欧盟启动“电池2030+”计划

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第一部分:电池2030+(电池2030+)& rdquo；背景 “电池2030+(BATTERY2030+)”是一项大规模的欧洲长期研究计划。这是欧盟委员会战略能源技术计划的想法之一。它旨在共同解决欧洲未来电池研发过程中面临的挑战，克服各种障碍，实现一系列宏伟的电池性能目标。研究的内容是。化学中性方法。作为指导，基于现有或未来的许多不同类型的电池化学品，通过缩小它们之间的差距以充分发挥它们的全部潜力，可以实现电池的实际容量和理论极限。这一概念的基础是为欧洲电池企业乃至全球电池企业的价值链提供新的发展和支持，如从原材料到先进材料的开发、电池和电池组的设计和制造、电池使用寿命结束后的回收以及电池的实际应用场景。此外，电池2030+的长期发展路线图完全弥补了欧洲电池的中期研究和创新工作& ndash欧洲技术和创新平台(ETIP)。 因此，欧盟希望用“电池2030+”来推动欧洲10年的大规模努力，推动电池领域的革命性发展。不断提出新的研究方法，探索新的创新领域，实现超高性能电池的安全发展，最终实现欧洲社会在2050年前不再使用化石能源(如图1所示)。2019年3月，欧盟启动了“电池2030+”协调和支持行动，以确定计划中的R&D路线图。此次发布的“电池2030+”R&D路线图的第二稿将在讨论和修订后于2020年2月底提交给欧盟委员会。 图1。“电池2030+”的长远愿景和使命 第二部分:电池2030+& rdquo；计划目标 “电池2030+”的总体目标是实现可持续的电池功能，具备超高性能和智能，适合各种应用场景。所谓超高性能是指能量和功率密度接近理论极限，使用寿命和可靠性优异，安全性、环境可持续性和可扩展性增强，实现具有竞争力成本的电池大规模生产。第一个重要挑战是获得最佳电池性能，因此必须加快发现新材料和新化学系统的开发进程。“电池2030+”提出电池接口基因组(BIG)-ndash；材料加速平台(MAP)计划将使用人工智能(AI)来显著缩短电池材料的开发周期。第二个重要挑战是延长单体电池和电池系统的使用寿命和安全性。生命和安全对未来电池的尺寸、成本和接受度有着至关重要的影响。为了实现第二个挑战，电池2030+提出了两个不同且互补的建议:开发可在化学和电化学反应中直接检测的传感器，并在电池中嵌入新的传感器以持续监控其现状；健康& rdquo和& ldquo安全现状。。另一方面，通过使用自愈功能，电池容量和电池性能得到改善。 与目前最先进的电池技术相比，电池2030+旨在提出并影响电池技术的未来发展(如图2所示): 首先，电池的实际性能(能量密度和功率密度)和理论性能之间的差距至少缩小了1/2。 其次，电池的耐用性和可靠性将提高至少3倍。 第三，对于给定的功率组合，电池的生命周期碳足迹至少减少了1/5。 第四，电池的回收率至少为75%，关键原料的回收率接近100%。 图2。未来电化学存储系统用电池2030+的最新技术展望 第三部分:电池2030+& rdquo；主要研究和发展方向 3.1材料加速平台 从能源技术的生产、储存和最终交付，材料的发现和开发一直贯穿于整个过程。特别是对于新的电池技术，先进的材料是几乎所有清洁能源创新的基础。如果我们依赖于现有的传统重复性测试开发过程，我们需要花费大量的时间、人力和物力来开发新的高性能电池材料并将其用于电池设计，这一过程可能需要长达10年的时间从其最初发现到完全商业化。因此，在“电池2030+”项目中，为了加速超高性能和可持续发展的智能电池的发展，计划在欧洲建立电池&ldquo。材料加速平台。并与电池接口基因组集成。同时，BIG-MAP基础设施是模块化的，整个系统具有很高的通用性，能够容纳所有新兴的电池化学系统、材料成分、结构和接口。另一方面，MAP将使用人工智能(AI)来整合和整理来自许多互补方法和技术的数据，整合计算材料的设计，模块化和自主地整合机器人技术和高级表征，并实现全新的电池开发策略。促进材料、工艺和设备的逆向设计和定制。最后，在MAP框架下由每个核心元素构建概念电池，开发突破性的电池材料，大大提高了电池开发速度和电池性能。 