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摘要：德國壓力機(jī)廠家分析相關(guān)報(bào)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(jī)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(shí)時(shí)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(xiàng)大規(guī)模的歐洲長期研究計(jì)劃，為歐盟委員會(huì)提出的戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)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(xiàng)挑戰(zhàn)，克服重重阻力達(dá)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)制造，電池壽命終止后的回收利用和電池實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景等。

除此之外，《電池2030+》的長期發(fā)展路線圖也充分地彌補(bǔ)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(tái)（ETIP）。

因此，歐盟希望借助于《電池2030+》來推動(dòng)歐洲為期10年的大規(guī)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拓新的創(chuàng)新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)安全的超高性能電池開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)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(diào)和支持行動(dòng)，以確定計(jì)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(huì)。

 

圖1. 《電池2030+》的長期愿景及使命

Part II:“電池2030+”計(jì)劃目標(biāo)

據(jù)德國壓力機(jī)廠家了解，《電池2030+》的總體目標(biāo)是實(shí)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(gè)應(yīng)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(qiáng)安全性，環(huán)境可持續(xù)性和可擴(kuò)展性，以實(shí)現(xiàn)具有競(jìng)爭(zhēng)力成本的大規(guī)模化生產(chǎn)電池。

第一個(gè)重要挑戰(zhàn)是達(dá)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(tái)（MAP）計(jì)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(gè)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(duì)未來電池的大小，成本和接受度具有關(guān)鍵性影響。

為了實(shí)現(xiàn)第二個(gè)挑戰(zhàn)，《電池2030+》提出了兩種不同且互補(bǔ)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(cè)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(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(duì)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(dá)到至少75％，并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的原材料回收率接近100％。

 

圖2.《電池2030+》對(duì)未來電化學(xué)存儲(chǔ)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(tái)（Materials Acceleration Platform，MAP）

從能源技術(shù)的生產(chǎn)，存儲(chǔ)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(gè)過程。特別對(duì)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(chǔ)。

若依靠現(xiàn)有的傳統(tǒng)重復(fù)性試驗(yàn)開發(fā)過程，需要耗費(fèi)大量的時(shí)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(jì)，這一過程從最初發(fā)現(xiàn)到完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化可能長達(dá)10年之久。

因此，在《電池2030+》項(xiàng)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(jì)劃在歐洲范圍內(nèi)設(shè)立電池“材料加速平臺(tái)（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(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(bǔ)的方法和技術(shù)中集成和編排數(shù)據(jù)，整合計(jì)算材料設(shè)計(jì)，模塊化和自主性綜合機(jī)器人技術(shù)和先進(jìn)表征，實(shí)現(xiàn)全新的電池開發(fā)策略。促進(jìn)材料，工藝和設(shè)備的逆向設(shè)計(jì)和定制。

最終，在MAP框架下由每個(gè)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(tái)（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)：開發(fā)自主材料合成機(jī)器人，構(gòu)建電池材料自身及使用過程中原位的自動(dòng)化高通量表征。實(shí)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。基于高通量數(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(jìn)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(shí)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(shí)進(jìn)行跨區(qū)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集成和建模。通過數(shù)據(jù)的共享實(shí)現(xiàn)信息的匯總及規(guī)模化分析。

以機(jī)器學(xué)習(xí)和物理理論為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型去識(shí)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(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(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的原型開發(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）支持的訪問協(xié)議，將學(xué)術(shù)界和工業(yè)界、材料建模和實(shí)際應(yīng)用工程聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)電池整體價(jià)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(jì)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(jìn)材料的高效高速開發(fā)。

（二）MAP研發(fā)計(jì)劃

短期計(jì)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(dòng)化的工作流程，用于識(shí)別在不同時(shí)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(dòng)和物理模型。

中期計(jì)劃：在材料加速平臺(tái)（MAP）中實(shí)現(xiàn)電池基因組（BIG-MAP）構(gòu)建，能夠集成計(jì)算建模，自主合成機(jī)器人技術(shù)和材料表征；展示電池材料的逆設(shè)計(jì)過程；在發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)過程中直接集成來自嵌入式傳感器的數(shù)據(jù)，例如主動(dòng)的自我愈合。

