY 2030+：化学中和方法

图2. BATTERY 2030+计划重点聚焦在三个主要主题和六个密切相关的研究领域，所有这些都为加速电池发现和开发提供了新工具。

2.Battery 2030+: 整体方案

通过采用协调、多学科和统一的方法，BATTERY 2030+ 将对电池技术生态系统及其他领域产生重大影响。图 3 示意性地展示了电池的不同组件如何影响其整体性能。活性电池材料每重量或每体积可以储存一定的能量（比能量，100%）。随着真实电池的不同组件的添加——例如，电极内的粘合剂、导电填料和其他添加剂；集流体、隔膜、电解液、包装、接线、冷却和电池控制器——单位重量和体积的能量含量下降，因为从存储容量的角度来看，增加了相当数量的“无效质量”。最后，在使用过程中，比能量会随着寿命的结束而降低，这对于不同的应用有不同的定义。

图3.从材料到完整的电池组时，随着更多非活性材料的添加，总容量会降低。确定的研究领域将解决整个电池价值链中的这些损失。

BATTERY 2030+ 计划采取行动推动电池技术，且电池性能远远超出当前的技术水平。通过实现和加速不同路线图中的目标，这将对整个电池价值链产生影响。BATTERY 2030+ 计划解决了对高效和可持续电池的巨大需求。通过围绕三个研究主题开展的活动，BATTERY 2030+对表 1 所示的几个关键绩效指标 (KPI) 产生了影响。

表1. BATTERY 2030+ 研究领域对 SET 计划目标的影响，深绿色表示高影响，浅绿色表示中到低影响

3.BATTERY 2030+: 研究领域

电池研究贯穿电池开发的整个价值链。它可以面向电池单元，基于化学、物理、材料科学、建模、表征等方面的能力；也可以面向电池单元集成到电池组中的系统，以用于不同的应用。在这里，该领域依赖于电子、电气工程、系统控制、系统级建模、AI 和 ML 的知识——仅举几例。此外，回收研究变得更加重要，并且再次依赖与使用新的高效表征工具相关的化学、冶金、物理学和材料科学。

BATTERY 2030+ 倡导的研究领域依赖于这些跨学科和多学科的方法，并强烈希望整合其他研究领域以实现交叉受精。在本节中，详细描述了本路线图中提出的研究领域。每个部分都描述了该领域的现状、实现愿景的挑战和预期进展，以及 BATTERY 2030+ 的总体目标。

近年来，出现了几个例子，其中虚拟（通常是原子级）计算材料设计和操作表征技术在循环设计循环中的紧密集成可以加速下一代电池技术的发现周期（图 4），例如高容量锂离子正极和二次金属-空气电池材料，但需要进一步加速以实现 BATTERY 2030+ 的雄心勃勃的目标。理想情况下，这种循环材料开发过程应该将实验和理论研究整合到一个紧密耦合的开发自主平台中，该平台能够实现互补技术结果的近乎即时的交叉受精。

图4. 研究电池接口的代表性实验方法和理论方法之间的数据流示意图。每种方法的保真度通常与其成本成正比，但只有在给定的方法/数据最有价值时才能通过获取数据来优化保真度-成本关系。

虽然传统的基于试错的顺序材料优化范式从已知的界面组成和结构开始，随后依靠人类直觉来指导优化以提高性能，但前瞻性是启用逆向材料/界面设计，其中一个人通过允许所需的性能目标来定义最能满足这些目标的组成和结构，而无需先验地定义界面的起始组成或结构，从而有效地反转了这一过程。为了开发和实施适合电池接口逆向设计的模型，有必要结合相关的物理理解，以及能够执行从所需特性到材料的原始成分和外部参数/条件的逆映射的模型。生成式深度学习模型（在 MAP 中描述）代表了一种优化数据流并在不同域之间建立所需桥梁的有效方法，有助于解决电池中间相的最大挑战（图 5）。这种对统计相关性的依赖使描述符成为数据驱动的 AI 方法的理想工具。