图3。电池材料加速平台的核心组件 地中海行动计划侧重于研究和开发技术 A.高通量技术:开发自主材料合成机器人，以构建电池材料本身的自动化高通量表征以及使用过程中的原位表征。实现了电极活性材料及其组合方式的快速筛选和电解质配方的系统表征。基于高通量数据建模和数据生成的结合，在物理参数的指导下，对电池及其活性材料进行了分析和表征。 B.建立基于分布式访问模型的跨区域通用数据基础设施，实现多维互联和集成工作流:确保跨区域实验数据集成和建模能够在材料的闭环研发过程中实时进行。通过数据共享，可以大规模地总结和分析信息。由机器学习和物理理论指导的数据驱动模型识别材料开发过程中的重要参数和特征，开发有效和稳定的方法来耦合和连接不同维度的模型，并加速材料开发过程。 C.开发基于电池系统的人工智能(AI)并建立统一的数据框架:开发基于AI技术的集成物理参数和数据驱动的混合模型。例如，一些人工智能软件包，如ChemOS和phoenix，目前正用于自动驾驶实验室的原型开发阶段。欧洲材料建模委员会(EMMC)和欧洲材料与建模本体(EMMO)支持的访问协议用于将学术界与工业、材料建模和实际应用工程联系起来，以实现整个电池价值链中数据的标准化传输和共享。 D.电池材料和界面的逆向设计工程:通过所需的目标性能来定义电池材料和/或界面的组成和结构，从而打破传统的开发流程，促进材料的高效和高速开发。 (2)R&D地图计划 短期计划:为电池材料和电池本身开发共享和可互操作的数据基础设施接口，涵盖电池发现和开发周期的所有领域的数据；用于识别在不同时间尺度上交付的相关特征/参数的自动化工作流程；构建了基于不确定性的电池材料数据驱动模型和物理模型。 中期计划:在材料加速平台(MAP)中构建一个电池基因组(BIG-MAP)，它可以集成计算建模、机器人技术的自主合成和材料表征；展示电池材料的逆向设计过程；来自嵌入式传感器的数据直接集成在发现和预测过程中，例如主动自我修复。 长期计划:在电池基因组平台上建立完整的独立开发流程；集成电池单元组装和设备水平测试；在材料发现过程中包括可制造性和可回收性；显示材料的开发周期加快了5倍；实施并验证电池超高吞吐量测试的数字技术。 3.2电池接口基因组 电池不仅包括电极和电解质之间的界面，还包括大量其他重要的界面，例如集电器和电极之间或活性材料和添加剂如导电碳和/或粘合剂之间的界面。因此，当开发新的电池化学系统或在现有电池技术中引入新的化学物质时，界面是有效利用电池电极材料的关键。MAP是为了提供基础设施来加速材料的发现，BIG是在Battery 2030+中提出的。BIG将为材料开发过程提供必要的理解和模型，以预测和控制影响电池性能的关键界面的动态变化(如图4所示)。BIG将高度适应不同的化学物质，从材料到设计，用大量的数据构建模型，并形成一种全新的材料开发方法来超越当前的锂离子电池技术。 图4。电池接口基因组的操作过程 (a)大企业侧重于研究和开发技术 A.开发具有更高空范围、时间分辨率和计算速度的新计算方法和实验技术:获得对超高性能电池系统结构和材料组合的新理解。最先进的实验和技术方法通过基于物理的数据驱动混合模型和模拟技术来描述。 B.开发一种高还原性的电池界面表征技术:通过对电池界面及其动态特性的准确表征，建立一个大型的电池界面特性共享数据库，利用大数据对表征技术进行优化和调整，从而不断修正测试偏差，真实还原界面工作过程，提高保真度。 C.建立电池及其材料的标准化测试协议:发布详细的材料特性检查清单，并通过逐一比较电池性能和材料化学特性，获得有关电池接口的关键信息。 D.构建更精确的材料结构和电池性能模型:耦合电子、原子和介观材料尺度模型，形成连续相模型，真实反映电池正常工作时的界面状态、老化和衰减机理。 (2)大R&D计划 短期计划:在一定范围内建立表征/测试协议和数据的电池接口标准；开发能够使用人工智能和模拟技术进行动态特征分析和数据测试的自主模块；开发可互操作的高通量和高保真接口表征方法。 中期计划:开发一个预测混合模型，用于在时间和空标度上推导电池接口；演示模型单元间的逆向合成设计:电池接口基因组计算建模、自主合成机器人技术和材料集成表征可在MAP平台(BIG-MAP)上实现。 