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欧洲《电池2030+》长期愿景及使命
《电池2030+（BATTERY2030+）》是一项大规模的欧洲长期研究计划，为欧盟委员会提出的战略能源技术计划（SET-plan）的想法之一，旨在联合欧洲整体解决未来电池研发过程中所面临的各项挑战，克服重重阻力达成宏大的既定的电池性能目标。研究内容以“化学中性途径（chemistry neutral approach）”为导向，基于现有或未来多种不同类型的电池化学物质，通过缩小各自之间的差距来发挥其全部潜力以实现电池的实际能力和理论极限。理念上基于给欧洲电池企业乃至全球电池企业的价值链提供新的发展和支持，比如从原材料到先进材料的发展，到电池和电池包的设计制造，电池寿命终止后的回收利用和电池实际应用场景等。除此之外，《电池2030+》的长期发展路线图也充分地弥补了欧洲电池内部的中期研究和创新工作–欧洲技术和创新平台（ETIP）。因此，欧盟希望借助于《电池2030+》来推动欧洲为期10年的大规模努力以促进电池领域的变革性发展。不断提出新的研究方法和开拓新的创新领域，实现安全的超高性能电池开发，最终实现欧洲社会2050年前不再使用化石能源（如图1所示）。2019年3月，欧盟启动《电池2030+》协调和支持行动，以确定计划的研发路线图。本次发布的《电池2030+》研发路线图第二版草案经讨论修改后，将于2020年2月底提交给欧盟委员会。图1. 《电池2030+》的长期愿景及使命Part II:“电池2030+”计划目标《电池2030+》的总体目标是实现具有超高性能和智能化的可持续电池功能以适用于每个应用场景。所谓超高性能，是指能量和功率密度接近理论极限，出色的使用寿命和可靠性，增强安全性，环境可持续性和可扩展性，以实现具有竞争力成本的大规模化生产电池。第一个重要挑战是达到最好的电池性能，因此发现新材料和新化学体系的开发过程必须加快。《电池2030+》提出电池界面基因组（BIG）–材料加速平台（MAP）计划，将采用人工智能（AI）大幅减少电池材料的开发周期。第二个重要挑战是延长单体电池和电池系统的使用寿命和安全性。寿命和安全都对未来电池的大小，成本和接受度具有关键性影响。为了实现第二个挑战，《电池2030+》提出了两种不同且互补的建议方案：开发直接在化学和电化学反应中可探测的传感器，将新型传感器嵌入电池中连续监控其“健康”和“安全状态”。另一方面，通过使用自愈合功能来提高电池容量并提高电池性能。与目前最先进的电池技术相比，《电池2030+》旨在提出并影响电池技术的未来发展（如图2）：第一，将电池实际性能（能量密度和功率密度）和理论性能之间的差距减少至少1/2。第二，至少将电池的耐用性和可靠性提高3倍。第三，对于给定的电力组合，将电池的生命周期碳足迹减少至少1/5。第四，使电池的回收率达到至少75％，并实现关键的原材料回收率接近100％。图2.《电池2030+》对未来电化学存储系统的最新技术展望Part III:“电池2030+”主要研发方向3.1 材料加速平台（Materials Acceleration Platform，MAP）从能源技术的生产，存储到最终交付使用，材料的发现和开发始终贯穿于整个过程。特别对于新兴的电池技术，先进材料几乎是所有清洁能源创新的基础。若依靠现有的传统重复性试验开发过程，需要耗费大量的时间，人力物力去开发新型高性能电池材料并用于电池设计，这一过程从最初发现到完全实现商业化可能长达10年之久。因此，在《电池2030+》项目中，为了加速超高性能的，可持续发展的智能型电池开发，计划在欧洲范围内设立电池“材料加速平台（MAP）”，并与电池界面基因组（BatteryInterface Genome，BIG）集成在一起。同时BIG-MAP基础设施模块化设置，全系统具有高度的通用性，以便能够容纳所有新兴的电池化学体系，材料成分，结构和界面。另一方面，MAP将利用人工智能（AI）从许多互补的方法和技术中集成和编排数据，整合计算材料设计，模块化和自主性综合机器人技术和先进表征，实现全新的电池开发策略。促进材料，工艺和设备的逆向设计和定制。最终，在MAP框架下由每个核心元素构建概念电池，开发出具有突破性的电池材料，极大提高电池开发速度和电池性能。图3. 电池材料加速平台（MAP）的核心组成部分（一）MAP重点研发技术a. 高通量技术：开发自主材料合成机器人，构建电池材料自身及使用过程中原位的自动化高通量表征。实现电极活性材料及其组合方式的快速筛选和电解液配方的系统表征。基于高通量数据的建模和数据生成相结合，以物理参数为导向对电池及其活性材料进行分析和表征。b. 建立基于分布式访问模型的跨区域通用数据基础架构，实现多维度互连和集成工作流程：确保在材料的闭环研发过程中，能够实时进行跨区域的实验数据集成和建模。通过数据的共享实现信息的汇总及规模化分析。以机器学习和物理理论为导向的数据驱动模型去识别材料开发过程中重要的参数和特征，开发有效的和稳固的方式耦合和连接不同维度的模型，加速材料开发过程。c. 开发基于电池系统的人工智能（AI），构建统一数据框架：基于AI技术开发集成物理参数和数据驱动的混合型模型。比如目前已有一些AI软件包如ChemOS和phoenix正在用于自驱动实验室的原型开发阶段。利用欧洲材料建模委员会（EMMC）和欧洲材料与建模本体（EMMO）支持的访问协议，将学术界和工业界、材料建模和实际应用工程联系起来，实现电池整体价值链的数据标准化传递及共享。d. 电池材料和界面的逆向设计工程：通过所需的目标性能定义电池材料和/或界面的组成和结构，从而打破传统的开发过程，促进材料的高效高速开发。（二）MAP研发计划短期计划：开发用于电池材料和电池本身的共享且可互操作的数据基础架构接口，涵盖电池发现和开发周期所有领域的数据；自动化的工作流程，用于识别在不同时间尺度下传递相关特征/参数；构建基于不确定性的电池材料的数据驱动和物理模型。