鉅大LARGE | 點擊量：308次 | 2023年10月16日
歐洲未來電池研究的技術線路圖
可充電電池是一項關鍵技術，可為大量電子儀器、設備和交通工具供應能量存儲。電池可以加速向可持續(xù)和智能移動的轉(zhuǎn)變，幫助供應清潔、安全的能源，并向碳中和社會過渡。歐盟委員會的目標是2030年將溫室氣體凈排放量減少至少55%，其中要求電池具有超越當前技術指標的超高性能：能量和功率密度必須接近理論極限，必須實現(xiàn)出色的使用壽命和可靠性以及增強的安全性和環(huán)境可持續(xù)性。此外，為了在商業(yè)上取得成功，新的電池技術必須具有可擴展性、可持續(xù)性，并能夠?qū)崿F(xiàn)具有成本效益的大規(guī)模生產(chǎn)。這些要求對電池研究界構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)，而BATTERY2030+是歐洲的大規(guī)模和長期研究計劃，為歐盟委員會提出的戰(zhàn)略能源技術計劃（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)過程中所面對的各項挑戰(zhàn)，克服重重阻力達成宏大的既定的電池性能目標。
本文總結(jié)了BATTERY2030+聯(lián)盟制定的路線圖。該路線圖圍繞六個主題：1)加速材料發(fā)現(xiàn)平臺，2)電池接口基因組，集成智能功能，3)傳感和4)自愈過程。除了化學相關方面還包括有關5)可制造性和6)可回收性的交叉研究。該路線圖應被視為對全球電池路線圖的有利補充，該路線圖專注于預期的超高電池性能，特別是有關未來的交通運輸而言。電池用于許多應用，被認為是實現(xiàn)氣候目標所必需的一種技術。目前市場以鋰電池為主，性能良好，但盡管新一代電池在不久的將來會出現(xiàn)，但它們很快就會接近性能極限。假如沒有重大突破，電池性能和生產(chǎn)要求將不足以實現(xiàn)氣候中和社會的建設。通過"化學中性"方法，將創(chuàng)建一個通用工具箱，改變電池的開發(fā)、設計和制造方式。
【詳細內(nèi)容】
自成立以來，BATTERY2030+計劃已成為歐洲電池"生態(tài)系統(tǒng)"的重要組成部分，以雄心勃勃的短時間、中期和長期目標應對上述"碳中和"挑戰(zhàn)。這些目標符合多個協(xié)會和國家公布的路線圖，例如歐洲儲能協(xié)會(EASE)、能源材料工業(yè)研究計劃(EMIRI)、歐洲汽車研發(fā)委員會(EUCAR)、聯(lián)合研究中心、歐洲委員會(JRC)、我國、芬蘭、印度、日本和美國。其中一些路線圖的性能目標如圖1所示。
圖1.用于汽車應用的不同電池的重量性能比較。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
BATTERY2030+采用化學中性方法來促進未來電池的發(fā)明（圖2）。它的目標不是開發(fā)特定的電池化學成分，而是創(chuàng)建一個通用工具箱來改變我們開發(fā)和設計電池的方式。由于采用化學中性方法，BATTERY2030+不僅對當前的鋰電池化學成分出現(xiàn)影響，而且對所有其他類型的電池也有影響。BATTERY2030+將聯(lián)手關注三個總體主題，涵蓋六個研究領域，以應對發(fā)明未來可持續(xù)電池的關鍵挑戰(zhàn)。
1.BATTERY2030+：化學中和方法
圖2.BATTERY2030+計劃重點聚焦在三個重要主題和六個密切相關的研究領域，所有這些都為加速電池發(fā)現(xiàn)和開發(fā)供應了新工具。
2.Battery2030+:整體方法
通過采用協(xié)調(diào)、多學科和統(tǒng)一的方法，BATTERY2030+將對電池技術生態(tài)系統(tǒng)及其他領域出現(xiàn)重大影響。圖3示意性地展示了電池的不同組件如何影響其整體性能。活性電池材料每重量或每體積可以儲存一定的能量（比能量，100%）。隨著真實電池的不同組件的添加——例如，電極內(nèi)的粘合劑、導電填料和其他添加劑；集流體、隔膜、電解液、包裝、接線、冷卻和電池控制器——單位重量和體積的能量含量下降，因為從存儲容量的角度來看，新增了相當數(shù)量的"無效質(zhì)量"。最后，在使用過程中，比能量會隨著壽命的結(jié)束而降低，這有關不同的應用有不同的含義。
