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欧洲电池技术创新平台发布2030战略研究议程

编译者:guokm发布时间:Apr 25, 2021点击量:469 来源栏目:采集报告

2020年12月15日,欧洲电池技术创新平台“电池欧洲”(ETIP Batteries Europe)发布《电池战略研究议程》,明确了到2030年欧洲电池技术研究和创新优先事项。ETIP Batteries Europe由欧盟委员会在“战略能源技术规划”(SET-Plan)框架下于2019年创建,汇集了工业界、学术界和行业协会的代表,旨在推进电池价值链相关研究和创新行动的实施,加速建立具有全球竞争力的欧洲电池产业。该议程从电池应用、电池制造与材料、原材料循环经济、欧洲电池竞争优势四方面提出了未来十年的研究主题及应达到的关键绩效指标,关键内容如下:

一、电池应用

1、交通应用

未来十年该领域将主要进行如下主题研究:①电池系统,包括电池单元和系统设计及相关制造工艺,需考虑机械、电气和热等方面;②电池管理,基于知识和数据的电池管理研究,考虑算法、软件和硬件,包括传感器集成、标准化、与车辆内/外系统的互操作性以及车辆到电网技术相关研究;③用于电池设计、制造和管理的数字孪生技术;④开发评估电池性能和安全性的新方法和工具,包括结合物理和虚拟测试的方法。

2、固定式储能

未来十年该领域将主要进行如下主题研究:

(1)通过创新的技术和组件降低固定式储能电池的成本,改进循环寿命,以确保最佳性能。该主题研究将改进电池能量密度、功率密度、循环和周期寿命、放电深度、充放电倍率等,并降低资本支出、运营支出等,还将进行再利用和再循环设计。关键绩效指标:固定式储能电池的完全等效循环寿命增至15000个循环或30年;充放电倍率达到8C/8C;自放电率达到0.1%荷电状态/月;放电持续时间超过10小时。预算:5000万欧元。

(2)提高固定式储能系统安全性的技术、方法和工具。该主题研究将解决固定式储能电池系统尺寸和安装相关的安全性问题,如通过组件和系统设计来增强安全性,或通过先进建模进行运行监控以实现故障主动预防和预测。关键绩效指标:安全相关的系统维护和运行的运营成本下降20%;故障报告减少90%;建立一套监管框架和技术标准。预算:5000万欧元。

(3)开放式和可互操作的先进电池管理系统。该主题研究将开发可开放访问的电池管理系统,并对数据和格式进行标准化,有助于对电池寿命进行可靠预测并评估第二生命周期,同时将通过可互操作的先进电池管理系统促进系统的集成。关键绩效指标:循环寿命大于15000次;促进对电池的大规模部署,增加电池的再利用;成本降低30%。预算:3000万欧元。

(4)互操作性、数字孪生和多服务模式。该主题研究将通过增强互操作性降低电池成本,更有效地实现机对机协作,通过数字孪生进行仿真模拟以将电池储能系统和混合储能系统纳入电网规划中,以及开发储能系统的多种服务。关键绩效指标:到2024年互操作性达到3级;到2030年平准化储能成本(深度放电循环下)低于0.01欧元/千瓦时/循环。预算:5000万欧元。

(5)电动汽车电池可持续性以及二次应用于固定式储能。该主题将解决电池二次再利用的耐久性、性能以及老化带来的安全风险,示范有效的商业模式,开发低成本的技术和生态设计用于电池拆卸和调整。关键绩效指标:到2030年可二次使用的电池占比达到20%;所有类型电池的回收效率均得到提高。预算:5000万欧元。

(6)中长期储能。该主题将开发经济高效的系统和技术,用于中期(大于5小时)至长期(几星期至几个月)储能,以实现备用电源、市场套利和可再生能源电力的转移。关键绩效指标:中期储能自放电率低于2%/月;长期储能自放电率低于0.5%/月;循环寿命大于15000次;到2030年平准化储能成本低于0.01欧元/千瓦时/循环。预算:6000万欧元。

二、电池制造与材料

1、电池制造

未来十年该领域将主要进行如下主题研究:

(1)创新电池单元组件的设计及制造工艺研究。该主题将通过改进电池设计和配置,在电池单元中应用可改善性能的新型先进材料和组件,同时在电池设计阶段考虑增强安全性和可回收性。关键绩效指标:电池能量密度和安全性提高40%;通过在电池单元中减少使用非活性材料,使每千瓦时的碳强度降低25%;与当前锂电池生产相比,电池生产成本至少降低20%。预算:9000万欧元。

(2)电池单元设计的数字化。该主题将数字化技术用于开发先进多尺度模型、电化学以及老化机理研究,以缩短电池开发设计时间和成本,并减少对环境的影响。关键绩效指标:电池单元开发成本至少下降20%;实验次数减少1/5至1/3。预算:5000万欧元。