长期规划:在大地图平台上建立完整的独立开发流程；实践证明，接口性能提高了5倍。这表明细胞界面基因组对新细胞化学的可移植性。 3.3智能功能的集成& ndash传感) 随着目前对电池应用的依赖性越来越大，需要精确地监控电池的状态以提高其质量、可靠性和使用寿命。在过去的几十年里，尽管许多电化学阻抗装置和先进的电池管理系统已经发展起来，但它们的结果是有限的。不管电池技术的发展如何，性能仍然取决于电池内部界面的性质、温度驱动的反应和不可预测的动态。虽然温度监测对延长循环寿命和电池寿命非常重要，但在目前的电动汽车应用中，也不可能直接测量单个电池的温度。为了更好地理解/监控电池运行过程中物理参数对电化学反应过程的影响，黑盒问题得到了有效解决。“电池2030+”建议在电池中嵌入一个智能传感器，可以实现电池在空和时间之间的区别监控(如图5所示)。通过这种方式，可以集成和开发各种传感技术来传输信息(例如温度、压力、应变、电解质成分、电极膨胀、热流变化等)。)实时存储在电池中。最重要的是，基于大量的现场实时监测数据，可以与BIG-MAP协同构建电池工作状态函数和模型，开发智能响应电池管理系统。分级管理将在单元级和整个系统级进行。 图5。具有原位传感和输出分析装置的未来电池 (一)智能传感器重点研发技术 集成和开发适用于电池的各种传感器，并在电池中嵌入智能功能:光、电、热、声和电化学传感器用于设计/开发固体电解质(SEI)中间相动态监测功能。例如，电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻、热电偶和其他温度传感器用于监控电池内外的局部和整体温度变化。电化学传感器主要用于监测电池界面的SEI生长、氧化还原穿梭物质和重金属的溶解。压力传感器可以检测电极应变和压力变化，从而反映电池的SoC和SoH状态。光学传感器可以通过光学信号同时感测电池的局部温度、压力和应变。光子晶体光纤传感器可以同时采集和解耦多个传感信号，这是未来发展新型多参数监测传感器的趋势。 b .开发具有创新化学涂层的传感器:采用具有特殊涂层的传感器，以减缓电解质和电化学反应副产物对传感器的腐蚀，提高器件稳定性、电导率灵敏度和使用寿命。传感器的尺寸减小到几微米以匹配电池隔离膜的厚度，并且采用无线传感技术来避免复杂的连接和布线问题。 (2)智能传感器研发计划 短期计划:在细胞水平，依靠各种传感技术和简单的非侵入性多传感方法的综合开发，为评估细胞内部界面动力学、电解质降解、树突生长、金属溶解和材料结构变化之间的相关性提供可行性。在电池运行期间，监控关键参数的正常或异常行为，定义从传感器到电池管理系统的传递函数，并通过运行> 10%的实时检测来提高温度窗口。 中期计划:(电)化学稳定性传感技术的小型化和集成，在电池级别和实际电池模块中具有多功能，以经济有效的方式与工业制造过程兼容；利用传感数据实现先进的楼宇管理系统，构造了一种新的自适应预测控制算法。大地图中的综合诱导和自我修复；多价电极系统过电压降低> 20%；锂离子电池的有效电压窗口提高10%以上. 长期规划:依靠先进的楼宇管理系统控制传感器的通信，新的人工智能协议通过无线方式实现完全可操作的智能电池组。在未来的电池设计中，传感/监测与刺激引起的局部自愈机制相结合，从而通过集成传感-BMS-自愈系统获得智能电池。 3.4自我修复的概念(智能功能的集成& ndash自我修复) 电池技术的可持续发展和我们对电池推广应用的日益依赖，要求确保高可靠性和安全性。检测或感知不可逆变化是获得更高可靠性的第一步。然而，为了真正确保可靠性，电池应该能够自动感知损坏并恢复原始配置及其整体功能。我们能尝试模仿自然愈合机制(如伤口愈合)来制造智能长寿电池吗？“电池2030+”吸取了医疗领域的教训。再生项目。为了修复电极的内部缺陷，建议开发具有相应自愈功能的材料并注入电池。另一方面，建议紧密连接状态感测和自愈功能(如图6所示)。传感器检测到的信号将被发送到电池管理系统进行分析。如果出现问题，BMS将向致动器发送信号，以触发自愈过程的刺激。这种自我感知和触发自我修复的结合过程将赋予电池更高的安全性和消费者更高的使用可靠性。 