中期计划：在材料加速平台（MAP）中实现电池基因组（BIG-MAP）构建，能够集成计算建模，自主合成机器人技术和材料表征；展示电池材料的逆设计过程；在发现和预测过程中直接集成来自嵌入式传感器的数据，例如主动的自我愈合。长期计划：在电池基因组平台中建立完全的自主开发过程；集成电池单元组装和设备级测试；包含材料发现过程中的可制造性和可回收性；展示材料开发周期的5倍加速；实施并验证用于电池超高通量测试的数字技术。3.2 电池界面基因组（Battery interface genome，BIG）电池不仅包含电极和电解质之间的界面，而且还包含其他大量重要的界面，例如：在集流体和电极之间或在活性材料和诸如导电碳和/或粘结剂等的添加剂之间。因此在开发新的电池化学体系或现有电池技术中引入新的化学物质时，界面是有效利用电池电极材料关键之所在。MAP是提供基础设施以加快材料的发现，而《电池2030+》提出BIG将对材料开发过程提供必要的理解和模型，以预测和控制影响电池性能关键界面的动态变化（如图4所示）。BIG将高度适应不同的化学物质，从材料到设计，用大量数据构建模型，形成全新的材料开发途径，以超越当前的锂离子电池技术。图4. 电池界面基因组（BIG）运作流程（一）BIG重点研发技术a. 开发更高的空间、时间分辨率和运算速度的新型计算方法和实验技术：以获得超高性能电池系统构造和材料组合搭配的新理解。通过基于物理的数据驱动混合模型和仿真技术描述最先进的实验和技术方法。b. 开发具有高还原度的电池界面表征技术：通过对电池界面及其动态特性的精确表征，建立电池界面属性的大型共享数据库，利用大数据再对表征技术进行优化调整，不断修正测试偏差，真实还原界面工作过程，提高保真度。c. 建立电池及其材料的标准化测试协议：发布详细的材料表征检查列表，通过将电池性能与材料化学性质逐一比对来获取有关电池界面的关键信息。d. 构建更精确的材料结构与电池性能模型：利用电子，原子及介观材料尺度模型耦合形成连续相模型，真实反映电池正常工作时的界面状态、老化和衰减机制。（二）BIG研发计划短期计划：建立一定范围内表征/测试协议和数据的电池界面标准；开发可利用AI和仿真模拟技术进行动态特征分析和数据测试的自主模块；开发可互操作的高通量和高保真的界面表征方法。中期计划：开发预测混合模型，用于在时间和空间尺度上推演电池界面；演示模型电池间逆向合成设计；能够在MAP平台（BIG-MAP）中实现电池界面基因组计算建模，自主综合机器人技术和材料的集成表征。长期计划：在BIG-MAP平台中建立完全的自主开发过程；证明界面性能提高5倍；表明电池界面基因组到新型电池化学的可移植性。3.3 智能传感器（Integration of smart functionalities–sensing）随着目前对电池应用的依赖性不断提高，要求对电池的状态进行准确监控，提高其质量，可靠性和使用寿命。在过去几十年中，虽然许多电化学阻抗设备（EIS）以及先进的电池管理系统（BMS）发展，但成效有限。无论电池技术发展如何，性能仍取决于电池单元内界面的性质和依赖于温度驱动的反应以及不可预测的动力学。虽然监控温度对于延长循环寿命和延长电池寿命至关重要，但在目前电动汽车的应用中也无法直接测量单体电池的温度。为了更好了解/监测电池工作过程中的物理参数对电化学反应过程的影响，有效解决黑箱问题。《电池2030+》提出将智能传感器嵌入到电池中，能够实现电池在空间和时间上的分辨监视（如图5所示）。这样可以整合和开发各种传感技术在电池中以实时传递信息（如温度，压力，应变，电解质成分，电极膨胀度，热流变化等）。最重要的是依据大量的原位实时监测数据，可以与BIG-MAP协作构建电池工作状态函数及模型，开发智能的响应式电池管理系统。将在单体电池级别和整个系统级别上进行分层管理。图5. 未来具有原位传感及输出分析装置的电池（一）智能传感器重点研发技术a. 集成和开发适用于电池的多种传感器，将智能功能嵌入电池：光学、电学、热学、声学和电化学传感器用于设计/开发固态电解质（SEI）中间相动态监测功能。比如利用电阻温度检测器（RTD），热敏电阻，热电偶等温度传感器监控电池内外的局部及整体温度变化。电化学传感器主要用于监控电池界面SEI增长，氧化还原穿梭物质和重金属溶解。压力传感器可以检测电极应变和压力变化，从而反应电池的SoC以及SoH状态。光学传感器则可以对电池局部温度，压力和应变通过光学信号同时感应，其中光子晶体纤维传感器可以对多感应信号同时采集但又解耦合分析，是未来发展多参数监测新型传感器的趋势。b. 开发具有创新化学涂层的传感器：采用特殊涂层的传感器，减缓电解液及电化学反应副产物对传感器的腐蚀，提升器件稳定性，传导灵敏性和使用寿命。将传感器尺寸减小到几微米以匹配电池隔离膜的厚度，采用无线传感技术来避免复杂的连接布线问题。（二）智能传感器研发计划短期计划：在电池单元级别上，依靠各种传感技术和简单的集成开发非侵入式多传感方法，为评估电池内界面动力学，电解质降解，树枝状生长，金属溶解，材料结构变化的相关性提供可行性。监测电池运行期间关键参数的正常或者异常行为，并定义从传感器到BMS的传递函数，通过运行实时传感将温度窗口提高>10％。中期计划：实现（电）化学稳定传感技术的微型化和集成，在电池层面和实际电池模块中均具有多功能，以经济有效的方式与工业制造过程兼容；利用传感数据实现高级BMS，构建新的自适应和预测控制算法；BIG-MAP中集成感应和自我愈合；多价电极系统的过电压降低>20％；将锂离子电池可利用电压窗口增加>10％。长期计划：依靠先进的BMS控制传感器的通信，新的AI协议通过无线方式实现完全可操作的智能电池组。在未来的电池设计中，将感测/监视与刺激引起的局部自愈合机制结合，从而可以通过集成感测-BMS-自愈合系统得到智能电池。