图 5. 相间设计的生成模型。基于变分自动编码器 (VAE) 的电池界面化学和结构信息的编码和解码到潜在空间，通过使用例如遗传算法或基于强化学习的探索来实现生成电池界面设计。

近几十年来，已经开发了许多车载电化学阻抗谱 (EIS) 设备和复杂的 BMS，以提高其质量、可靠性和寿命 (QRL)，但成功有限。尽管监测温度（它以不可预测的动力学驱动电池界面处的反应）对于提高电池循环寿命和寿命至关重要，但目前还没有在电池级别直接测量。大幅提高电池 QRL 需要更好地了解/监控循环期间的物理参数，以及了解电池内发生的寄生化学过程之外的科学，即基础科学。为了挑战现有的限制，一种颠覆性的方法是将智能嵌入式传感技术和功能注入电池中，能够执行空间和时间分辨监测（图 6），从而使电池不再只是一个黑盒子。

图6. 除了经典的正极和负极外，未来的电池还带有连接到传感器（光纤、电线等）的输出分析仪。

多年来，许多基础研究使用复杂的诊断工具检查了不同的电池化学成分。虽然相当壮观，但这些分析技术依赖于特定的设备和细胞，不能转移到分析商业细胞。相比之下，最近在18650个电池中对锂分布密度和结构效应进行了成像，但所使用的成像技术主要依赖于访问受限的大型设施。对实时监控电池功能状态的范式转变的需求仍未得到满足。

确定电池的充电状态 (SoC) 是一个几乎与电池存在一样古老的问题，因此多年来开发了各种巧妙的监测方法（图 7）。几十年来，这项传感研究主要致力于铅酸技术，通过实施 EIS 来评估铅酸电池循环时电池电阻的演变，从而能够估计它们的健康状态。因此，便携式 EIS 设备已经商业化并用于运输和电信领域，以识别模块内的故障电池。这种设备仍然存在，但可靠性较差（<70%）。总体而言，SoC 监控仍然极具挑战性，目前还没有准确的解决方案。今天对 SoC 的估计依赖于直接测量的组合，例如 EIS、电阻、电流脉冲测量、库仑计数和基于开路电压的估计。

图7. 电池模块和系统的可用传感技术一览。

可充电电池的质量、可靠性、寿命和安全性 (QRLS) 与电池中存在的电化学和化学老化过程有关。检测不可逆变化是改进 QRLS 的第一步，细胞应该能够自动感知损坏并恢复原始配置及其全部功能。因此，自我修复程序必须与传感程序一起开发，因为它们密切相关。细胞中内置的自我修复功能可以是自主的（内在的）或非自主的（外在的），这两种模式都作为治疗作用，可以显着促进细胞的 QRLS。自愈功能是对设计界面和优化材料的补充，被视为预防功能。

自发修复损伤的能力是自然界中重要的生存特征，不同的自愈功能具有不同的动力学，这取决于材料或能量到损伤部位的运输。这是否可以转化为电池，我们是否可以设计一种多功能自愈而不影响电池在能量和功率密度方面的性能，这是否可以改善电池的QRLS？答案应该在明年提供。此外，外部自愈功能应与传感器一起开发，并与先进的 BMS 一起集成到电池/电池组中，其中来自传感器的信号由 BMS 分析，一旦需要，BMS 将向执行器发送信号，触发刺激自我修复过程（图 8）。这种改变游戏规则的方法将最大化 QRLS。

图8. 传感、BMS 和自我修复之间的协同作用。

尽管有这种组织良好且高效的序列，但目前加速基于模型的电池设计和另一方面基于模型的电池制造的方法仍然需要调整以满足快速增长和不断发展的电池技术领域的需求。因此，现代电池制造工艺的设计应牢记以下目标：