圖3.從材料到完整的電池組時，隨著更多非活性材料的添加，總?cè)萘繒档?。確定的研究領域?qū)⒔鉀Q整個電池價值鏈中的這些損失。
BATTERY2030+計劃采取行動推動電池技術，且電池性能遠遠超出當前的技術水平。通過實現(xiàn)和加速不同路線圖中的目標，這將對整個電池價值鏈出現(xiàn)影響。BATTERY2030+計劃解決了對高效和可持續(xù)電池的巨大需求。通過圍繞三個研究主題開展的活動，BATTERY2030+對表1所示的幾個關鍵績效指標(KPI)出現(xiàn)了影響。
表1.BATTERY2030+研究領域?qū)ET計劃目標的影響，深綠色表示高影響，淺綠色表示中到低影響
3.BATTERY2030+:研究領域
電池研究貫穿電池開發(fā)的整個價值鏈。它可以面向電池單元，基于化學、物理、材料科學、建模、表征等方面的能力；也可以面向電池單元集成到電池組中的系統(tǒng)，以用于不同的應用。在這里，該領域依賴于電子、電氣工程、系統(tǒng)控制、系統(tǒng)級建模、AI和ML的知識——僅舉幾例。此外，回收研究變得更加重要，并且再次依賴和使用新的高效表征工具相關的化學、冶金、物理學和材料科學。
BATTERY2030+倡導的研究領域依賴于這些跨學科和多學科的方法，并強烈希望整合其他研究領域以實現(xiàn)交叉受精。在本節(jié)中，詳細描述了本路線圖中提出的研究領域。每個部分都描述了該領域的現(xiàn)狀、實現(xiàn)愿景的挑戰(zhàn)和預期進展，以及BATTERY2030+的總體目標。
近年來，出現(xiàn)了幾個例子，其中虛擬（通常是原子級）計算材料設計和操作表征技術在循環(huán)設計循環(huán)中的緊密集成可以加速下一代電池技術的發(fā)現(xiàn)周期（圖4），例如高容量鋰離子正極和二次金屬-空氣電池材料，但要進一步加速以實現(xiàn)BATTERY2030+的雄心勃勃的目標。理想情況下，這種循環(huán)材料開發(fā)過程應該將實驗和理論研究整合到一個緊密耦合的開發(fā)自主平臺中，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)互補技術結(jié)果的近乎即時的交叉受精。
圖4.研究電池接口的代表性實驗方法和理論方法之間的數(shù)據(jù)流示意圖。每種方法的保真度通常和其成本成正比，但只有在給定的方法/數(shù)據(jù)最有價值時才能通過獲取數(shù)據(jù)來優(yōu)化保真度-成本關系。
雖然傳統(tǒng)的基于試錯的順序材料優(yōu)化范式從已知的界面組成和結(jié)構(gòu)開始，隨后依靠人類直覺來指導優(yōu)化以提高性能，但前瞻性是啟用逆向材料/界面設計，其中一個人通過允許所需的性能目標來含義最能滿足這些目標的組成和結(jié)構(gòu)，而無需先驗地含義界面的起始組成或結(jié)構(gòu)，從而有效地反轉(zhuǎn)了這一過程。為了開發(fā)和實行適合電池接口逆向設計的模型，有必要結(jié)合相關的物理理解，以及能夠執(zhí)行從所需特性到材料的原始成分和外部參數(shù)/條件的逆映射的模型。生成式深度學習模型（在MAP中描述）代表了一種優(yōu)化數(shù)據(jù)流并在不同域之間建立所需橋梁的有效方法，有助于解決電池中間相的最大挑戰(zhàn)（圖5）。這種對統(tǒng)計相關性的依賴使描述符成為數(shù)據(jù)驅(qū)動的AI方法的理想工具。
圖5.相間設計的生成模型。基于變分自動編碼器(VAE)的電池界面化學和結(jié)構(gòu)信息的編碼和解碼到潛在空間，通過使用例如遺傳算法或基于強化學習的探索來實現(xiàn)生成電池界面設計。
