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欧洲电池技术创新平台提出2021-2023年研发创新优先事项

欧洲技术与创新平台“电池欧洲”(Batteries Europe)日前发布了《欧洲电池行业短期研发创新优先事项》报告,针对欧洲电池创新价值链提出了短期(2021-2023年)的7大优先创新研发事项,旨在通过加速技术研发创新推动完善电池产业布局,以构建一个具有全球竞争力的欧洲电池产业,助力欧洲气候中性经济体目标的实现。7大优先研发事项的主要内容如下:

一、电池原料可持续加工和安全供应保障

1、锂

加大对硬岩锂矿床矿物学知识研究,以更好地认知和加工矿物,从而实现从矿物中高效低成本提取锂资源。除了强化锂矿开采过程中副产品采集之外,还需对矿物加工处理过程中使用水和能源方式进行优化,以最大限度地减少尾矿和脉石的产生。确保在锂加工处理厂和矿场附近有随时可以投入使用的可再生能源。鉴于欧洲拥有丰富的尚未利用的锂矿资源,因此应该将锂矿的开发加工处理作为优先事项。

2、镍和钴

开发工艺更加高效、成本更低廉的从低品位矿石中提取镍和钴金属元素新技术,确保提取的金属元素纯度符合电池应用的需求,从而保障欧洲锂电池金属元素供应安全。

3、石墨

由于欧洲大陆天然石墨资源有限,因此需要发展高品质的合成石墨技术,进而替代天然石墨,为欧洲电池产业可持续发展提供最佳解决方案。

二、开发新材料增强储能电池性能

1、用于电动汽车领域的3B[1]型锂电池开发

欧洲开发高电压高容量的3B型固态锂电池(高电压、高容量的固态锂电池)必须要解决一系列相关挑战,包括:开发高压正极材料的同时,避免或减少高价元素(例如钴)的使用量;另一方面,依靠先进材料的开发,包括正极、负极、粘合剂、隔膜、电解液、集流体和封装材料,将现有动力锂电池性能提升到接近理论极限水平。

2、用于电动汽车领域的4A和4B型固态锂电池开发

针对4A型电池(基于传统材料的固态锂电池)重点研究内容包括:研制低直流电阻材料,减小负极厚度,开发出高离子电导率的低厚度固体电解质,制备出新的固体电解质中间层,优化电极/固态电解质接触界面以提升电荷迁移速率、电化学稳定性。开发4B型锂电池(基于锂金属全固态电池),以进一步提高电池的能量密度和安全性,使之超越现有电动汽车电池性能水平。

3、用于固定式储能领域的钠离子电池开发

欧洲将重点发展基于钠离子电池的固定式储能技术,从该电池正极、负极和电解质等材料的合成和表征到相关材料组装集成,再到完整的软包式钠离子电池开展全方位的研究,目标是开发出比现有商用的固定式储能电池性能更好、但成本更低的钠离子电池。

4、用于固定式储能领域的液流电池开发

重点研究内容包括:开发材料(如氧化还原电对、电解质等)和新电池架构,并验证基于新材料新架构的新型氧化还原液流电池性能和经济性,以确保在获得更高的能量密度、功率密度和寿命情况下,具备更低廉的价格和良好的环保性。

三、将欧洲打造成全球电池制造业的领导者

1、具有环境效益和成本效益的电极和电池单元组件制造

重点研究方向包括:具有环境效益的电极和电池单元组件制造技术,如完全不使用有机溶剂作为浆料分散介质的电极涂布技术、先进的高固含量涂层、完全干法涂层技术等,以降低生产成本,提升电池性能和使用寿命。

2、电极和电池智能生产设备

重点研究内容包括:将智能质量控制系统集成到生产设备、电池性能退化机制模型开发、大数据驱动的性能测试工具开发、电池生产过程的虚拟模拟技术等。

3、集成数字孪生技术的电池制造生产线

重点研究内容包括:开发灵活的制造流程和高精度建模工具,以优化工艺、条件和机器参数;在电池制造过程中开发和验证多重物理量和多尺度模型,能够更加准确了解制造过程的每个步骤;开发基于物理建模和AI技术的电池数字化模型,将电池设计和制造设计集成在一起。

4、电池制造工厂价值链整合

欧洲需要全面整合电池工厂价值链,即构建一个深度协同合作网络,将欧洲地区工业规模的电池制造商、电池加工设备公司、原材料和其他相关工业部门进行全面整合,打造欧洲本土化的电池制造业,以抗衡亚洲电池制造商。

四、交通动力电池储能技术

1、电池模块和电池组的设计和制造

欧洲需要重新定义一种电池模块和电池组创新设计以及相关的制造工艺,以减少开发时间和成本并提高性能,同时还要考虑其环境可持续性,如可回收性和碳足迹。

2、电池热管理技术

由于过高或过低的温度都将直接影响动力电池的使用寿命和性能,并有可能导致电池系统的安全问题,为此欧洲必须发展先进的电池热管理技术,提高电池系统的效率、可靠性、使用寿命和安全性。