(3)制造设备和工艺创新。该主题将改进制造能力,降低材料损耗,提高能效和产品一致性,还将开发适用于新型电池(如固态电池)的新工艺以及循环和数字化概念。关键绩效指标:与当前锂离子电池最先进生产水平相比,电池生产率提高10%-15%,电池单元整体生产效率提高90%以上;通过改造将设备资本投入成本降低8000万欧元/吉瓦时;能耗降低25%。预算:1亿欧元。

(4)工艺集成和工厂数字化运营。该主题将通过数据分析以改进生产线,并进行预防性故障排除。在生产线层面将应用机器学习和人工智能技术,在工厂层面将整合能量流和材料流形成供应生态系统。关键绩效指标:生产率提高10%-15%;与当前锂离子电池生产相比,能耗降低25%。预算:6000万欧元。

2、电池先进材料

未来十年该领域将主要进行如下主题研究:

(1)车用第3代锂离子电池的研究与创新。该主题将开发可实现更高能量密度和功率密度的先进材料,用于更大容量和/或更高电压下运行,将重点关注调整正极和负极材料、更稳定的电解质材料、粘结剂等。关键绩效指标:质量及体积能量密度分别达到350-400瓦时/千克和750-1000瓦时/升;可在4.7伏以上的高电压下运行;在高容量或高电压下可深度循环超过3000次或2000次;电堆成本低于100欧元/千瓦时。计划上市时间及预算:2025年以后,1亿欧元。

(2)车用第4代锂电池的研究与创新。该主题将开发固态电解质以及正负极材料,实现更高的热稳定性和电化学稳定性以及更高能量/功率密度,实现快速充电、可循环性并提高安全性。材料开发范围从传统材料到锂金属基负极和高电压正极材料。关键绩效指标:4a代锂离子电池单元质量能量密度超过400瓦时/千克,体积能量密度超过1000瓦时/升;4b和4c代锂电池单元体积能量密度分别超过800瓦时/升和500瓦时/升;循环寿命达到3000次;充电倍率达到3-5C;电池堆成本降至75欧元/千瓦时以下。计划上市时间及预算:2030年以后,2亿欧元。

(3)固定式储能用锂离子电池的研究与创新。该主题将开发正负极、电解质、粘结剂等材料以确保固定式储能锂离子电池可用于公用事业规模(超过100兆瓦)和商业高功率应用(低于100兆瓦),通过多种材料策略提高公用事业规模应用的导电率、能量密度、寿命以及高功率应用的导电率和容量。关键绩效指标:商业高功率应用中电池体积能量密度超过500瓦时/升,寿命超过6000次循环,充电倍率达到5-6C;公用事业规模应用中电池体积能量密度超过500瓦时/升,寿命超过10000次循环,成本低于0.05欧元/千瓦时/循环。计划上市时间及预算:2030年,1亿欧元。

(4)电动汽车轻质先进材料的研究与创新。该主题将开发基于玻璃纤维、碳纤维、新型塑料、高强度钢材的新型轻质材料,并示范材料用于汽车结构和功能部件的高强度重量比性能。关键绩效指标:电动汽车车身重量减轻40%;电池包重量减轻70%;轻质材料占电动汽车材料的65%;传动系统成本降低30%,耐久性提高30%;行驶里程达到700公里;可回收性达到99%。计划上市时间及预算:2025年后,0.5亿欧元。

(5)实现超快充电的先进材料研究与创新。该主题将开发各种材料体系,实现用户友好、安全可靠、功率传输能力超过350千瓦的超快速充电站。关键绩效指标:充电时间低于10分钟;功率传输能力超过350千瓦;充电过程中欧姆电阻导致的能量损失低于2%。计划上市时间及预算:2025年后,0.5亿欧元。

三、原材料循环经济

1、电池一次及二次原材料的可持续加工

到2030年关键绩效指标:电池原材料加工中无液体排放;石墨、电池化学和正极活性材料前驱体加工能效比当前最先进水平提升25%;锂提取及加工过程碳排放比当前最先进水平降低50%;欧洲电池制造商的原料中,25%的碳酸锂当量由欧洲自身供应。

未来十年该领域将主要进行如下主题研究:

(1)原材料来源、可持续性和可追溯性。该主题将开发协调和直接的方式从全球供应链中获得原材料。短期(2021-2025年)优先事项:开发评估成员国原材料资源/储量的通用方法;确定从欧盟以外地区获取原材料的可持续性要求;全球供应链的可靠采购和可追溯性;开发和评估跟踪和标记技术、数字账本技术。中期(2026-2030年)优先事项:在整个生命周期内对材料进行跟踪和标记。

