中國儲能網訊：近期，歐洲電池技術與創(chuàng)新平臺“電池歐洲”（Batteries Europe）發(fā)布《2025年歐洲電池研發(fā)創(chuàng)新路線圖》[1]，在2023年版本基礎上進行更新，其中針對7種新興電池技術以及性能表征、仿生技術、材料發(fā)現與模擬、電池設計和制造等5項共性技術，明確了到2029年、2035年和2040年3個節(jié)點[2]的研發(fā)重點。同時，Batteries Europe還更新了2024年《電池戰(zhàn)略研究和創(chuàng)新議程》[3]設定的2035年電池技術研發(fā)關鍵性能指標。
一、新興電池技術
1、下一代液流電池
氧化還原液流電池涵蓋多種化學體系和技術，2023年路線圖確定的挑戰(zhàn)仍然存在，包括：①開發(fā)先進材料、高效膜以及固態(tài)增強劑等顛覆性概念；②運行計算工具并驗證經濟高效的系統(tǒng)，探索雙應用化學體系。新版路線圖強調需解決以下問題：
短期（2029年）：為低成熟度技術設計新型活性材料和先進組件（如低成本無機材料、新型有機化合物和有機金屬化合物），開發(fā)針對特定化學成分優(yōu)化的電極和低成本催化劑以提高功率性能。
中期（2035年）：開發(fā)穩(wěn)健的生產工藝，以支持可持續(xù)電池組件和系統(tǒng)的商業(yè)化。
歐盟明確了到2035年釩液流電池的關鍵性能指標（表1）。
表1 到2035年釩液流電池研發(fā)關鍵性能指標
2、高性能、安全可靠的金屬-空氣電池
金屬-空氣電池采用輕量化設計，具有高能量密度，2023年路線圖重點提出解決可充電性、副反應和電解質穩(wěn)定性問題，新版路線圖進一步拓展為：
短期（2029年）：①開發(fā)低成本催化劑（如Mn(II)O/氮摻雜碳材料、單原子催化劑、高熵材料等）；②設計固態(tài)或準固態(tài)金屬-空氣電池，以解決穩(wěn)定性、氧氣交叉滲透、枝晶生長及副反應等問題；③開發(fā)3D打印電極，以提高能量密度與耐久性；④為電網集成與消費電子產品構建可擴展設計方案；⑤優(yōu)化鋅-空氣電池系統(tǒng)，用于電網和緊湊型應用場景。
中期（2035年）：①通過優(yōu)化系統(tǒng)設計，提升功率密度與循環(huán)壽命；②將應用拓展至可穿戴設備、醫(yī)療器械與電子產品等領域。
歐盟明確了到2035年鋅-空氣電池的關鍵性能指標（表2）。
表2 到2035年鋅-空氣電池研發(fā)關鍵性能指標
3、具有更高能量密度的金屬-硫電池
金屬-硫電池采用硫基正極和金屬負極（如鋰、鈉、鎂），該技術的局限性包括硫轉化動力學緩慢、多硫化物穿梭效應以及循環(huán)過程中電解質消耗等問題。2023年路線圖提出的所有挑戰(zhàn)仍然存在，并新增以下需求：
短期（2029年）：①開發(fā)低成本、可持續(xù)來源的硫基載體材料和電催化劑納米顆粒；②開發(fā)適用于軟包電池中試生產的工藝技術（如鋰負極和硫正極處理技術）。
中期（2035年）：①擴大硫基載體材料的合成規(guī)模，理想情況下采用低成本、可持續(xù)且在歐洲儲量豐富的前驅體；②開發(fā)專門針對金屬-硫電池的復合聚合物電解質和凝膠聚合物電解質。
歐盟明確了到2035年鋰-硫電池的關鍵性能指標（表3）。
表3 到2035年鋰-硫電池研發(fā)關鍵性能指標
4、下一代水系電池
水系電池采用無毒、不可燃的電解質及儲量豐富、成本低廉的材料，鋅離子和鈉離子化學體系表現出了良好的前景，其他類型的水性電池也正被研究。面臨的挑戰(zhàn)包括電解質電壓窗口有限以及電極溶解等問題，最關鍵的研發(fā)需求是建立能在電解質中保持充分穩(wěn)定的材料體系，從而避免副反應的發(fā)生。還需解決以下問題：
短期（2029年）：①研究濃度和pH值的影響，開發(fā)新型凝膠電解質和分區(qū)專用電解質，以拓寬電壓窗口并降低電極溶解度，同時研發(fā)更廉價、可回收的電解質鹽；②通過涂層技術提高電解質穩(wěn)定性，防止電極溶解；③研究可回收電池組件，包括電解質的回收利用。
中期（2035年）：①設計電池結構以規(guī)避材料穩(wěn)定性問題，包括緊湊型系統(tǒng)和排氣型系統(tǒng)的不同設計方案；②開發(fā)針對電池組件（包括電解液）的回收工藝。