3、发展先进的电池管理技术优化电池利用率

欧洲需要开发更先进的电池管理技术提升电池利用率,重点研究任务是开发基于知识和数据的电池管理系统,以降低电池系统的总成本,确保在所有操作模式下能够安全高效的使用。

4、开发用于电池模块和电池组开发、制造和电池管理的数字孪生技术

欧洲需要在电池的开发和生产过程中引入数字孪生技术,实现对电池开发、系统设计和制造全流程的高精度模拟,加快研发过程,并提高电池模块和电池组的性能,降低成本。

5、电池安全性、性能、可靠性和使用寿命的评估方法和工具

欧洲需要应用各种技术,如物理特征表征技术、计算机模拟、现场测试或这些技术的组合,来开发新的评估方法和工具,大幅降低电池评估的成本(至少降低20%-30%)和所需时间(至少减少20%-0%)。

五、支持固定式储能和电动汽车用储能设施部署

1、固定式电力储能系统的安全性

欧洲需要加强电池制造、应用和防护等环节的电力储能系统安全性研究:一是电池生产制造环节的安全,包括电池材料和生产工艺控制;二是电池应用环节的安全,包括预警、防护和消防等。三是配套设施的安全设计,包括电站隔热和导热设计等方面。

2、开放式电池管理系统

欧洲需要开发电池管理系统对电池及其单元进行智能化管理,防止电池出现过充电和过放电,延长电池的使用寿命,监控电池的健康状态。此外,确保电池管理系统的开放性,即第三方必须有权访问所有必要的电池系统信息、电池状态、操作模式和互操作性条件;从而实现利用上述信息来开发延长电池寿命的解决方案,并演示诊断和预测电池系统寿命健康状态的方法。

3、固定式电池储能系统的互操作性

互操作性和多服务模式运行是电池储能系统优于其他竞争性储能技术的关键支柱,这对灵活使用电动汽车也很重要(电动汽车既可以作为用电终端,也可以作为供电设备)。欧洲需要将互操作性与合适的电池运行标准、业务模型和技术解决方案相结合,成为电力储能系统、混合储能系统和电动汽车开发的一部分,以实现电池储能系统在上述不同应用场景下服务模式的灵活切换。

4、长时电池储能系统

依据《绿色协议》,欧洲到2050年要实现零排放能源系统目标,波动性太阳能和风能在欧洲能源结构中占比将显著增加,使得高比例集成低碳能源资源的电网稳定性面临挑战,为此欧洲亟需开发长时(储能时长10个小时以上)电池储能系统来解决。

5、储能与直流微电网

直流微电网中直流微电源输出不稳定会造成网内功率不平衡及直流母线电压大范围波动问题,可以通过部署配套的储能系统给予解决。欧洲需要开展基于储能的直流微电网能量管理和电压控制研究、直流微电网储能系统自动充放电改进控制策略研究等。

6、用于固定式储能的退役电动汽车电池的建模和标准化研究

到2025年,欧洲预计会有29 GWh电动汽车退役电池能够用于二次回收利用,其中三分之一(10 GWh)可以应用到固定储能领域,实现电池寿命的延长和碳足迹的缩减。欧洲必须开展用于固定式储能的退役电动汽车电池的建模和标准化研究,重点在电池寿命评估方法、电池翻新修复和电池管理方面开展研究。

六、电池回收

1、电池材料回收

未来10年,欧洲大量的储能电池使用寿命到期需要报废处理,欧洲需要在整个欧盟范围内开发一套统一的废旧电池回收处理系统和标准。开发更环保的电池回收处理工艺,以尽量减少能源、水的消耗,以提升有价值化学材料回收率,并尽量减少接触有害物质的几率。

2、电池收集、逆向物流、拆解和分类

欧洲需要对电池进行系统分类标签,以实现高效的回收流程;需对回收工厂进行改造以处理大量的废电池,并且需要建立从分拣、拆卸到回收的高度自动化过程;发展现代低碳足迹物流。

七、培育新兴电池技术

1、多价离子电池

未来社会对电池能量密度、比容量的要求越来越高,欧洲需要对新一代高能量密度的多价离子电池进行研究布局,以维持电池技术全球领先地位和为抢占未来的市场积累技术储备。

2、新型液流电池

欧洲需要开发经济性更加优越的新型液流电池技术,重点围绕新型液流电池技术开展建模、可持续电化学和电池设计、电化学模型设计以进行电池材料和性能的仿真,并辅以实验结果,从而能够以更快、更经济的方式发现最有应用潜力的氧化还原电对,进而更快地开发出更高能量密度、更低价格、更环保和更安全的新型液流电池。

3、水系电解质电池

相比于有机电解液,水系电解液具有无毒无害、不可燃、成本低和对生产环境要求低等优点,同时水系电解液的离子电导率要比有机电解液高,极大改善锂离子电池的倍率和快充性能。欧洲需要大力开展低成本、安全先进的水系电解质电池研究。

4、新兴的电池界面研究技术

电池界面(固-固、固-液界面等)电化学过程对电池的各方面性能均会产生重要的影响,为此需要对电池界面的电化学过程进行系统研究。欧洲需要研究开发电池界面电化学过程的原位无损表征技术,开展计算机建模以模拟界面的电化学过程,更好地理解电池电化学反应和性能降解衰退的工作机制。

5、探索新型负极材料

新兴负极材料的研发成为提升锂电池能量密度的重要方向。欧洲需要开展新型负极材料研发,但不能采用传统的基于人工试错实验方法,应该利用大数据、人工智能技术来开发高通量的实验模拟平台,实现对海量数据的快速解析从而大幅提升新材料的甄别和筛选速率,加快研发进程。