3.4 自愈合理念（Integration of smartfunctionalities–self-healing）电池技术的可持续发展以及我们对电池普及应用的日益依赖，要求确保其具有很高的可靠性和安全性。其中探测或者传感不可逆变化是获得更好的可靠性第一步。但是，要真正确保可靠性，电池应该能够自动感知损坏，并恢复原始配置及其整体功能。那我们可以尝试模仿自然愈合机制（比如伤口愈合）来制造智能长寿命电池吗？《电池2030+》中借鉴医学领域中“再生工程”的理念，提出可以开发在电池内注入相应自愈合功能的材料，以恢复电极内部的缺陷。另一方面，提出将状态传感和自我愈合功能紧密相连（如图6所示）。从传感器检测到的信号将被发送到电池管理系统并进行分析，如果出现问题，BMS将发出信号发送给执行器以触发自我愈合过程的刺激。这种既自我感知又触发自修复的结合过程将赋予电池更高的安全性和消费者更高的使用可靠性。图6. 由BMS介导的电池工作-感应-自我修复协同耦合过程（一）自愈合理念重点研发技术a. 开发自愈合的电池材料以及电极界面：包裹CNT的自愈合微胶囊，用于修复电极导电网络。具有自愈合性的人工SEI结构活性材料，用于修复电极材料充放电过程中界面结构的破坏。b. 开发适用于电池组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体聚合物电解质中的应用。使用无毒的生物基材料（例如多糖类材料，蛋白质材料）设计薄而多孔的可控隔膜，开发功能化生物基电解质隔离膜，专门设计使其具有自愈合特性，通过控制电解液的分解从而改善电池老化。c. 构建复合电极：设计具有聚合物或矿物质外壳的微胶囊，使其包含能够通过外界刺激响应来释放愈合剂，或在受刺激破裂时将释放锂盐、钠盐等。利用特定高分子结构的设计（比如PAA-聚轮烷滑轮型聚合物）控制电极膨胀结构并优化电池循环的效率。（二）自愈合理念研发计划短期计划：在各种交叉领域发展具有自我愈合功能的电池。对隔膜进行功能化处理，并开发依靠氢键相同作用实现可逆交联的超分子结构，以愈合电极-隔离膜的膜破裂，同时与电池的目标化学性质兼容。中期计划：设计智能型隔离膜，具有可容纳多种功能有机-无机愈合剂的微胶囊，可通过磁性，热或化学作用触发自动愈合，同时确定与刺激驱动的自愈合操作相关的响应时间，以愈合与电极断裂或SEI中间相老化有关的故障。长期计划：设计和制造功能性和孔隙率可控的低成本生物基电解质隔膜。在电池感测和BMS之间建立有效的反馈回路，通过外部刺激适当触发已经植入电池的自我愈合功能。3.5 未来电池规模化制造（Manufacturability of future batterytechnologies）新一代突破性电池材料的面世将开启崭新的电池技术机会。但是，从广义上讲，这些新电池技术至少需要面对两个主要的验证阶段。首先，在原型级别上证明其性能潜力，其次，扩大规模化生产的可行性和进入工业化过程的评估。《电池2030+路线图》提出未来电池制造的解决策略：工业4.0和数字化的前景。利用建模和人工智能实现制造过程动态软件模拟，突破制造单元的空间构造，避免或基本减少经典的尝试和错误方法。通过全数字化制造，理解和优化过程参数及其对最终产品的影响。图7. 电池制造的数字化过程（一）未来电池规模化制造重点技术a. 设计过程数字化：引入新功能，如自愈合材料/界面、各类智能传感器或其他执行器、生态电池设计和替代电池设计，在电池制造过程中开发和验证多重物理量和多尺度模型，以更准确了解制造过程的每个步骤。b. 制造过程数字化：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，开发用于处理电极浆料，电极片生产，电池组装，电池包组装和电池性能的实时模型（即用于电池制造的数字化模型）。（二）未来电池规模化制造研发计划短期计划：从最先进的信息开始，重点放在是电池设计方法。改进模拟工具（如多物理场模型），通过深度学习和机器学习方法减轻计算负担，应用AI技术用于电池设计。中期计划：不断发展BIG平台，MAP平台，智能传感器技术，自愈合技术，回收策略和其他创新领域并将其整合到流程中；在电池级设计取得进展之后，将启动并实施基于AI制造方法，即建模> AI>制造（包括新技术的制造以及制造过程中的数字化模型）。规模也可扩大到电池制造过程中的技术，可扩展到电池化学成分开发，例如多价和有机的材料开发，或者其他电池体系，如液流电池。长期计划：将整个AI驱动的方法集成并整合在电池单元设计中，实现基于BIG-MAP的完全自主系统。利用这种方法促进学术界创新和工业界开发可商业化的最新电池技术。3.6 回收策略（Recyclability）《电池2030+》路线图将促进建立循环经济社会，减少浪费，减少二氧化碳排放量并更明智地使用战略资源作为长期愿景。因此，发展高效电池拆解和回收技术是保证欧盟到2030年时，电池经济长期且可持续性发展至关重要的保证。这就需要有针对性的开发新型，创新的，简单的，低成本的和高效率的回收流程，以保证电池全生命周期的低碳足迹和经济可行性。比如对活性材料采用直接方法回收，而不是经过多步骤的途径。采用直接修复或重新调节电极的方式即可使电池重新达到可工作的状态。基于此，《电池2030+》对材料层级，界面层级和单体电池层级都提出一些新的回收概念和整体流程：（1）整个生命周期可持续设计（包括生态设计和经济设计）；（2）电池及电池组拆解设计；（3）回收设计方法。这个过程需要研究者，电池生产企业，材料供应商协同参与，并与回收商一起将回收策略及相关限制条件整合到新的电池设计中。图8. 未来的电池回收过程：直接回收与再利用过程有机的整合（一）回收策略重点计划a. 电池组件及单体的重复可利用性：通过产品标签、电池管理系统、内置和外置传感器等相关数据的收集和分析，集成传感器和电极自愈合功能，用于识别损坏/老化的组件并为重复利用做准备。