欧盟新兴电池技术研发规划要点解析

近期，欧洲电池技术与创新平台“电池欧洲”（Batteries Europe）发布《2025年欧洲电池研发创新路线图》，在2023年版本基础上进行更新，其中针对7种新兴电池技术以及性能表征、仿生技术、材料发现与模拟、电池设计和制造等5项共性技术，明确了到2029年、2035年和2040年3个节点的研发重点。同时，Batteries Europe还更新了2024年《电池战略研究和创新议程》设定的2035年电池技术研发关键性能指标。

一、新兴电池技术

1、下一代液流电池

氧化还原液流电池涵盖多种化学体系和技术，2023年路线图确定的挑战仍然存在，包括：①开发先进材料、高效膜以及固态增强剂等颠覆性概念；②运行计算工具并验证经济高效的系统，探索双应用化学体系。新版路线图强调需解决以下问题：

短期（2029年）：为低成熟度技术设计新型活性材料和先进组件（如低成本无机材料、新型有机化合物和有机金属化合物），开发针对特定化学成分优化的电极和低成本催化剂以提高功率性能。

中期（2035年）：开发稳健的生产工艺，以支持可持续电池组件和系统的商业化。

欧盟明确了到2035年钒液流电池的关键性能指标（表1）。

表1 到2035年钒液流电池研发关键性能指标

2、高性能、安全可靠的金属-空气电池

金属-空气电池采用轻量化设计，具有高能量密度，2023年路线图重点提出解决可充电性、副反应和电解质稳定性问题，新版路线图进一步拓展为：

短期（2029年）：①开发低成本催化剂（如Mn(II)O/氮掺杂碳材料、单原子催化剂、高熵材料等）；②设计固态或准固态金属-空气电池，以解决稳定性、氧气交叉渗透、枝晶生长及副反应等问题；③开发3D打印电极，以提高能量密度与耐久性；④为电网集成与消费电子产品构建可扩展设计方案；⑤优化锌-空气电池系统，用于电网和紧凑型应用场景。

中期（2035年）：①通过优化系统设计，提升功率密度与循环寿命；②将应用拓展至可穿戴设备、医疗器械与电子产品等领域。

欧盟明确了到2035年锌-空气电池的关键性能指标（表2）。

表2 到2035年锌-空气电池研发关键性能指标

3、具有更高能量密度的金属-硫电池

金属-硫电池采用硫基正极和金属负极（如锂、钠、镁），该技术的局限性包括硫转化动力学缓慢、多硫化物穿梭效应以及循环过程中电解质消耗等问题。2023年路线图提出的所有挑战仍然存在，并新增以下需求：

短期（2029年）：①开发低成本、可持续来源的硫基载体材料和电催化剂纳米颗粒；②开发适用于软包电池中试生产的工艺技术（如锂负极和硫正极处理技术）。

中期（2035年）：①扩大硫基载体材料的合成规模，理想情况下采用低成本、可持续且在欧洲储量丰富的前驱体；②开发专门针对金属-硫电池的复合聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。

欧盟明确了到2035年锂-硫电池的关键性能指标（表3）。

表3 到2035年锂-硫电池研发关键性能指标

4、下一代水系电池

水系电池采用无毒、不可燃的电解质及储量丰富、成本低廉的材料，锌离子和钠离子化学体系表现出了良好的前景，其他类型的水性电池也正被研究。面临的挑战包括电解质电压窗口有限以及电极溶解等问题，最关键的研发需求是建立能在电解质中保持充分稳定的材料体系，从而避免副反应的发生。还需解决以下问题：

短期（2029年）：①研究浓度和pH值的影响，开发新型凝胶电解质和分区专用电解质，以拓宽电压窗口并降低电极溶解度，同时研发更廉价、可回收的电解质盐；②通过涂层技术提高电解质稳定性，防止电极溶解；③研究可回收电池组件，包括电解质的回收利用。