近幾十年來，已經(jīng)開發(fā)了許多車載電化學阻抗譜(EIS)設備和復雜的BMS，以提高其質(zhì)量、可靠性和壽命(QRL)，但成功有限。盡管監(jiān)測溫度（它以不可預測的動力學驅(qū)動電池界面處的反應）有關提高電池循環(huán)壽命和壽命至關重要，但目前還沒有在電池級別直接測量。大幅提高電池QRL要更好地了解/監(jiān)控循環(huán)期間的物理參數(shù)，以及了解電池內(nèi)發(fā)生的寄生化學過程之外的科學，即基礎科學。為了挑戰(zhàn)現(xiàn)有的限制，一種顛覆性的方法是將智能嵌入式傳感技術和功能注入電池中，能夠執(zhí)行空間和時間分辨監(jiān)測（圖6），從而使電池不再只是一個黑盒子。
圖6.除了經(jīng)典的正極和負極外，未來的電池還帶有連接到傳感器（光纖、電線等）的輸出分析儀。
多年來，許多基礎研究使用復雜的診斷工具檢查了不同的電池化學成分。雖然相當壯觀，但這些分析技術依賴于特定的設備和細胞，不能轉(zhuǎn)移到分析商業(yè)細胞。相比之下，最近在18650個電池中對鋰分布密度和結(jié)構(gòu)效應進行了成像，但所使用的成像技術重要依賴于訪問受限的大型設施。對實時監(jiān)控電池功能狀態(tài)的范式轉(zhuǎn)變的需求仍未得到滿足。
確定電池的充電狀態(tài)(SoC)是一個幾乎和電池存在相同古老的問題，因此多年來開發(fā)了各種巧妙的監(jiān)測方法（圖7）。幾十年來，這項傳感研究重要致力于鉛酸技術，通過實行EIS來評估鉛酸電池循環(huán)時電池電阻的演變，從而能夠估計它們的健康狀態(tài)。因此，便攜式EIS設備已經(jīng)商業(yè)化并用于運輸和電信領域，以識別模塊內(nèi)的故障電池。這種設備仍然存在，但可靠性較差（<70%）。總體而言，SoC監(jiān)控仍然極具挑戰(zhàn)性，目前還沒有準確的解決方法。今天對SoC的估計依賴于直接測量的組合，例如EIS、電阻、電流脈沖測量、庫侖計數(shù)和基于開路電壓的估計。
圖7.電池模塊和系統(tǒng)的可用傳感技術一覽。
可充電電池的質(zhì)量、可靠性、壽命和安全性(QRLS)和電池中存在的電化學和化學老化過程有關。檢測不可逆變化是改進QRLS的第一步，細胞應該能夠自動感知損壞并恢復原始配置及其全部功能。因此，自我修復程序必須和傳感程序一起開發(fā)，因為它們密切相關。細胞中內(nèi)置的自我修復功能可以是自主的（內(nèi)在的）或非自主的（外在的），這兩種模式都作為治療用途，可以顯著促進細胞的QRLS。自愈功能是對設計界面和優(yōu)化材料的補充，被視為預防功能。
自發(fā)修復損傷的能力是自然界中重要的生存特點，不同的自愈功能具有不同的動力學，這取決于材料或能量到損傷部位的運輸。這是否可以轉(zhuǎn)化為電池，我們是否可以設計一種多功能自愈而不影響電池在能量和功率密度方面的性能，這是否可以改善電池的QRLS？答案應該在明年供應。此外，外部自愈功能應和傳感器一起開發(fā)，并和先進的BMS一起集成到電池/電池組中，其中來自傳感器的信號由BMS分析，一旦要，BMS將向執(zhí)行器發(fā)送信號，觸發(fā)刺激自我修復過程（圖8）。這種改變游戲規(guī)則的方法將最大化QRLS。
圖8.傳感、BMS和自我修復之間的協(xié)同用途。
盡管有這種組織良好且高效的序列，但目前加速基于模型的電池設計和另一方面基于模型的電池制造的方法仍然要調(diào)整以滿足快速上升和不斷發(fā)展的電池技術領域的需求。因此，現(xiàn)代電池制造工藝的設計應牢記以下目標：
1）在性能、效率和可持續(xù)性方面加速新電池設計。應涵蓋形成和老化的關鍵步驟的機械模型，以及它們和AI框架內(nèi)的高級優(yōu)化算法的耦合，將有助于反向電極和電池設計。這種方法將代表自主電池設計發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化的關鍵一步，因為它將所需特性和特定電池配置、電極成分和材料結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，作為制造、表征和測試的目標（圖9）。