長期計(jì)劃：在電池基因組平臺(tái)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(jí)測(cè)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(shí)施并驗(yàn)證用于電池超高通量測(cè)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(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(chǔ)設(shè)施以加快材料的發(fā)現(xiàn)，而《電池2030+》提出BIG將對(duì)材料開發(fā)過程提供必要的理解和模型，以預(yù)測(cè)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(yīng)不同的化學(xué)物質(zhì)，從材料到設(shè)計(jì)，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(yùn)作流程

（一）BIG重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)

a. 開發(fā)更高的空間、時(shí)間分辨率和運(yùn)算速度的新型計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)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(dòng)混合模型和仿真技術(shù)描述最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shù)據(jù)庫，利用大數(shù)據(jù)再對(duì)表征技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，不斷修正測(cè)試偏差，真實(shí)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(cè)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(duì)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(shí)反映電池正常工作時(shí)的界面狀態(tài)、老化和衰減機(jī)制。

（二）BIG研發(fā)計(jì)劃

短期計(jì)劃：建立一定范圍內(nèi)表征/測(cè)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(jìn)行動(dòng)態(tài)特征分析和數(shù)據(jù)測(cè)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(jì)劃：開發(fā)預(yù)測(cè)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(shè)計(jì)；能夠在MAP平臺(tái)（BIG-MAP）中實(shí)現(xiàn)電池界面基因組計(jì)算建模，自主綜合機(jī)器人技術(shù)和材料的集成表征。

長期計(jì)劃：在BIG-MAP平臺(tái)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(duì)電池應(yīng)用的依賴性不斷提高，要求對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)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(jìn)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(dòng)的反應(yīng)以及不可預(yù)測(cè)的動(dòng)力學(xué)。

雖然監(jiān)控溫度對(duì)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(dòng)汽車的應(yīng)用中也無法直接測(cè)量單體電池的溫度。為了更好了解/監(jiān)測(cè)電池工作過程中的物理參數(shù)對(duì)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jí)別和整個(gè)系統(tǒng)級(jí)別上進(jìn)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(diǎn)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(jì)/開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)（SEI）中間相動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能。比如利用電阻溫度檢測(cè)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(cè)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(duì)電池局部溫度，壓力和應(yīng)變通過光學(xué)信號(hào)同時(shí)感應(yīng)，其中光子晶體纖維傳感器可以對(duì)多感應(yīng)信號(hào)同時(shí)采集但又解耦合分析，是未來發(fā)展多參數(shù)監(jiān)測(cè)新型傳感器的趨勢(shì)。

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(duì)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(jì)劃

短期計(jì)劃：在電池單元級(jí)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(píng)估電池內(nèi)界面動(dòng)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(cè)電池運(yùn)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(yùn)行實(shí)時(shí)傳感將溫度窗口提高>10％。

中期計(jì)劃：實(shí)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(shí)際電池模塊中均具有多功能，以經(jīng)濟(jì)有效的方式與工業(yè)制造過程兼容；利用傳感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高級(jí)BMS，構(gòu)建新的自適應(yīng)和預(yù)測(cè)控制算法；BIG-MAP中集成感應(yīng)和自我愈合；多價(jià)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(jì)劃：依靠先進(jìn)的BMS控制傳感器的通信，新的AI協(xié)議通過無線方式實(shí)現(xiàn)完全可操作的智能電池組。在未來的電池設(shè)計(jì)中，將感測(cè)/監(jiān)視與刺激引起的局部自愈合機(jī)制結(jié)合，從而可以通過集成感測(cè)-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(duì)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(cè)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(dòng)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(jī)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(cè)到的信號(hào)將被發(fā)送到電池管理系統(tǒng)并進(jìn)行分析，如果出現(xiàn)問題，BMS將發(fā)出信號(hào)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(fèi)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)將釋放鋰鹽、鈉鹽等。利用特定高分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（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(jì)劃

短期計(jì)劃：在各種交叉領(lǐng)域發(fā)展具有自我愈合功能的電池。對(duì)隔膜進(jìn)行功能化處理，并開發(fā)依靠氫鍵相同作用實(shí)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(shí)與電池的目標(biāo)化學(xué)性質(zhì)兼容。

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

長期計(jì)劃：設(shè)計(jì)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(cè)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)模化制造（Manufacturability 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(jī)會(huì)。但是，從廣義上講，這些新電池技術(shù)至少需要面對(duì)兩個(gè)主要的驗(yàn)證階段。