(2)电池原料的可持续提取和精炼。该主题将开发锂、镍、钴、锰和石墨的加工方案,用于国内和进口原料。短期(2021-2025年)优先事项:可持续锂价值链解决方案;开发正极活性材料前驱体可持续加工工艺,替代当前工艺;电池化学和正极活性材料前驱体加工中无液体排放;用于电池金属浸出和提取的新型可回收试剂;将欧洲的石墨生产整合到电池生产中;开发协同加工和工艺集成的新业务模式;开发新型冶炼和矿渣工程技术,以解决冶炼过程中镍和钴的损失;将加工流程建模与针对单个主要流程的环境影响评估相结合。中期(2026-2030年)优先事项:从工业或城市废物等新来源中回收金属和化学品;开发经济可行的锰回收工艺;合成石墨生产中石油基原料的替代;开发二次产品回收的通用流程;在电池原料加工装置和/或矿山中替代化石燃料并使用智能和/或可再生能源解决方案;开发新的硅生产方法;使用多孔硅等新型策略/材料制造富硅负极(负极密度超过1200毫安时/克)。

(3)原材料生命周期评估和材料流分析。该主题将通过新型、整体的电池循环定量工具,增强环境可持续性。短期(2021-2025年)优先事项:原材料生命周期数据的开放存取;电池生态标签;在早期设计过程中进行生命周期评估;原材料流分析;可靠的原材料(包括化学品和前驱体)生命周期信息;可靠的回收材料生命周期信息数据;全面可持续性评估;评估一次材料和二次材料的能耗、成本及其他影响。中期(2026-2030年)优先事项:采矿的区域生命周期评估、生命周期数据和下一代电池生命周期评估;社会生命周期评估方法在电池价值链中的开发和应用,尤其是原材料相关研究。

2、回收

关键绩效指标:①电池回收,到2025年便携式电池回收率达到55%,2030年达到65%,工业和车用电池回收率达到100%;②电池材料回收,到2030年电池材料回收率超过60%,锂离子电池材料回收率钴>95%、镍>95%、锂>70%、铜>95%。

未来十年该领域将主要进行如下主题研究:

(1)电池收集、反向物流、分选和拆解。该主题将开发综合性技术,以安全有效地处理不断增多的废弃电池,最终进入回收流程。短期(2021-2025年)优先事项:研发电池健康评估新技术和新设备;研发产品二次利用和废物回收的标准化诊断协议和界限标准;开发标准化、经济高效的储存和运输容器,配备可视和热负荷监测系统,必要时还配备惰性气体;研发配备能量回收系统的放电技术和装置;开发标准化电池标签系统并探索与电池信息数据库集成;研发自动化电池分选和拆解技术。中期(2026-2030年)优先事项:可持续循环利用设计;模块化自动拆解技术;电池拆卸全过程的风险和安全性研究;特殊材料的分选;装配方法。

(2)冶金回收工艺、工业集成和基于二次材料的前驱体。该主题将对电池进行有效加工,以尽可能低的环境足迹和成本回收有价值(或有害)的原材料。短期(2021-2025年)优先事项:目前正大规模生产的锂离子电池和镍氢电池的回收;建立可行的整体回收流程,以有效利用在未来10年内报废的大量汽车电池废料以及生产废料;电解液、隔膜和电极粘结剂等非金属元素的下游循环或安全处理;进一步开发冶金工具和建模,以对替代技术方案进行技术经济性比较;制定所有回收工艺装置的安全规程;减少回收过程对环境的影响;实现工业闭环,将制造过程的低价值化学品投入电池制造中。中期(2026-2030年)优先事项:开发集中、集成和自动化闭环过程;作为替代方案,开发用于电池废料灵活处理的分散式(本地或移动式)冶金处理装置,以最大限度地减少运输过程;探索直接回收电池材料和组件的方法;探索包含非金属元素回收的电池全材料回收技术;新工艺概念的试点。

四、欧洲电池竞争优势

该领域旨在基于对电池价值链的深入研究,实现新概念前沿电池技术开发的飞跃,以研发低成本、可持续和安全的高性能电池,使欧洲在电池生产和部署方面处于领先地位。因此,未来十年将需要对如下电池技术主题进行研发:

(1)对技术成熟度(TRL)超过2级的电池技术进行改进。主要包括:①超越第4代电池的锂金属电池(TRL为2-4级),采用创新的高电压(大于4.8伏)/高容量(大于500毫安/克)正极和固态电解质,实现较高能量密度和完全可回收性;②锌基二次电池(TRL为2-6级),实现更绿色、安全的储能;③使用低成本电解液的钠离子电池(TRL为2-3级),用于无锂储能;④更绿色的液流电池(TRL为3-6级),使用低成本活性材料(无关键原材料),具备更高能量密度。

(2)对技术成熟度1-2级的电池概念进行基础研究,以开发使用高可用性金属的新型电池。主要包括:①有机电池(TRL为1-3级),包括液流电池;②从钠开始到多价离子金属(除锌以外)的金属电池(TRL为1级);③基于阴离子穿梭的电池(TRL为1级);④基于活性金属如钠、钾、铝、锌等的高功率一次再生电池(TRL为1-2级),用于季节/年度级的电化学储能。

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