1）在性能、效率和可持续性方面加速新电池设计。应涵盖形成和老化的关键步骤的机械模型，以及它们与 AI 框架内的高级优化算法的耦合，将有助于反向电极和电池设计。这种方法将代表自主电池设计发现和优化的关键一步，因为它将所需特性与特定电池配置、电极成分和材料结构联系起来，作为制造、表征和测试的目标（图 9）。

2）在电池化学、制造成本和可持续性/环境影响方面加速现有和未来制造工艺的优化。通过构建制造过程的计算高效和准确的数字双胞胎（图 10），不仅解决多物理场问题，而且解决数值方法将有助于有效地实现目标。

3）关闭电池设计和电池制造开发之间的循环，其中可以在制造阶段之前考虑电池性能和老化方面。因此，一个覆盖整个电池制造链的整体数字孪生，从材料到电池使用方面，将促进可持续、高效的电池制造方式。

新概念将包括全新的设计，以最大限度地减少废料和一次能源的使用，并生产可持续的产品。在这方面，当前的多物理场建模在电池设计和制造中可能非常重要。然而，需要更多的努力来开发一个与人工智能算法相结合的多尺度物理化学计算平台，用于锂离子电池的整个制造过程链。

图9. 基于单元数字孪生的逆单元设计。

图10. 电池制造过程的数字孪生。

为电池制造过程设计的数字孪生模型的主要目标是通过在实际过程中更早地检测物理问题来更快地解决物理问题，并以更高的准确度预测结果（图 10）。此外，他们实时评估设备性能的能力可以帮助公司以前所未有的速度迭代地获得价值和收益。

这些技术和方法的实施需要在短期、中期和长期内逐步开发。这一过程的核心是开发物理建模工具，作为人工智能工具的数据原料来源。

从长远来看，即 10 年或更长时间，预计该方法将完全成熟，通过集成电池设计和制造设计子循环、与 BIG-MAP 和智能功能的结果接口来关闭循环（传感器和自我修复）形成一个完全自主的系统（使用 AI）（见图 11）。此外，该方法的某些部分可以逐步提供给行业，在完整的包装成为一种新的技术状态的商品之前

图11. 人工智能驱动的设计和制造方法作为一个整体联系在一起。

自电池指令（指令 2006/66/EC）实施以来，欧盟的电池回收行业取得了显着发展，该指令引入了电池废物的生产者延伸责任 (EPR)。该指令强制电池生产商或代表他们行事的第三方为收集、处理和回收废电池的净成本提供资金。EPR概念旨在促进将与商品整个生命周期相关的环境成本整合到产品的市场价格中。此外，根据电池化学成分，欧盟还发布了许多支持和指导文件以及回收效率法规，规定了电池回收过程的最低要求。根据该规定，回收含量应达到：铅酸电池重量的 65%，镍镉电池重量的 75%，所有其他电池重量的 50%。电池指令的修订版预计将于 2021 年发布，更新类别和回收效率。

目前，火法冶金是应用最多的方法。在根据电池化学成分进行潜在的拆卸和分类后，电池或电池部件直接进入回收过程或通过物理方式（例如，切碎或研磨）进一步破碎。在回收方案方面，根据所选择的电池化学和工艺，可能需要涉及物理、机械和/或化学转化的几个步骤。尽管每个回收商可能会使用不同的单独步骤的变化或组合，但目前的回收过程（或方案）分类如图 12 所示。

图12. 电池回收过程和计划。

就未来的发展而言，与现有技术相比，有必要开发一种突破性的新回收工艺。当前的回收流程，通过包含多个处理步骤的热解和水解工艺，总结如图 13 所示。考虑到电池设计和化学成分的种类越来越多，以及技术准备就绪，电池回收的多边方法包括热解和水力工艺以及直接回收方法将在未来十年占据主导地位。  然而，鉴于可持续性，对直接回收方法的更多关注是不可避免的，这种方法不仅可以回收最有价值的成分，而且可以回收所有成分。此外，水力工艺，尤其是高温工艺对钴和镍等金属市场价值的依赖将导致更高的经济波动性和更低的规划可靠性。