同时在电池设计中尽可能延长寿命，并考虑重新校准、翻新以及二次使用和多次使用的可行性。b. 引入现代低碳足迹物流概念：包括分散式处理，开发产品可追溯性，特别是整个电池生命周期中关键原材料的可追溯性。以及开发对有价值关键材料的高效、低成本和可持续的一步回收处理策略，并将其“翻新”为电池可用活性材料，如果不能完全逆转，则通过调整组成来合成活性材料前驱体或相关原材料。c. 自动化及选择性回收：采用AI辅助技术及设备，实现电池自动分拣和评估，自动将电池组拆解到单体电池级别，自动拆解电池至最大的单个组件级别。同时借助于大数据技术分析并寻求适用于所有电池及电池组的通用拆解过程，确保即使是像锂金属固态电池，锂金属-空气电池等新型电池，也能最大程度地回收电池组件及其关键性组成材料。（二）回收策略研发计划短期计划：实现电池系统可持续的发展和拆解，开发数据收集和分析系统，用于电池组/模块分拣和重复利用/再利用的技术，并开始开发自动化拆解电池。并用于快速电池表征的新测试。中期计划：开发自动将电池分解成单个组件的方法，以及粉末及其成分的分类和回收，将其“翻新”为先进的新型电池活性材料的技术。在电池中测试回收的材料。将开发二次应用中材料再利用的预测和建模工具。显著提高关键原材料的回收率（比如石墨，正极材料）并明显改善对能源和资源的消耗。长期计划：开发和验证完整的直接回收系统；系统在经济上可行，安全且对环境友好，并且比目前的流程更低的碳排放量足迹。Part IV:其他各国家路线图发展规划除了欧洲的SET-PLAN计划外，目前只有少数几个国家有明确路线图并为之长期努力。在这里，简短介绍来自中国，印度，日本和美国的电池路线图，以更广阔的视野来看待2030+电池的目标。4.1 中国发展规划：中国现在是全球发表电池研究论文最多的国家。但同时在工业界也定义了两个并行的研究和创新战略：进化战略和创新战略。进化战略专注于优化现有搭载新能源电池的车辆和能源动力总成系统，包括电池性能的提升（高安全，快速充电，低耗电量等）。而革命性战略的目标是开发下一代电池化学体系用于车辆动力总成系统。如图9所示，可以比较2015年至2035年中国的电池发展目标与日本新能源产业的技术综合开发机构（NEDO）的RISING计划目标，以及美国能源部（DOE）的Battery 500计划。图9. 中国2013年至2030年的国家新能源项目和战略目标4.2 印度发展规划：印度最近也为汽车制造行业发布了路线图，其中电池研发和制造被认为具有很高的战略意义。但路线图中并未展示达到目标需要何种关键性技术，只是明确表达了电池的重要性。4.3 日本发展规划：日本在某些关键领域一直有制定长期稳定研究计划的传统，电池就是其中之一。日本新能源产业的技术综合开发机构（NEDO）的RISING-2项目就是一项长期的大规模计划，始于2010年，计划于2022年结束。它定义了两个关键的电池性能目标（如图10所示），其中对于纯电动汽车，在2020年动力电池系统能量密度需达到250Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。而对于插电混合动力汽车，在2020年动力电池系统能量密度需达到200Wh/kg。这是唯一可以尝试与《电池2030+》提出目标相比较的国际研发计划。图10. 日本NEDO的2020年和2030年电池性能目标4.4 美国发展规划：美国能源部（DOE）于2016年主导了Battery 500项目，其联合了六所大学，四个国家实验室和IBM的科研实力。其总体目标是开发锂金属电池，相比目前电动汽车用电池组能量密度170-200Wh/Kg，使电池组能量密度达到500Wh/Kg。而且Battery 500将致力于开发体积更小，重量更轻，更便宜的电动汽车电池。
来源：深水咨询 锂电前沿
太阳能电池板废料：清洁能源的另一面
2000年代初安装的大量太阳能电池板正接近其生命周期的终点，这给太阳能产业带来了一个严峻的问题，目前的太阳能电池板处理方法远远达不到环保的要求。Discover Magazine杂志网站发表署名Conor Prendergast的文章，题目是：Solar Panel Waste: The Dark Side Of Clean Energy（太阳能电池板废料：清洁能源的背面），摘要如下：从理论上讲，太阳能比以往任何时候都更有前景。太阳能电池越来越容易生产，同时也变得越来越廉价。但是，太阳能光伏有一些很少被谈论的问题：他们的生产和废物是否比他们打算替代的化石燃料产生更多的污染物，仍然是应该回答的问题。制造太阳能电池板通常需要使用数种有毒性的化学物质。太阳能电池板的使用寿命约为20至30年，自2000年代初首次规模化安装以来，到现在已经有大量太阳能电池板已接近使用寿命的末期。当太阳能电池板堆放在垃圾堆里，所含的有毒金属会渗入环境。如果进入地下水，可能会对公众健康造成危害。光伏组件中的硅应该是可回收的，但为了提高太阳能电池的电效率，添加了镉和铅等金属。这使得太阳能电池很难回收利用，因为提取有害金属需要相当大的能量投入。事实上，企业回收太阳能电池板的成本往往高于生产太阳能电池板的成本。大多数太阳能光伏回收厂只是从电池中提取有价值的银和铜，然后在炉中焚烧被污染的玻璃和塑料外壳。由于这一过程既昂贵又耗时，将废弃的太阳能电池板扔进垃圾填埋场或出口到第三世界国家更为方便。研究表明，太阳能电池板中的重金属（铅和镉）可能从电池中渗出进入地下水，并影响植物和环境。这些金属对人类健康也有不良影响，铅会损害儿童的大脑发育，而镉是一种致癌物质。发展中国家可能没有适当处置进口太阳能电池板废物的基础设施或法规，这些金属可能渗入周围环境造成公共卫生问题。随着太阳能光伏在各国的扩大应用，这一问题在未来几十年可能会进一步恶化，预计到2050年全球将有近8000万吨的太阳能废物。幸运的是，有效的回收利用方法确实存在。