歐盟明確了到2035年金屬離子水系電池的關鍵性能指標（表4）。
表4 到2035年金屬離子水系電池研發(fā)關鍵性能指標
5、零過量鋰/鈉電池
零過量鋰/鈉電池采用金屬負極和放電狀態(tài)下的正極活性材料，其無需額外金屬儲層，可實現無負極配置。這種創(chuàng)新方法有可能實現比傳統(tǒng)電池更高的能量密度，同時大幅降低制造成本，并減少關鍵原材料的使用，能夠降低環(huán)境影響。但其開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)，如在運行過程中減少金屬損失、確保界面穩(wěn)定性以及擴大制造規(guī)模等。盡管已取得顯著進展（如加深了對鋰成核/生長過程及界面效應的認知），仍需解決以下挑戰(zhàn)：
短期（2029年）：①開發(fā)厚度小于20微米的輕質、可持續(xù)親鋰/鈉集流體，以確保在中到高電流密度（大于1毫安/平方厘米）和較高循環(huán)深度（大于3毫安時/平方厘米）下實現鋰的均勻沉積與剝離過程；②提出并評估界面與涂層解決方案，用于原位或非原位構建穩(wěn)定的固態(tài)電解質界面（SEI膜），以提升可逆性并減少鋰腐蝕，并通過高通量實驗手段加速合適方案的發(fā)現；③提升電解液循環(huán)效率，減少鋰損耗，防止電池阻抗升高。
中期（2035年）：①通過人工智能技術與基于物理的建模方法（如溫度、壓力等），優(yōu)化電池設計、成型/激活過程和運行條件，從而實現電池組件在循環(huán)壽命和高比能方面的目標；②循環(huán)壽命超過1000次，并具備更高安全性、低壓運行能力和高能量密度；③成本降至每千瓦時75歐元以下，并確保所有材料符合《歐盟電池法規(guī)》、具備可回收性；④進行安全性基準測試，并驗證具備至少1安時容量的電池設計，以滿足監(jiān)管合規(guī)性要求。
6、多價非水系電池
基于多價金屬（鎂、鈣、鋁、鋅）的可充電電池，相比鋰電池具有更高能量密度、更豐富的資源儲備、更安全的不可燃電解質。然而，材料、電極和電池開發(fā)方面的重大挑戰(zhàn)限制了其實際應用，如負極鈍化、有限的循環(huán)壽命以及某些使用單價電荷載體的化學體系中能量密度降低。此外，電極和電池制造技術的規(guī)模化工藝仍處于早期階段。除2023年路線圖中已確定的金屬負極鈍化策略和電解質開發(fā)外，還需考慮以下方面：
短期（2029年）：①開發(fā)新型液態(tài)電解質，重點關注成本、安全性、離子電導率、遷移數以及溫度穩(wěn)定性；②為緩解當前電解質的腐蝕性，需要開發(fā)穩(wěn)定且成本效益高的惰性材料（如集流體、隔膜、電池外殼等）；③探索有機正極活性材料，作為解決多價離子遷移速率慢問題的潛在方案。
中期（2035年）：①推進多價電池用固態(tài)電解質的研發(fā)，目前仍處于早期階段，目標是提升性能和可靠性；②通過發(fā)現新型活性材料、優(yōu)化電極配方和粘結劑，以及深入研究電荷嵌入/脫嵌機制，促進正極研發(fā)，以提升反應動力學和整體性能，使其具備與現有鋰離子電池技術的競爭力；③探索基于硫的正極材料，其在低成本下可實現最高容量，并可與不同金屬-硫電池體系協(xié)同應用；④開發(fā)電池制造工藝、新型回收方法及可回收設計，解決電池可制造性和可回收性問題。
7、混合超級電容-電池
混合超級電容-電池旨在結合電池的高能量密度與超級電容器的超高功率特性。除2023年路線圖已確定的需求外（如高性能氧化還原活性電解質開發(fā)、新一代高能量/高功率材料等），需解決以下問題：
短期（2029年）：①支持高電壓和寬溫域運行；②開發(fā)先進集流體，提高導電性、降低接觸電阻，包括采用激光刻蝕等方法提升熱傳導性、機械穩(wěn)定性和降低電池重量，并確保與規(guī)?；I(yè)制造流程兼容；③開發(fā)適用于量產系統(tǒng)的新型低成本預金屬化策略，優(yōu)先考慮空氣穩(wěn)定性和溶液可處理性，以實現無縫集成與規(guī)?；圃旒嫒?。
中期（2035年）：實施可持續(xù)的制造與回收工藝，例如采用干法或水系工藝以應對高負載碳基電極的加工，同時淘汰含氟粘結劑和有毒溶劑的使用。