2）在電池化學、制造成本和可持續(xù)性/環(huán)境影響方面加速現(xiàn)有和未來制造工藝的優(yōu)化。通過構(gòu)建制造過程的計算高效和準確的數(shù)字雙胞胎（圖10），不僅解決多物理場問題，而且解決數(shù)值方法將有助于有效地實現(xiàn)目標。
3）關閉電池設計和電池制造開發(fā)之間的循環(huán)，其中可以在制造階段之前考慮電池性能和老化方面。因此，一個覆蓋整個電池制造鏈的整體數(shù)字孿生，從材料到電池使用方面，將促進可持續(xù)、高效的電池制造方式。
新概念將包括全新的設計，以最大限度地減少廢料和一次能源的使用，并生產(chǎn)可持續(xù)的產(chǎn)品。在這方面，當前的多物理場建模在電池設計和制造中可能非常重要。然而，要更多的努力來開發(fā)一個和人工智能算法相結(jié)合的多尺度物理化學計算平臺，用于鋰電池的整個制造過程鏈。
圖9.基于單元數(shù)字孿生的逆單元設計。
圖10.電池制造過程的數(shù)字孿生。
為電池制造過程設計的數(shù)字孿生模型的重要目標是通過在實際過程中更早地檢測物理問題來更快地解決物理問題，并以更高的準確度預測結(jié)果（圖10）。此外，他們實時評估設備性能的能力可以幫助公司以前所未有的速度迭代地獲得價值和收益。
這些技術和方法的實行要在短時間、中期和長期內(nèi)逐步開發(fā)。這一過程的核心是開發(fā)物理建模工具，作為人工智能工具的數(shù)據(jù)原料來源。
從長遠來看，即10年或更長時間，預計該方法將完全成熟，通過集成電池設計和制造設計子循環(huán)、和BIG-MAP和智能功能的結(jié)果接口來關閉循環(huán)（傳感器和自我修復）形成一個完全自主的系統(tǒng)（使用AI）（見圖11）。此外，該方法的某些部分可以逐步供應給行業(yè)，在完整的包裝成為一種新的技術狀態(tài)的商品之前
圖11.人工智能驅(qū)動的設計和制造方法作為一個整體聯(lián)系在一起。
自電池指令（指令2006/66/EC）實行以來，歐盟的電池回收行業(yè)取得了顯著發(fā)展，該指令引入了電池廢物的生產(chǎn)者延伸責任(EPR)。該指令強制電池生產(chǎn)商或代表他們行事的第三方為收集、處理和回收廢電池的凈成本供應資金。EPR概念旨在促進將和商品整個生命周期相關的環(huán)境成本整合到產(chǎn)品的市場價格中。此外，根據(jù)電池化學成分，歐盟還公布了許多支持和指導文件以及回收效率法規(guī)，規(guī)定了電池回收過程的最低要求。根據(jù)該規(guī)定，回收含量應達到：鉛酸電池重量的65%，鎳鎘電池重量的75%，所有其他電池重量的50%。電池指令的修訂版預計將于2021年公布，更新類別和回收效率。
目前，火法冶金是應用最多的方法。在根據(jù)電池化學成分進行潛在的拆卸和分類后，電池或電池部件直接進入回收過程或通過物理方式（例如，切碎或研磨）進一步破碎。在回收方法方面，根據(jù)所選擇的電池化學和工藝，可能要涉及物理、機械和/或化學轉(zhuǎn)化的幾個步驟。盡管每個回收商可能會使用不同的單獨步驟的變化或組合，但目前的回收過程（或方法）分類如圖12所示。
圖12.電池回收過程和計劃。
就未來的發(fā)展而言，和現(xiàn)有技術相比，有必要開發(fā)一種突破性的新回收工藝。當前的回收流程，通過包含多個處理步驟的熱解和水解工藝，總結(jié)如圖13所示?？紤]到電池設計和化學成分的種類越來越多，以及技術準備就緒，電池回收的多邊方法包括熱解和水力工藝以及直接回收方法將在未來十年占據(jù)主導地位。然而，鑒于可持續(xù)性，對直接回收方法的更多關注是不可防止的，這種方法不僅可以回收最有價值的成分，而且可以回收所有成分。此外，水力工藝，尤其是高溫工藝對鈷和鎳等金屬市場價值的依賴將導致更高的經(jīng)濟波動性和更低的規(guī)劃可靠性。