首先，在原型級(jí)別上證明其性能潛力，其次，擴(kuò)大規(guī)模化生產(chǎn)的可行性和進(jìn)入工業(yè)化過程的評(píng)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(shí)現(xiàn)制造過程動(dòng)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(cuò)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(duì)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)模化制造重點(diǎn)技術(shù)

a. 設(shè)計(jì)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(jì)和替代電池設(shè)計(jì)，在電池制造過程中開發(fā)和驗(yàn)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(gè)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(jī)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(shí)時(shí)模型（即用于電池制造的數(shù)字化模型）。

（二）未來電池規(guī)模化制造研發(fā)計(jì)劃

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

中期計(jì)劃：不斷發(fā)展BIG平臺(tái)，MAP平臺(tái)，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(jí)設(shè)計(jì)取得進(jìn)展之后，將啟動(dòng)并實(shí)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(kuò)大到電池制造過程中的技術(shù)，可擴(kuò)展到電池化學(xué)成分開發(fā)，例如多價(jià)和有機(jī)的材料開發(fā)，或者其他電池體系，如液流電池。

長期計(jì)劃：將整個(gè)AI驅(qū)動(dòng)的方法集成并整合在電池單元設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)基于BIG-MAP的完全自主系統(tǒng)。利用這種方法促進(jìn)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(jìn)建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)，減少浪費(fèi)，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(shí)，電池經(jīng)濟(jì)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(duì)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(jì)可行性。比如對(duì)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(dá)到可工作的狀態(tài)。

基于此，《電池2030+》對(duì)材料層級(jí)，界面層級(jí)和單體電池層級(jí)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(xù)設(shè)計(jì)（包括生態(tài)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)）；（2）電池及電池組拆解設(shè)計(jì)；（3）回收設(shè)計(jì)方法。這個(gè)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(jì)中。

 

圖8. 未來的電池回收過程：直接回收與再利用過程有機(jī)的整合

（一）回收策略重點(diǎn)計(jì)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(shí)別損壞/老化的組件并為重復(fù)利用做準(zhǔn)備。同時(shí)在電池設(shè)計(jì)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(gè)電池生命周期中關(guān)鍵原材料的可追溯性。

以及開發(fā)對(duì)有價(jià)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(dòng)化及選擇性回收：采用AI輔助技術(shù)及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電池自動(dòng)分揀和評(píng)估，自動(dòng)將電池組拆解到單體電池級(jí)別，自動(dòng)拆解電池至最大的單個(gè)組件級(jí)別。

同時(shí)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(jì)劃

短期計(jì)劃：實(shí)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(dòng)化拆解電池。并用于快速電池表征的新測(cè)試。

中期計(jì)劃：開發(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(cè)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(cè)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(duì)能源和資源的消耗。

長期計(jì)劃：開發(fā)和驗(yàn)證完整的直接回收系統(tǒng)；系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上可行，安全且對(duì)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(jì)劃外，目前只有少數(shù)幾個(gè)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(shí)在工業(yè)界也定義了兩個(gè)并行的研究和創(chuàng)新戰(zhàn)略：

進(jìn)化戰(zhàn)略和創(chuàng)新戰(zhàn)略。進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)（NEDO）的RISING計(jì)劃目標(biāo)，以及美國能源部（DOE）的Battery 500計(jì)劃。

 

圖9. 中國2013年至2030年的國家新能源項(xiàng)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(dá)到目標(biāo)需要何種關(guān)鍵性技術(shù)，只是明確表達(dá)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(jì)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(jī)構(gòu)（NEDO）的RISING-2項(xiàng)目就是一項(xiàng)長期的大規(guī)模計(jì)劃，始于2010年，計(jì)劃于2022年結(jié)束。它定義了兩個(gè)關(guān)鍵的電池性能目標(biāo)（如圖10所示），其中對(duì)于純電動(dòng)汽車，在2020年動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度需達(dá)到250Wh/kg，2030年達(dá)到500Wh/kg。

而對(duì)于插電混合動(dòng)力汽車，在2020年動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度需達(dá)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(jì)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(xiàng)目，其聯(lián)合了六所大學(xué)，四個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室和IBM的科研實(shí)力。

德國壓力機(jī)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(dòng)汽車用電池組能量密度170-200Wh/Kg，使電池組能量密度達(dá)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(dòng)汽車電池。

來源：高工鋰電網(wǎng)資訊

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