美国最大的太阳能公司First Solar的设施可以提取太阳能电池板中90%的材料，然后再回收利用，制成新的太阳能电池板或电子产品。法国公司威立雅在欧洲开设了第一家专门回收太阳能电池的工厂。目前，中国和美国是太阳能电池板的最大用户，但只有欧洲采取措施要求制造商对其光伏废物负责。欧盟要求太阳能公司收集和回收太阳能电池板，回收成本计入销售价格。通过这种方式，太阳能电池板的浪费和对环境的影响降到最低，消费者只需稍微多付一点太阳能电池板的价格。强制回收并不是让太阳能更环保的唯一途径，一些科技初创公司都在寻求使实际生产过程更清洁的方法。科学家正在探索提纯太阳能电池用硅的新方法，或者正在试验低品位的硅太阳能电池。最近在太阳能技术方面的一项发现可能会通过使用一种称为钙钛矿的材料来彻底消除硅的使用。钙钛矿型太阳能电池不是硅晶体，而是由金属晶体制成，通常是铅。钙钛矿电池的原材料和合成比传统太阳能电池板所需的高纯度硅便宜得多，制造硅太阳能电池的方法只有少数几种，但制造钙钛矿型电池的方法有很多，可以生产出不同应用的独特太阳能电池板。最有希望的是，钙钛矿电池更容易制造、更环保，而且其效率已经可以与硅电池媲美。而且也不用担心铅含量，以锡或锗等无毒金属为基础的钙钛矿电池正接近铅电池的效率。随着社会从化石燃料向能源转型，太阳能将成为我们未来的重要组成部分。因此，我们可以预计在未来几十年内，太阳能电池板的产量将增加，并有可能产生大量的危险废物。尽管太阳能作为一种可再生能源有着巨大的前景，但社会也必须面对它带来的污染问题，否则利用光能可能会让我们的处境比以前更加灰暗。
来源：E Small Data
二次电池：创造一个可充电的世界
2019年10月，约翰·古迪纳夫等3位研究锂离子电池的科学家荣获诺贝尔化学奖时，颁奖词这样描述：他们创造了一个可充电的世界。当你把手机放下，插上充电器，等待它“满血复活”的时候，手机操作系统终可得到片刻宁静与休憩。但在微微发热的机身里，一场悄无声息的“运动”正在展开。“运动”的主体是锂离子，“家”住电池正极，它们就像一群调皮的孩子，从“家”里“溜”出来，一头“扎”进电解液，快活地“游”过隔膜中的小缝隙，顺流而下来到负极。负极是它们的目的地，闯关成功的它们结交了新朋友，积攒了大量的快乐和能量，这便完成了充电过程。到达负极的锂离子越多，储存的电量则越足。当你拔下充电器的那一刻，锂离子知道要回“家”了，它们与新朋友告别，原路返回，回到“家”时体力殆尽，这便是电池释放电能的过程。概括而言，锂离子充当了电能的“搬运工”，周而复始地从正极至负极再至正极来回移动，在正、负极活性材料中进行脱嵌，将化学能和电能相互转换，从而实现了能量的存储与释放。锂离子电池是目前备受青睐的一种新型二次电池。传统的一次电池放电完后就报废，没法再次充电，处理不当还会对环境造成污染，且内阻较大，负载能力弱，一般在小电流、间歇性放电的条件下使用，例如遥控器、无线鼠标、电子手表等。而二次电池因为可通过可逆的电化学反应实现再充电，也称为充电电池或蓄电池，可用于但不限于一次电池的领域，比如电动车、无人机以及手机、平板电脑等消费类电子产品。与一次电池相比，二次电池已是世界上广泛使用的一种化学“电源”，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是当前国际上竞相研发的热点，也是新一代信息通讯、电动汽车、储能电站与能源互联网等重大应用的关键环节。一方面，科技不断发展、人类生活质量不断提高，另一方面，石油资源面临危机、地球生态环境日益恶化，在这个双重社会背景下，市场的迫切需求使新型二次电池应运而生。其中，锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等新型二次电池备受青睐，在中国得到广泛应用，并已形成迅猛发展的产业。
来源：新湖南
全球动力电池巨头产能“对垒”
随着全球车企巨头对于以供应链能力为基础的优质电池产能需求越来越高，头部电池企业竞相启动产能军备竞赛。全球新能源汽车跨入高成长黄金周期。行业预计，2025年全球新能源汽车销量超过1670万辆，5年复合增长率达40%，2025年全球动力电池需求预计超过1TWh。确定性极大的市场预期下，国内外动力电池巨头纷纷开启优质产能军备竞赛，加速扩产，以形成规模和客户配套双重优势，全球动力电池企业的近身肉搏战也随之拉开。根据GGII数据显示，2020年全球动力电池TOP10企业的装机量情况，中国企业占据6个席位，装机量占比达41%；海外企业占4席，装机量占比达51%。2021年，全球动力电池TOP10企业的装机量占比开始发生变化。根据SNE数据显示，1-4月全球动力电池TOP10装机量中，中国企业装机量占比提升至46.6%，海外企业装机量占比下降至47.5%。数据变化背后，一方面，中国动力电池企业依托于中国新能源汽车高增长态势，在全球的配套占比话语权不断增强。另一方面，凭借技术、成本、产能、供应链的先行优势，中国动力电池企业开始全面进入国际车企全球供应链体系，国内配套车型出口以及动力电池直接出口的数据激增。动力电池竞争的本质，是围绕成本、客户、产能规模展开的核心竞争。随着全球车企巨头对于以供应链能力为基础的优质电池产能需求越来越高，头部电池企业也竞相启动产能军备竞赛。中国企业方面，到2025年，预计宁德时代产能将提升至550GWh（含合资）；中航锂电与蜂巢能源的“十四五”产能规划均定为200GWh；国轩高科计划在2023年实现80GWh年产能；比亚迪则预计在2022年包括“刀片电池”在内的总产能达到100GWh。海外企业方面，LG化学到2023年规划电池产能或增大到380GWh（含合资）；SKI到2023年产能预计扩大超110GWh（含合资）；SDI则计划在2021年形成56GWh年生产能力。中长期来看，具备优质产能的全球动力电池供应商将更具优势。无论是产能部署还是客户绑定、拓展情况来看，中国动力电池未来在全球的市场份额将呈现持续上升的趋势。