中期（2035年）：①设计电池结构以规避材料稳定性问题，包括紧凑型系统和排气型系统的不同设计方案；②开发针对电池组件（包括电解液）的回收工艺。

欧盟明确了到2035年金属离子水系电池的关键性能指标（表4）。

表4 到2035年金属离子水系电池研发关键性能指标

5、零过量锂/钠电池

零过量锂/钠电池采用金属负极和放电状态下的正极活性材料，其无需额外金属储层，可实现无负极配置。这种创新方法有可能实现比传统电池更高的能量密度，同时大幅降低制造成本，并减少关键原材料的使用，能够降低环境影响。但其开发面临诸多挑战，如在运行过程中减少金属损失、确保界面稳定性以及扩大制造规模等。尽管已取得显著进展（如加深了对锂成核/生长过程及界面效应的认知），仍需解决以下挑战：

短期（2029年）：①开发厚度小于20微米的轻质、可持续亲锂/钠集流体，以确保在中到高电流密度（大于1毫安/平方厘米）和较高循环深度（大于3毫安时/平方厘米）下实现锂的均匀沉积与剥离过程；②提出并评估界面与涂层解决方案，用于原位或非原位构建稳定的固态电解质界面（SEI膜），以提升可逆性并减少锂腐蚀，并通过高通量实验手段加速合适方案的发现；③提升电解液循环效率，减少锂损耗，防止电池阻抗升高。

中期（2035年）：①通过人工智能技术与基于物理的建模方法（如温度、压力等），优化电池设计、成型/激活过程和运行条件，从而实现电池组件在循环寿命和高比能方面的目标；②循环寿命超过1000次，并具备更高安全性、低压运行能力和高能量密度；③成本降至每千瓦时75欧元以下，并确保所有材料符合《欧盟电池法规》、具备可回收性；④进行安全性基准测试，并验证具备至少1安时容量的电池设计，以满足监管合规性要求。

6、多价非水系电池

基于多价金属（镁、钙、铝、锌）的可充电电池，相比锂电池具有更高能量密度、更丰富的资源储备、更安全的不可燃电解质。然而，材料、电极和电池开发方面的重大挑战限制了其实际应用，如负极钝化、有限的循环寿命以及某些使用单价电荷载体的化学体系中能量密度降低。此外，电极和电池制造技术的规模化工艺仍处于早期阶段。除2023年路线图中已确定的金属负极钝化策略和电解质开发外，还需考虑以下方面：

短期（2029年）：①开发新型液态电解质，重点关注成本、安全性、离子电导率、迁移数以及温度稳定性；②为缓解当前电解质的腐蚀性，需要开发稳定且成本效益高的惰性材料（如集流体、隔膜、电池外壳等）；③探索有机正极活性材料，作为解决多价离子迁移速率慢问题的潜在方案。

中期（2035年）：①推进多价电池用固态电解质的研发，目前仍处于早期阶段，目标是提升性能和可靠性；②通过发现新型活性材料、优化电极配方和粘结剂，以及深入研究电荷嵌入/脱嵌机制，促进正极研发，以提升反应动力学和整体性能，使其具备与现有锂离子电池技术的竞争力；③探索基于硫的正极材料，其在低成本下可实现最高容量，并可与不同金属-硫电池体系协同应用；④开发电池制造工艺、新型回收方法及可回收设计，解决电池可制造性和可回收性问题。

7、混合超级电容-电池

混合超级电容-电池旨在结合电池的高能量密度与超级电容器的超高功率特性。除2023年路线图已确定的需求外（如高性能氧化还原活性电解质开发、新一代高能量/高功率材料等），需解决以下问题：

短期（2029年）：①支持高电压和宽温域运行；②开发先进集流体，提高导电性、降低接触电阻，包括采用激光刻蚀等方法提升热传导性、机械稳定性和降低电池重量，并确保与规模化工业制造流程兼容；③开发适用于量产系统的新型低成本预金属化策略，优先考虑空气稳定性和溶液可处理性，以实现无缝集成与规模化制造兼容。