圖13.目前的回收過程。
基于回收設計材料的新型集成方法（如在BIG-MAP、Battery2030+中開發(fā)的）和傳感器技術，應基于以下條件開發(fā)新模型（圖14）：
數(shù)據(jù)收集和分析（例如，來自標簽、BMS和傳感器）
現(xiàn)代小碳足跡物流概念，包括分散處理
自動包裝拆卸到電池級
盡可能調(diào)查重用和再利用
自動電池拆卸，以最大限度地新增單個組件的數(shù)量
開發(fā)用于電池級活性材料的粉末回收和粉末修復的選擇性技術，可在汽車/固定應用的電池中重復使用
促進和發(fā)展國際合作
圖14.未來回收流程：直接回收和再利用完全結(jié)合。
新的回收流程將成為一系列R&I行動的基礎，重要目的是長期實行直接回收（見圖15）。
在短時間內(nèi)，開始整合可持續(xù)性和拆解設計，開發(fā)數(shù)據(jù)收集和分析系統(tǒng)，端到端可追溯性，開發(fā)電池組/模塊分揀和再利用/再利用技術，并開始開發(fā)電池單元的自動拆解。開發(fā)用于快速電池表征的新測試。
中期來看，開發(fā)將電池自動拆卸成單個組件，以及粉末和組件的分揀和回收技術，并將其修復為新的活性電池級材料。測試回收的材料。開發(fā)用于二次應用中材料重復使用的預測和建模工具。相有關現(xiàn)有工藝，顯著提高關鍵原材料的回收率（例如石墨回收）以及能源和資源消耗。
在長期來看，開發(fā)和驗證完整的直接回收系統(tǒng)；該系統(tǒng)應該是經(jīng)濟的、可行的、安全的、環(huán)保的，并且比當前的工藝具有更小的碳足跡。
圖15.BATTERY2030+內(nèi)可回收性的十年路線圖。
【結(jié)論和總結(jié)】
歐洲目前正在創(chuàng)建一個強大的電池研究和創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)社區(qū)，其中BATTERY2030+可以為未來電池技術的長期研究供應路線圖。LIB仍然主導著高能量密度可充電電池的市場。然而，盡管新一代LIB即將問世，但當前一代LIB正在接近其性能極限。向零碳排放社會的過渡要求開發(fā)在能量和功率密度方面具有更高性能的電池。未來的電池必須具有更好的生態(tài)足跡。它們將具有出色的使用壽命和可靠性以及增強的安全性和環(huán)境可持續(xù)性。這很可能要求電池接近其理論極限。
通過這個路線圖，我們的目標是為發(fā)展一個充滿活力的歐洲生態(tài)系統(tǒng)做出貢獻，該生態(tài)系統(tǒng)促進從基礎TRL開始的長期轉(zhuǎn)型研究，逐漸形成新概念和技術的基礎，這些概念和技術隨后可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。為了開發(fā)所需的突破性技術，我們堅信歐洲電池界的多學科和跨部門研究工作。BATTERY2030+開發(fā)了一種化學中性方法，以促進未來電池的發(fā)明。我們創(chuàng)建了一個通用工具箱，改變了我們開發(fā)、設計和制造電池的方式，后來擴展到特定電池化學和技術的開發(fā)。為了追求這種方法，我們努力開發(fā)各種電池技術的能力，并在我們的理解中建立協(xié)同效應。為了加快進展，我們確定了三個要解決的跨領域主題。第一個主題涉及通過從根本上提高對電池材料功能界面的理解來加速電池材料的發(fā)現(xiàn)。在材料研究領域，我們認為歐洲可以通過開發(fā)材料加速平臺（MAP）發(fā)揮主導用途，特別關注設計和改進關鍵電池組件。第二個主題涉及將智能功能集成到電池中，以提高安全性、可靠性和循環(huán)壽命。在這里，自我修復機制的發(fā)展對延長電池壽命具有重要意義。最后，我們認為塑造新技術的藍天研究必須考慮電池的可制造性，以及面對氣候中和社會的挑戰(zhàn)，電池的可回收性?？傊谑甑臅r間框架內(nèi)，我們將根據(jù)上述路線圖中制定的考慮，開發(fā)一個包含特定R&I行動的循環(huán)模型。