来源：高工锂电
产业链协同或是电池梯次利用关键
动力电池梯次利用的一条可选之路暂时“冰冻”。6月22日，国家能源局组织起草的《新型储能项目管理规范（暂行）（征求意见稿）》（以下简称《征求意见稿》）提出，在电池一致性管理技术取得关键突破、动力电池性能监测与评价体系健全前，原则上不得新建大型动力电池梯次利用储能项目。已建成投运的动力电池梯次利用储能项目应定期评估电池性能，加强监测、强化监管。事实上，我国首批新能源汽车动力蓄电池已处于老龄状态，整个行业也即将迎来动力电池“退役潮”。据中国汽车技术研究中心数据，2020年我国动力电池累计退役总量约20万吨，而到2025年，这一数字将升至约78万吨，有关退役电池去向及如何处理利用成为业内关注的焦点。据了解，目前动力电池的回收利用主要有两种方式：一是元素回收，是指将目前市场上两种主要动力电池类型——三元锂电池和磷酸铁锂电池中含有的锰、锂，以及更为稀缺的钴、镍等重金属资源提取出来；二是梯次利用，即拆解退役电池成模组或电芯，形成小型电池用于低速电动车、电动工具、太阳能路灯，或将多个完整的电池包合并，用于光伏、风能储能装置等领域。“动力电池梯次利用十分有益，但也存在隐患：好处是可以延长电池使用（寿命）周期，缓解环境污染的压力。同时，梯次利用的电池也可参与电力系统调频、调峰，提高电能质量。但梯次利用不能根本性解决环境污染问题，电池的废弃与回收仍会到来。此外，还有一个问题是存在消防安全隐患。”华南理工大学教授康龙表示。动力电池“退役潮”正在来临不断攀升的新能源汽车保有量让动力电池的回收利用逐渐走入人们视线。数据显示，截至今年5月底，我国新能源汽车保有量约580万辆，约占全球新能源汽车总量的50％。2020年，我国动力电池装车量累计63.6GWh，同比累计上升2.3%。全球动力电池在电动汽车上的总装机量为137GWh，同比增长17%。据相关机构测算，2020年起，我国将逐步进入动力电池规模化退役阶段。其中2020~2022年，我国动力电池累计退役量将达到90.5GWh。东方证券预测，到2025年，动力电池梯次利用，以及回收市场规模有望达到370亿元。北京赛德美资源再利用研究院有限公司总经理赵小勇表示，从时间上看，即将面临退役的动力电池一是在新能源汽车早期“十城千辆”期间装机的，预计在2018年~2022年退役；二是在2014年~2016年，基于补贴政策，集团用户、出行企业等批量装机的，按照保质期3~5年计算，两年内也将更换完毕。事实上，对于动力电池的回收利用路径，政府相关部门也释放过明确信号。此前，工信部相继出台了《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》《新能源汽车动力蓄电池回收服务网点建设和运营指南》等相关管理政策，均涉及梯次利用管理内容。2020年10月，工信部发布了《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法(征求意见稿)》，梯次利用管理成为政策重点方向。部分试点地方进一步鼓励、支持梯次利用技术与商业模式的探索。但对于动力电池的“退役之路”应选择直接回收还是梯次利用，业内尚未达成共识。主要的争议集中在安全性、经济性和可靠性三方面。例如在可靠性方面，电池退役后能否保持稳定供电能力存在疑问。特别是三元锂电池，达到一定充放电次数后，衰减相对比较严重。中国电子科技集团公司第十八研究所研究员肖成伟认为，想要保证电池梯次利用的可靠性，就要通过新技术对电池进行跟踪监测。“我们一定要结合大数据，包括跟踪电池的健康状态、安全性。尤其是在梯次利用里面的健康状态和安全，其实它的估算方法，包括它建的一些模型、一些控制策略，实际上跟车上是不一样的，还要做一些相应的调整。”肖成伟说。产业链协同或是梯次利用关键事实上，动力电池梯次利用面临的问题远不止于此。据了解，动力电池通常是根据不同车企的特定车型定制，不同车企的动力电池之间，结构、规格和参数均存在较大差异。即使是同一车企同一车型同一批次的动力电池，到了退役时间，其剩余容量、电压和内阻也不完全一样。而这也增加了对退役动力电池梯次利用的难度和成本。电池回收后，需要先进行检测，然后根据不同来源、不同规格和不同容量进行分类，最后才是重组再利用。“目前国内生产的电池包外形结构和尺寸各不相同，很多企业无法自动拆解。对于拆解体量较大、内部结构较为复杂的电池包、模组和单体来说，如果处理不当，极有可能导致短路、漏液等安全问题，甚至有爆炸的风险。”广东邦普循环科技有限公司高级产研战略工程师吴奔奔表示，当前动力电池回收利用各环节还缺乏有效的协同监管，政策奖惩机制仍不完善。而电池回收企业发展情况不一，难以进行标准化管理。同时，对退役电池的判断目前也缺乏有效的检测手段。“梯次利用首要解决的问题是对回收电池的准确辨识，把‘得了病’的电池筛出去。我们一直在做电池（SOH、SOC、SOP）辨识的研究，看看用什么方法能够早日发现回收中有问题的电池单元或电池组，一旦准确地判断出了哪个电池是什么状态或者某一个PACK的状态，就有办法采取相应措施进行维护和管理。”康龙介绍。此外，目前动力电池相关回收流通法规尚不完善，无法保障回收渠道的畅通。“车主找不到或者不确定回收点是否正规，一些传统的4S店等渠道回收的动力电池，最后也流入了小作坊。”中关村新型电池技术创新联盟秘书长于清教在接受采访时透露，因小作坊打着“高价回收”“上门回收”的旗号，相较于回收点覆盖率较低的正规资质回收企业来说，小作坊的市场占有率能达到一半以上，甚至还有回收企业从小作坊手中回购电池。在浙江华友循环科技有限公司总经理鲍伟看来，目前行业最迫切要解决的问题就是打破固有思维，上下游通力合作。“整车企业真正需要想出一个方法来，跟我们这种退役电池处理企业更好地合作，包括需要的数据、应用场景、整个体系的研究，上下游必须打破界限，而不是‘他是他，我是我’。”他认为，合作过程中会产生更多的经济价值，而且可以解决很多安全问题。对于破解当下动力电池梯次利用的诸多难题，有业内人士建议，要进一步完善动力电池梯次利用政策法规，促进产业规模发展，以规模化带来经济优势。同时加强技术研发，开发高效快速的退役电池健康状态识别技术，降低退役电池诊断成本。主机厂方面，在电池设计环节就要考虑到未来的梯次利用，在模组成组方式、内外部结构等方面预留梯次利用空间。