中期（2035年）：实施可持续的制造与回收工艺，例如采用干法或水系工艺以应对高负载碳基电极的加工，同时淘汰含氟粘结剂和有毒溶剂的使用。

二、共性技术

1、多模态表征

多模态表征技术通过整合先进的多技术联用、多尺度及原位表征方法，在分析和优化电池材料方面发挥关键作用，可提供前所未有的研究视角。需解决以下问题：

短期（2029年）：①制定标准化的多模态表征操作协议，确保各种技术间的可重复性与相关性分析；②建立欧洲电池中心作为协作平台，推动实验计划和集中数据共享；③改进多技术、多尺度和原位表征方法，实现电池材料和界面实时分析；④创建开放获取的数据平台与分析工具，促进学术界与工业界实验成果的整合应用；⑤优化表征技术，提升对材料与界面的理解。

中期（2035年）：①将先进表征方法的研究成果转化为面向市场的电池技术，加快多模态表征成果的产业化应用；②扩展欧洲电池中心以支持大规模工业研发，提供便捷的途径以利用最先进基础设施和专家网络资源。

2、仿生技术

基于2023年路线图确定的优先事项，仿生材料与生物基材料在电池设计中展现出颠覆性潜力，可替代传统的非活性组件（如隔膜、粘结剂、集流体、外壳及极耳）。需解决以下问题：

短期（2029年）：①探索将具有自修复功能的仿生与生物基材料应用于高性能电池单元；②设计集成微胶囊“药剂”的智能隔膜、粘结剂与集流体，用于延长电池寿命；③验证在电池中嵌入智能功能（如自修复等）在提升性能与延长寿命方面的优势。

中期（2035年）：①针对多种电池体系，结合“战略能源技术规划”（SET-Plan）中的目标，聚焦关键退化机制，开展针对性研发；②确保相关技术可适配电池单元的大规模量产流程，并与后续回收工艺兼容；③全面评估电池全生命周期内的质量、可靠性与寿命；④展示该技术在替代路径（如电池更换、回收或梯次利用）等方面的竞争优势。

3、材料发现与多尺度建模技术

除2023年路线图强调的数据基础设施建设、增强型机器学习模型和多尺度建模外，还需开展以下工作：

短期（2029年）：①将多尺度建模与自动化实验室结合，发展高性能材料加速平台；②构建“可制造性导向设计”模型和概念，确保材料设计从使用初期就考虑其整个生命周期；③扩展数据框架，实现多源、多保真数据的无缝集成，以支持模型的可扩展性和精度。

中期（2035年）：①将实验室级材料加速平台扩展到工业规模，确保预测模型与真实制造条件保持一致；②开发物理模型与人工智能相结合的建模方法，以提升电池性能、可持续性和可回收性。

4、可持续电池设计

该方向聚焦于“可制造性导向设计”和“循环性导向设计”，确保新技术具有可持续性与循环利用潜力，包括优先使用非关键原材料（如钠、钾、钙、镁、锌、铝），解决供应链限制问题。需解决以下问题：

短期（2029年）：①开发采用非关键原材料的可持续电极与材料；②建立面向低技术成熟度材料体系的前瞻性可持续评估框架，充分考虑数据高度不确定性和信息有限性的挑战，并推动数据格式与传输协议的标准化，以促进数据的广泛共享与利用；③在材料开发过程中，集成有潜力工艺方法的测试，识别并解决可能的问题，以实现可制造性导向设计。

中期（2035年）：①推进循环利用策略，包括可重复使用与可溶解材料，以契合循环经济目标；②扩展制造与可持续性流程，确保新兴电池技术能够大规模应用。

5、颠覆性制造工艺

当前电池制造工艺（尤其是锂离子电池）面临能耗高、生产周期长、资本支出/运营成本高昂等挑战。下一代电池还需全新的制造工艺：

短期（2029年）：①开发新型制造工艺，以生产高性能电极，同时降低能耗、占地空间、时间与成本；②针对下一代电池（如梯度电极等），研发专用的制造工艺。

中期（2035年）：①利用机器人、人工智能与数字孪生技术实现制造过程的自动化控制与效率优化；②将这些技术从实验室阶段扩大至中试乃至规模化生产，借助先进建模方法优化工艺，实现从中试到全面商业化的转化。