图6。电池运行-感应-自修复的协同耦合过程 (a)自我修复概念侧重于研发技术 A.开发自修复电池材料和电极界面:用于修复电极导电网络的碳纳米管涂层自修复微胶囊。本发明的具有自愈性的人工SEI结构活性材料用于修复电极材料充放电过程中界面结构的损伤。 B.开发电池组件和界面的自修复聚合物策略:超分子聚合物在自修复多相固体聚合物电解质中的应用。使用无毒的生物基材料(如多糖材料和蛋白质材料)设计薄而多孔的可控膜，开发功能性生物基电解质隔离膜，特别设计它们具有自愈特性，并通过控制电解质分解来改善电池老化。 C.构建复合电极:设计具有聚合物或矿物壳的微胶囊，以包含能够通过外部刺激反应释放的愈合剂，或者当刺激破裂时释放锂盐、钠盐等。通过使用特定聚合物结构(例如PAA-聚轮烷滑轮聚合物)的设计来控制电极膨胀结构并优化电池循环效率。 (2)自愈概念研发计划 短期计划:在各个交叉领域开发自愈电池。该膜是功能化的，并且通过氢键的相同作用实现可逆交联的超分子结构被开发来愈合电极隔离膜的膜破裂，并且与电池的目标化学性质相容。 中期计划:设计一种智能隔离膜，其微胶囊能够包含具有多种功能的有机-无机愈合剂，能够通过磁、热或化学作用触发自动愈合，并确定与刺激驱动的自愈合操作相关的响应时间，以愈合与电极断裂或SEI中间相老化相关的故障。 长期规划:设计和制造功能和孔隙率可控的低成本生物基电解质膜。在电池感应和电池管理系统之间建立有效的反馈回路，通过外部刺激适当地触发植入电池的自愈功能。 3.5未来电池规模制造(未来电池技术的可制造性) 新一代突破性电池材料将开创新的电池技术机遇。然而，从广义上讲，这些新的电池技术至少需要面对两个主要的验证阶段。首先，在原型层面证明其性能潜力；第二，评估扩大大规模生产和进入工业化进程的可行性。“电池2030+路线图”为未来电池制造提出解决方案:工业4.0和数字前景。利用建模和人工智能实现制造过程的动态软件模拟，突破制造单元的空结构，避免或基本上减少经典的尝试和错误方法。通过全数字化制造，了解和优化工艺参数及其对最终产品的影响。 图7。电池制造的数字化过程 (1)未来大规模电池制造的关键技术 A.设计过程的数字化:引入新的功能，例如自修复材料/接口、各种智能传感器或其他致动器、生态电池设计和替代电池设计，开发和验证电池制造过程中的多个物理量和多尺度模型，以更准确地理解制造过程的每个步骤。 b .制造过程的数字化:开发灵活的制造过程和高精度建模工具，以优化过程、条件和机器参数，并开发用于处理电极浆料、电极片生产、电池组装、电池组组装和电池性能的实时模型(即电池制造的数字模型)。 (2)未来大规模电池制造研发计划 短期计划:从最先进的信息开始，重点是电池设计方法。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降低计算负担，并将人工智能技术应用于电池设计。 中期计划:继续发展BIG平台、MAP平台、智能传感器技术、自愈技术、回收策略等创新领域，并整合到流程中；在电池级设计取得进展后，基于人工智能的制造方法，即建模>人工智能>；制造(包括制造过程中新技术和数字模型的制造)。该规模还可以扩展到电池制造过程中的技术，并且可以扩展到电池化学部件的开发，例如多价和有机材料的开发，或者其他电池系统，例如液流电池。 长期规划:将整个人工智能驱动方法集成到电池设计中，实现基于大地图的全自主系统。该方法用于促进最新商业化电池技术的学术创新和工业发展。 3.6再循环可回收性 “电池2030+路线图”将促进建立循环经济社会，减少浪费，减少二氧化碳排放，并作为一个长期愿景更明智地使用战略资源。因此，发展高效的电池拆解和回收技术是确保到2030年欧盟电池经济长期可持续发展的重要保证。这需要有针对性地开发新的、创新的、简单的、低成本的和高效的回收工艺，以确保电池在其整个生命周期中的低碳足迹和经济可行性。例如，通过直接方法而不是多步方法来回收活性材料。通过直接修复或重新调整电极，电池可以回到工作状态。在此基础上，电池2030+在材料层面、界面层面和电池层面提出了一些新的回收理念和整体流程:(1)全生命周期的可持续设计(包括生态设计和经济设计)；(2)电池和电池组的拆卸设计；(3)回收设计方法。