来源：每日经济新闻
未来五年固态电池将快速发展，中国方案至关重要
电池成为新能源汽车企业获得市场优势的关键。在众多电池技术的研发中，固态电池尤其受到全球范围的广泛关注。丰田、宝马、大众、三星等巨头企业都投入了大量资金用于固态电池研究，以期早日获得突破。丰田更是计划在2021年东京奥运会上推出其搭载固态电池的纯电动示范车。当前，固态电池技术研发已经被推上了潮头浪尖。目前全球共有53家企业在布局研发固态电池，预计到2025年开始小批量进入市场，将成为电动汽车取代燃油汽车的制胜利器。在市场需求方面，据预测，到2030年，全球固态电池需求有望达到500GWh，按照专家保守估计，将形成三千亿元以上的市场规模。根据国务院办公厅2020年印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，国家计划到2025年把新能源汽车的销量推高到占据新车总销量的20%左右，并在“新能源汽车核心技术攻关工程”中明确要求“加快固态动力电池技术研发及产业化”。一、 固态电池相较于锂电池具备优势固态电池是一种新兴技术。固态电池和传统锂电池最显著的区别在于电池内部的电解质的物理形态。目前在新能源汽车上最广泛使用的三元锂电池，一般由正极、隔膜、负极，再灌入电解液制造而成。下一代电源的固体电解质层，可以替代当前锂离子电池中的易燃液体溶液，实现更密集地存储能量。电解质还可以兼作电池的隔膜，这是锂离子电池的关键组件，可以减少火灾危险和所需原材料的数量。数据原型表明，与相同重量和体积的锂离子电池相比，固态电池可以存储多达80%的能量。具有较高能量密度的锂金属可以代替石墨，从而有助于减少电池的重量和体积。图1 锂电池和固态电池工作原理的区别 来源：赛迪智库整理，2021.6.7固态电池具备诸多优势，能够有效解决新能源汽车的环保和安全问题。一是固态电池大幅减少原材料的使用，其中铜和铝的使用将大比例下降，石墨和钴可以完全从原材料中剔除。二是固态电池更轻巧，可以像砌砖一样堆叠在墙上，使它们更容易安装到不同的汽车设计中。三是固态电池的里程数可大幅增加，由于其可在10分钟左右充满电，并具有更高的能量密度，因此与锂电池相比，可以提供两倍或更多的行程。此外，回收固态电池是一个更简单，更安全的过程。锂电池的原材料价格不断上涨。对于汽车制造商来说，另一个问题是，随着电池成为众多技术的关键组成部分，对原材料的需求也在增加。截至目前，镍、石墨、锂、钴和铜的价格进一步上涨。平均而言，电动乘用车的电池需要约20kg的镍（特斯拉Model 3需要30kg），阴极中需要多达20kg的钴，再加上约60kg的锂化合物。2020年，特斯拉占了欧洲电动汽车行业所用镍总量的一半以上，而提高镍的产量是非常困难的。由于各种原因，锂的供应也受到限制，建设新的锂矿开采设施可能需要长达10年的时间。高盛预测，基础材料价格长达数十年的上升趋势才刚刚开始，这将加速电动汽车电池材料和基础技术的替代。图2 关键电动汽车原材料需求将超过供应 来源：赛迪智库整理，2021.6.7锂电池在安全性和成本方面存在缺陷。传统锂电池中高度易燃的液态溶液不仅易燃，还回收困难，转售贬值严重。另一方面，在不增加电池组成本的情况下，对安全性和能量密度的改进，每辆车的成本约为12000美元，已经达到了技术极限，这意味着使用锂离子电池的长续航汽车价格有一个内部底线。比如入门级的特斯拉Model 3的起价为37990美元，现代IONIQ为33245美元。除了昂贵和不稳定之外，电池还很笨重，特斯拉Model S的电池重量超过540公斤，它们的存在大大压缩了腿部空间，并限制了其他设计。这种额外的重量使电动汽车比汽油车重得多，因此它们需要更多的动力来覆盖相同里程，特别是在寒冷的天气。二、 固态电池发展面临的挑战固态电池核心技术难点在于电解质。电解质是锂离子传输的重要媒介，对电池性能至关重要。根据电解质的不同，目前科学界又将固态电池按电解质分为三种类型：一是已实现商业化应用案例的PEO类聚合物固体电解质路线，以欧美发展路径为代表，包括加拿大、法国等。二是无机固体电解质材料，主要包括硫化物和氧化物，硫化物以亚洲国家的丰田和三星为代表。三是有机（聚合物）与无机复合的固体电解质路线。基于不同技术体系的固态电解质材料，存在各自的缺陷或短板。电解质从“液态”转向“固态”充满挑战。在固态电解质选择、电芯设计上需要不断解决循环过程中固相界面接触及体积膨胀问题。其中，氧化物材料的柔韧性比较差，界面接触较差，会导致界面阻抗增加；聚合物则存在着导电率过低的问题，比现在液态电解质的导电率低4-5个数量级；硫化物固态电池则面临电解质对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、规模化生产技术不成熟等问题。为了兼顾高能量密度、高安全、长寿命等综合性能，固态电池需要匹配高比能的正负极材料，如高镍三元正极、硅碳负极、金属锂负极等。这些高比能正负极材料的引入也为研制固态电池带来了一系列挑战，仍需要反复实验和比较，提出综合优化的解决方案。自动驾驶的算法追责更加复杂。在自动驾驶车辆发生事故时，如何鉴定事故原因成为关键因素。在2018年发生的Uber自动驾驶汽车测试导致行人死亡的事故，由法庭认定为车上安全驾驶员担责，而没有对自动驾驶算法的研发企业进行追责。这正是L3级别自动驾驶车辆所陷入的两难境地，一方面允许车辆自行判断路况，另一方面在事故发生时却由驾驶员担责。