二、共性技術
1、多模態(tài)表征
多模態(tài)表征技術通過整合先進的多技術聯(lián)用、多尺度及原位表征方法，在分析和優(yōu)化電池材料方面發(fā)揮關鍵作用，可提供前所未有的研究視角。需解決以下問題：
短期（2029年）：①制定標準化的多模態(tài)表征操作協(xié)議，確保各種技術間的可重復性與相關性分析；②建立歐洲電池中心作為協(xié)作平臺，推動實驗計劃和集中數據共享；③改進多技術、多尺度和原位表征方法，實現電池材料和界面實時分析；④創(chuàng)建開放獲取的數據平臺與分析工具，促進學術界與工業(yè)界實驗成果的整合應用；⑤優(yōu)化表征技術，提升對材料與界面的理解。
中期（2035年）：①將先進表征方法的研究成果轉化為面向市場的電池技術，加快多模態(tài)表征成果的產業(yè)化應用；②擴展歐洲電池中心以支持大規(guī)模工業(yè)研發(fā)，提供便捷的途徑以利用最先進基礎設施和專家網絡資源。
2、仿生技術
基于2023年路線圖確定的優(yōu)先事項，仿生材料與生物基材料在電池設計中展現出顛覆性潛力，可替代傳統(tǒng)的非活性組件（如隔膜、粘結劑、集流體、外殼及極耳）。需解決以下問題：
短期（2029年）：①探索將具有自修復功能的仿生與生物基材料應用于高性能電池單元；②設計集成微膠囊“藥劑”的智能隔膜、粘結劑與集流體，用于延長電池壽命；③驗證在電池中嵌入智能功能（如自修復等）在提升性能與延長壽命方面的優(yōu)勢。
中期（2035年）：①針對多種電池體系，結合“戰(zhàn)略能源技術規(guī)劃”（SET-Plan）中的目標，聚焦關鍵退化機制，開展針對性研發(fā)；②確保相關技術可適配電池單元的大規(guī)模量產流程，并與后續(xù)回收工藝兼容；③全面評估電池全生命周期內的質量、可靠性與壽命；④展示該技術在替代路徑（如電池更換、回收或梯次利用）等方面的競爭優(yōu)勢。
3、材料發(fā)現與多尺度建模技術
除2023年路線圖強調的數據基礎設施建設、增強型機器學習模型和多尺度建模外，還需開展以下工作：
短期（2029年）：①將多尺度建模與自動化實驗室結合，發(fā)展高性能材料加速平臺；②構建“可制造性導向設計”模型和概念，確保材料設計從使用初期就考慮其整個生命周期；③擴展數據框架，實現多源、多保真數據的無縫集成，以支持模型的可擴展性和精度。
中期（2035年）：①將實驗室級材料加速平臺擴展到工業(yè)規(guī)模，確保預測模型與真實制造條件保持一致；②開發(fā)物理模型與人工智能相結合的建模方法，以提升電池性能、可持續(xù)性和可回收性。
4、可持續(xù)電池設計
該方向聚焦于“可制造性導向設計”和“循環(huán)性導向設計”，確保新技術具有可持續(xù)性與循環(huán)利用潛力，包括優(yōu)先使用非關鍵原材料（如鈉、鉀、鈣、鎂、鋅、鋁），解決供應鏈限制問題。需解決以下問題：
短期（2029年）：①開發(fā)采用非關鍵原材料的可持續(xù)電極與材料；②建立面向低技術成熟度材料體系的前瞻性可持續(xù)評估框架，充分考慮數據高度不確定性和信息有限性的挑戰(zhàn)，并推動數據格式與傳輸協(xié)議的標準化，以促進數據的廣泛共享與利用；③在材料開發(fā)過程中，集成有潛力工藝方法的測試，識別并解決可能的問題，以實現可制造性導向設計。
中期（2035年）：①推進循環(huán)利用策略，包括可重復使用與可溶解材料，以契合循環(huán)經濟目標；②擴展制造與可持續(xù)性流程，確保新興電池技術能夠大規(guī)模應用。
5、顛覆性制造工藝
當前電池制造工藝（尤其是鋰離子電池）面臨能耗高、生產周期長、資本支出/運營成本高昂等挑戰(zhàn)。下一代電池還需全新的制造工藝：
短期（2029年）：①開發(fā)新型制造工藝，以生產高性能電極，同時降低能耗、占地空間、時間與成本；②針對下一代電池（如梯度電極等），研發(fā)專用的制造工藝。
中期（2035年）：①利用機器人、人工智能與數字孿生技術實現制造過程的自動化控制與效率優(yōu)化；②將這些技術從實驗室階段擴大至中試乃至規(guī)?；a，借助先進建模方法優(yōu)化工藝，實現從中試到全面商業(yè)化的轉化。