图13. 目前的回收过程。

基于回收设计材料的新型集成方法（如在 BIG-MAP、Battery 2030+ 中开发的）和传感器技术，应基于以下条件开发新模型（图 14）：

• 数据收集和分析（例如，来自标签、BMS 和传感器）

• 现代小碳足迹物流概念，包括分散处理

• 自动包装拆卸到电池级

• 尽可能调查重用和再利用

• 自动电池拆卸，以最大限度地增加单个组件的数量

• 开发用于电池级活性材料的粉末回收和粉末修复的选择性技术，可在汽车/固定应用的电池中重复使用

• 促进和发展国际合作

图14. 未来回收流程：直接回收与再利用完全结合。

新的回收流程将成为一系列 R&I 行动的基础，主要目的是长期实施直接回收（见图 15）。

在短期内，开始整合可持续性和拆解设计，开发数据收集和分析系统，端到端可追溯性，开发电池组/模块分拣和再利用/再利用技术，并开始开发电池单元的自动拆解。开发用于快速电池表征的新测试。

中期来看，开发将电池自动拆卸成单个组件，以及粉末和组件的分拣和回收技术，并将其修复为新的活性电池级材料。测试回收的材料。开发用于二次应用中材料重复使用的预测和建模工具。相对于现有工艺，显着提高关键原材料的回收率（例如石墨回收）以及能源和资源消耗。

在长期来看，开发和验证完整的直接回收系统；该系统应该是经济的、可行的、安全的、环保的，并且比当前的工艺具有更小的碳足迹。

图15. BATTERY 2030+ 内可回收性的十年路线图。

【结论与总结】

欧洲目前正在创建一个强大的电池研究和创新生态系统社区，其中 BATTERY 2030+ 可以为未来电池技术的长期研究提供路线图。LIB 仍然主导着高能量密度可充电电池的市场。然而，尽管新一代 LIB 即将问世，但当前一代 LIB 正在接近其性能极限。向零碳排放社会的过渡要求开发在能量和功率密度方面具有更高性能的电池。未来的电池必须具有更好的生态足迹。它们将具有出色的使用寿命和可靠性以及增强的安全性和环境可持续性。这很可能要求电池接近其理论极限。

通过这个路线图，我们的目标是为发展一个充满活力的欧洲生态系统做出贡献，该生态系统促进从基础 TRL 开始的长期转型研究，逐渐形成新概念和技术的基础，这些概念和技术随后可以转化为产品。为了开发所需的突破性技术，我们坚信欧洲电池界的多学科和跨部门研究工作。BATTERY 2030+ 开发了一种化学中性方法，以促进未来电池的发明。我们创建了一个通用工具箱，改变了我们开发、设计和制造电池的方式，后来扩展到特定电池化学和技术的开发。为了追求这种方法，我们努力开发各种电池技术的能力，并在我们的理解中建立协同效应。为了加快进展，我们确定了三个需要解决的跨领域主题。第一个主题涉及通过从根本上提高对电池材料功能界面的理解来加速电池材料的发现。在材料研究领域，我们认为欧洲可以通过开发材料加速平台（MAP）发挥主导作用，特别关注设计和改进关键电池组件。第二个主题涉及将智能功能集成到电池中，以提高安全性、可靠性和循环寿命。在这里，自我修复机制的发展对延长电池寿命具有重要意义。最后，我们认为塑造新技术的蓝天研究必须考虑电池的可制造性，以及面对气候中和社会的挑战，电池的可回收性。总之，在十年的时间框架内，我们将根据上述路线图中制定的考虑，开发一个包含特定 R&I 行动的循环模型。

Amici, J., Asinari, P., Ayerbe, E., Barboux, P., et al., A Roadmap for Transforming Research to Invent the Batteries of the Future Designed within the European Large Scale Research Initiative BATTERY 2030+. Adv. Energy Mater. 2022.

https://doi.org/10.1002/aenm.202102785