因此，在针对有条件自动驾驶车辆的保险，无论是驾驶员还是车辆生产商或辅助系统制造商承担主要事故责任，都会极大阻碍自动驾驶技术发展。固态电池批量制造仍存在阻碍。虽然固态电池的原型已经开发成功，但电动汽车要实现长续航需要的电芯数量至少是迄今为止在实验室测试的20倍。目前每块电池的制造成本约为10万美元，这意味着工厂将很难批量制造。从实验室到工厂的研制过程能否加快，在生产线上能否生产出标准的固态电池，性能是否达到人们的期望，是否具备在车用领域商业化应用，这些都是极为关键的标准。尽管有高能量密度、高安全性的突出优势，但就目前业界的研发进展来看，现阶段固态电池在材料成本、加工成本、量产能力等方面都或多或少存在着短时间无法突破的短板。固态电池在抢占市场占有率方面存在劣势。目前固态电池能量密度的提高还处于试验阶段，远远达不到商用要求，从研制周期来看，短时间内要完全实现从液态锂离子电池到全固态电池的跨越是比较困难的。而以三元和磷酸铁锂材料体系为主的液态锂电池能量密度已经做到250Wh/kg以上（指已量产可商用），甚至已有触及300Wh/kg高点的产品已进入实质化的应用测试阶段。如搭载这种锂电池的汽车投入使用，电动汽车的续航焦虑定将得到较大缓解，那么姗姗来迟的固态电池想要抢占新能源汽车动力制高点就失去了先机。三、 国外固态电池的发展进程丰田汽车是日本推动固态电池技术研发的骨干力量。丰田在2019年初宣布与松下合作将固态电池从试制向产业转化。本田、三菱、日产等其他大企业也纷纷加速布局固态电池行业，争取早日实现量产。丰田汽车在固态电池技术研发上获得专利已超过两百项，居全球首位。不仅自己研发，丰田还联合电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等10余家科研院所共同研发新能源汽车用全固态锂电池，并预计将于2025年左右实现商业化。日本正在举全国之力研发固态电池，每年政府投入的经费在50亿-100亿日元（约合人民币3.11亿-6.22亿元）。丰田表示，已经按照计划成功制造出固态电池的样品，且安装到概念车上，希望成为全球首家量产搭载固态电池汽车的厂商，计划于2021年推出原型车，2025年左右开始量产。美国新兴固态电池企业Quantum Scape（简称QS）从根本上解决了阻碍固态电池商业化的基础难题。该企业花费5年时间研究固态电池电解质材料体系，宣称已经攻克技术障碍并已经生产出产品。QS今年1月宣称其固态电池产品能量密度超过1000Wh/L，完成近1100次的循环测试，仍可保持80%以上的容量。但是，QS把实用产品推向市场还要走过漫长道路。QS计划与德国大众合作，于2024年建立1GWh试生产线，通过在大众高端车型上搭载，实现其锂金属固态电池的商业化量产。韩国三星利用其强大的财团背景对全球范围内固态电池技术相关项目或公司进行了较大规模的投资、参股或技术跟踪。2018年，三星SDI与LG化学、SK创新成立了联合基金，共同开发包括固态电池的下一代电池核心技术。现代没有参加以上的三家联盟，而是选择自主开发、与高校合作和外部投资的方式进入固态电池的产业链。在专利方面，韩国分布相对比较集中，以硫化物电解质方面专利为主，三星SDI、LG和现代占比50%以上。2020年12月，LG新能源正式从LG化学拆分成立，该公司计划到2021年末前，将电池年产量从2020年的120GWh增加到156GWh，提高30%。LG公司计划在2025年年底实现锂硫电池商业化，并在2025年至2027年间实现全固态电池商业化。四、 如何推进中国固态电池的市场化刻苦攻关，抢占固态电池领域的制高点。只有掌握技术主动权和规则制定的发言权，才能够彻底摆脱昔日在科技发展上处处受制于人的被动局面。纵观全球固态电池的发展格局，中国科研机构和相关企业拥有赶上并超越世界一流技术水平的绝佳机会。但是对比日本，我们还需要大力改进工作方式和加大工作力度。从2018年开始，日本政府联合日本38家机构、日本电池制造商及本田、日产和丰田三大主要汽车制造商研发固态锂离子电池。同时，日本政府启动了多个项目，与优势企业携手致力于固态电池实用化。中国最大的问题不仅是企业投入不够，社会资本把握时机和精准度不够，特别是基础性创新缺乏。基础研究的机构更倾向于出新成果，往往不太关心市场的需求，与企业的合作不够密切，产、学、研链条不能打通，没有承担起国家赋予的公共技术基础研究的重任。因此，中国应从以下四个方面着手抢占固态电池高地。政策引导方面。国家应分类下达重点研发计划、地方政府重点科技项目、产学研合作项目等。分别针对电动汽车、智能电网、国家安全等领域应用需求，针对不同类型的正负极材料、不同性能的固态锂电池，布局有关基础研究、关键技术攻关，以及产业化培育项目。产业化方面。为了加快开发固态锂电池，应在关键原材料、电芯制造、装备制造、电源管理、电池模块、系统应用、诊断测试等产业链各个环节进行布局，对其中的关键工程技术问题组织力量集中攻关。技术支撑方面。应尽快建设高水平的国家级研发诊断测试平台，提升中国固态锂电池的技术保障能力，通过对优势科研团队的集中支持，迅速提升核心团队在世界学术界、专业领域的影响力。商用策略上。采纳固液混合态的路线，从加快商用视角来看，固态电池虽具备广阔的前景，必将成为未来的主流电池，但从当下情况来看，技术水平和成本问题都制约了其大规模商用化，液态电池依然占据大部分市场。为争取发展空间，就必须走双管齐下路线。最后，成本问题是固态电池技术商业化的最大挑战，从本质上讲，续航里程与使用成本（整车与更换电池成本）目前仍是电动车的薄弱环节，任何新技术的成功都必须同时解决这两大问题。再核对一下时间表：2030年前碳达峰、2060年前碳中和。2025或2030年，世界主力新能源车企搭载全固态电池商用化。可以预见，未来的4-5年内车用固态电池技术将迎来突破性进展和快速发展期，新能源汽车动力大变局即将到来。
来源：澎湃新闻
