《電池2030+（BATTERY2030+）》是一項大規(guī)模的歐洲長期研究計劃，為歐盟委員會提出的戰(zhàn)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電池研發(fā)過程中所面臨的各項挑戰(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)揮其全部潛力以實現(xiàn)電池的實際能力和理論極限。理念上基于給歐洲電池企業(yè)乃至全球電池企業(yè)的價值鏈提供新的發(fā)展和支持，比如從原材料到先進材料的發(fā)展，到電池和電池包的設(shè)計制造，電池壽命終止后的回收利用和電池實際應(yīng)用場景等。除此之外，《電池2030+》的長期發(fā)展路線圖也充分地彌補了歐洲電池內(nèi)部的中期研究和創(chuàng)新工作–歐洲技術(shù)和創(chuàng)新平臺（ETIP）。

因此，歐盟希望借助于《電池2030+》來推動歐洲為期10年的大規(guī)模努力以促進電池領(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，實現(xiàn)安全的超高性能電池開發(fā)，最終實現(xiàn)歐洲社會2050年前不再使用化石能源（如圖1所示）。2019年3月，歐盟啟動《電池2030+》協(xié)調(diào)和支持行動，以確定計劃的研發(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。

《電池2030+》的總體目標(biāo)是實現(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應(yīng)用場景。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(xù)性和可擴展性，以實現(xiàn)具有競爭力成本的大規(guī)�；�生產(chǎn)電池。第一個重要挑戰(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�！峨姵�2030+》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發(fā)周期。第二個重要挑戰(zhàn)是延長單體電池和電池系統(tǒng)的使用壽命和安全性。壽命和安全都對未來電池的大小，成本和接受度具有關(guān)鍵性影響。為了實現(xiàn)第二個挑戰(zhàn)，《電池2030+》提出了兩種不同且互補的建議方案：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。

第一，將電池實際性能（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(dá)到至少75％，并實現(xiàn)關(guān)鍵的原材料回收率接近100％。

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(xiàn)和開發(fā)始終貫穿于整個過程。特別對于新興的電池技術(shù)，先進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)性試驗開發(fā)過程，需要耗費大量的時間，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，這一過程從最初發(fā)現(xiàn)到完全實現(xiàn)商業(yè)化可能長達(dá)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(xù)發(fā)展的智能型電池開發(fā)，計劃在歐洲范圍內(nèi)設(shè)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）從許多互補的方法和技術(shù)中集成和編排數(shù)據(jù)，整合計算材料設(shè)計，模塊化和自主性綜合機器人技術(shù)和先進表征，實現(xiàn)全新的電池開發(fā)策略。促進材料，工藝和設(shè)備的逆向設(shè)計和定制。最終，在MAP框架下由每個核心元素構(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（MAP）的核心組成部分

（一）MAP重點研發(fā)技術(shù)

a. 高通量技術(shù)：開發(fā)自主材料合成機器人，構(gòu)建電池材料自身及使用過程中原位的自動化高通量表征。實現(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進行跨區(qū)域的實驗數(shù)據(jù)集成和建模。通過數(shù)據(jù)的共享實現(xiàn)信息的匯總及規(guī)�；�分析。以機器學(xué)習(xí)和物理理論為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型去識別材料開發(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)動實驗室的原型開發(fā)階段。利用歐洲材料建模委員會（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、材料建模和實際應(yīng)用工程聯(lián)系起來，實現(xiàn)電池整體價值鏈的數(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，促進材料的高效高速開發(fā)。

短期計劃：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)；自動化的工作流程，用于識別在不同時間尺度下傳遞相關(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)動和物理模型。

中期計劃：在材料加速平臺（MAP）中實現(xiàn)電池基因組（BIG-MAP）構(gòu)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(shè)計過程；在發(fā)現(xiàn)和預(yù)測過程中直接集成來自嵌入式傳感器的數(shù)據(jù)，例如主動的自我愈合。

長期計劃：在電池基因組平臺中建立完全的自主開發(fā)過程；集成電池單元組裝和設(shè)備級測試；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；實施并驗證用于電池超高通量測試的數(shù)字技術(shù)。

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，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將對材料開發(fā)過程提供必要的理解和模型，以預(yù)測和控制影響電池性能關(guān)鍵界面的動態(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，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）運作流程

（一）BIG重點研發(fā)技術(shù)

a. 開發(fā)更高的空間、時間分辨率和運算速度的新型計算方法和實驗技術(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)動混合模型和仿真技術(shù)描述最先進的實驗和技術(shù)方法。

b. 開發(fā)具有高還原度的電池界面表征技術(shù)：通過對電池界面及其動態(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)再對表征技術(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，不斷修正測試偏差，真實還原界面工作過程，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，真實反映電池正常工作時的界面狀態(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(nèi)表征/測試協(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)進行動態(tài)特征分析和數(shù)據(jù)測試的自主模塊；開發(fā)可互操作的高通量和高保真的界面表征方法。

中期計劃：開發(fā)預(yù)測混合模型，用于在時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；能夠在MAP平臺（BIG-MAP）中實現(xiàn)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。

長期計劃：在BIG-MAP平臺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。

隨著目前對電池應(yīng)用的依賴性不斷提高，要求對電池的狀態(tài)進行準(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)動的反應(yīng)以及不可預(yù)測的動力學(xué)。雖然監(jiān)控溫度對于延長循環(huán)壽命和延長電池壽命至關(guān)重要，但在目前電動汽車的應(yīng)用中也無法直接測量單體電池的溫度。為了更好了解/監(jiān)測電池工作過程中的物理參數(shù)對電化學(xué)反應(yīng)過程的影響，有效解決黑箱問題�！峨姵�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)在電池中以實時傳遞信息（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)大量的原位實時監(jiān)測數(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)。將在單體電池級別和整個系統(tǒng)級別上進行分層管理。

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/開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)（SEI）中間相動態(tài)監(jiān)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(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)傳感器則可以對電池局部溫度，壓力和應(yīng)變通過光學(xué)信號同時感應(yīng)，其中光子晶體纖維傳感器可以對多感應(yīng)信號同時采集但又解耦合分析，是未來發(fā)展多參數(shù)監(jiān)測新型傳感器的趨勢。

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

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