这一过程需要研究人员、电池制造商和材料供应商的共同参与，以及将回收策略和回收者的相关限制整合到新电池设计中。 图8。未来电池回收过程:直接回收和再利用过程的有机结合 (a)恢复战略重点计划 A.电池组件和单体的可重复使用性:通过收集和分析产品标签、电池管理系统、内部和外部传感器等相关数据，集成传感器和电极自修复功能，以识别损坏/老化的组件，并为重复使用做准备。同时，在设计中应尽可能延长电池的寿命，并考虑重新校准、翻新、二次使用和多次使用的可行性。 B.介绍现代低碳足迹物流的概念:包括分散加工、开发产品可追溯性，特别是整个电池生命周期中关键原材料的可追溯性。以及为有价值的关键材料制定高效、低成本和可持续的一步回收战略，及其& ldquo翻新& rdquo电池可用活性材料。如果它们不能完全逆转，活性物质前体或相关原料通过调整组成来合成。 C.自动化和选择性回收:采用人工智能辅助技术和设备实现自动电池分类和评估，自动拆卸电池组至单个电池级别，自动拆卸电池至最大单个组件级别。同时，借助大数据技术分析，并寻求适用于所有电池和电池组的通用拆卸流程，确保即使是新电池，如锂金属固态电池和锂金属-空气体电池，也能最大限度地回收电池组及其关键组件材料。 (2) R&D循环战略计划 短期计划:实现电池系统的可持续发展和拆卸，开发数据收集和分析系统、电池组/模块分类和再利用/再利用技术，并开始开发电池自动拆卸。并且用于快速电池表征的新测试。 中期计划:开发一种方法，自动将电池分解成单个组件，对粉末及其组件进行分类和回收，并制造它们。翻新& rdquo它是一种先进的新型电池活性材料技术。测试电池中的回收材料。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(如石墨和阴极材料)的回收率，显著提高能源和资源消耗。 长期计划:开发和验证完整的直接恢复系统；该系统在经济上是可行的、安全的和环境友好的，并且具有比当前工艺更低的碳足迹。 第四部分:其他国家路线图发展计划 除了欧洲的既定计划之外，只有少数几个国家有明确的路线图，并正在为此做出长期努力。在这里，我们将简要介绍来自中国、印度、日本和美国的电池路线图，并从更广阔的角度看待2030年以上的电池目标。 4.1中国的发展计划:中国现在是世界上发表电池研究论文最多的国家。但与此同时，产业中也定义了两种平行的研究和创新战略:进化战略和创新战略。进化策略侧重于优化现有车辆和装有新能源电池的能源动力系统，包括改善电池性能(高安全性、快速充电、低功耗等)。)。革命性战略的目标是为车辆动力系统开发下一代电池化学系统。如图9所示，中国2015年至2035年的电池发展目标可以与日本新能源产业综合开发署(NEDO)的瑞星计划目标和美国能源部的电池500计划相比较。 图9。2013-2030年中国国家新能源项目和战略目标 4.2印度的发展计划:印度最近还发布了汽车制造业路线图，其中电池研发和制造被认为具有高度的战略意义。然而，路线图并没有显示实现这一目标需要哪些关键技术，只是清楚地表达了电池的重要性。 4.3日本的发展计划:日本有在一些关键领域制定长期稳定性研究计划的传统，电池就是其中之一。日本新能源产业技术综合开发署(NEDO)的瑞星2号项目是一项长期大规模计划，始于2010年，计划于2022年结束。它定义了两个关键的电池性能目标(如图10所示)。对于纯电动汽车，动力电池系统的能量密度在2020年应达到250瓦时/千克，在2030年应达到500瓦时/千克。对于插电式混合动力汽车，到2020年，动力电池系统的能量密度应该达到200瓦时/千克。这是唯一一个可以与电池2030+设定的目标相比较的国际研发项目。 图10。日本NEDO的2020年和2030年电池性能目标 4.4美国发展计划:美国能源部(DOE)在2016年领导了电池500项目，该项目结合了六所大学、四个国家实验室和IBM的科研能力。其总体目标是开发锂金属电池，其能量密度为500瓦时/千克，而目前电动车电池组的能量密度为170-200瓦时/千克。此外，电池500将致力于开发更小、更轻、更便宜的电动汽车电池。

来源：BBC新闻网