歐盟電池領域科技戰略和科技計劃及其啟示

史冬梅，王 晶，邱 俊

（科學技術部高技術研究發展中心，北京 100044）

歐盟在2019 年發布的《歐洲綠色協議》中提出了到2050 年成為全球首個碳中和經濟體的雄偉目標，并將全面實施歐洲能源聯盟戰略。高性能電池被認為是其能源轉型和提升歐洲競爭力的關鍵技術。針對在電池領域歐洲落后于亞洲、供應鏈依賴中國等的局面，近年來歐盟委員會推出系列舉措，奮起直追：一方面迅速恢復技術競爭力，在快速增長的電池市場占據重要份額；另一方面在未來對電池技術研究進行長期投資，2030 年建立世界領先的歐洲電池價值鏈和技術創新生態系統，實現具有國際市場競爭優勢的目標。這將對我國電池領域發展帶來影響和挑戰。

1 設立創新組織機構和制定法規

1.1 成立歐洲電池聯盟

2017 年年底,歐盟委員會副主席馬洛什·舍夫科維奇推動成立歐洲電池聯盟（以下簡稱“聯盟”），旨在歐洲創建一個以可持續電池為核心的具有競爭力的制造業價值鏈，以及歐洲電池生態系統［1］。聯盟成立之初，歐洲幾乎沒有大規模的電池制造業，其電池制造只占世界電池市場份額的 3%左右。聯盟的目標是在2025 年實現與需求相匹配的歐盟電池產能，并占領2 500 億歐元/年的市場［1］。為確保歐洲電池的自主性，聯盟支持近70 個工業項目，總計投資近200 億歐元，目前項目進展順利，許多電池投資的進度提前，預期產能也得到提高，預計到2025 年將為歐洲創造多達400 萬個就業機會［2］。為了推動歐洲電池價值鏈目標的實現，聯盟在2021 年3 月召開五次部長級會議并公布了未來幾年歐洲建立創新、可持續和具全球競爭力的電池價值鏈等優先事項和行動措施［2］，如爭取2022 年正式出臺《新電池法規》；加強本地原材料的采購和加工以及關鍵零部件的制造，啟動可持續原材料開采圓桌會議、發布指導原材料領域工業行動的歐盟原則；通過技能再培訓計劃、構建電池生態系統技能平臺等措施,解決電池領域約80 萬名熟練技工急缺的問題。

在當前的歐洲電池生態系統中，歐盟將歐洲先進的研發創新能力、資金實力和跨行業的方法結合起來，如圖1 所示。通過建設創新平臺和制定監管框架，歐洲電池聯盟加強對關鍵項目的投入，在歐洲電池價值鏈的上游有重大發展，包括成立合資企業Aurora，在葡萄牙開發歐洲最大、可持續的鋰轉換工廠；推動大眾汽車、雷諾、Vulcan Energy Resources 等企業在陰極材料和鋰離子電池供應商達成合作。

圖1 歐洲電池聯盟下的歐洲電池生態系統

1.2 “電池歐洲”技術創新平臺

2019 年歐盟委員會在“戰略能源技術規劃”（SET-Plan）框架下，創建歐洲電池技術創新平臺“電池歐洲”（ETIP Batteries Europe），旨在推進電池價值鏈相關研究和創新行動的實施和加速建立具有全球競爭力的歐洲電池產業［3］。該平臺由歐洲能源創新網絡（InnoEnergy）、歐洲能源研究聯盟（EERA）和歐洲儲能協會（EASE）共同牽頭，并匯集了工業界、學術界和行業協會的代表［3］?！半姵貧W洲”由理事會和新興電池技術、原材料與回收、先進材料、組件設計與制造、移動端應用與集成、固定端應用與集成組等6 個工作組構成［4］，如圖2 所示。理事會作為決策機構負責制定發展戰略和目標規劃，工作組研究和確定電池研發和創新所面臨的新挑戰和問題，提供相應的方案和指導，涵蓋整個電池價值鏈的行業和研究代表。其中，新興電池技術組為電池價值鏈建立了一個長期愿景，制定“電池 2030+”計劃和其他合作計劃；原材料與回收組解決原材料供應和回收面臨的問題，于2021 年2 月發布了原材料和回收路線圖；先進材料組致力于先進材料開發，以改進當前電池技術并提高技術就緒度（TRL）；組件設計與制造組專注于當前和未來的電池技術開發制造方法和設計；移動端應用與集成組匯聚電動汽車領域的研究和行業各方，以支持歐洲移動解決方案為目標；固定端應用與集成組制定應對電網集成和電池固定應用的挑戰的解決方案［4］。

圖2 “電池歐洲”技術創新平臺

該平臺旨在確定電池研究和創新的長期愿景，制定戰略研究議程及路線圖，并促進研究和創新團隊的溝通交流進行成果轉化。該平臺匯集了歐盟電池研究與創新的主要利益相關方，涵蓋了采礦、精煉、電池設計和制造、電池數字化和回收等價值鏈所有環節的相關技術。平臺通過建立新的合作模式，確保電池研究和創新進程與電池行業緊密結合，實現從概念到應用的無縫銜接，推進電池價值鏈創新行動的實施，加速建立具有全球競爭力的歐洲電池產業。此外，平臺將審查歐盟戰略能源技術規劃（SET Plan）的電池實施計劃以及戰略交通研究與創新議程（STRIA）的交通電氣化路線圖中的關鍵研究創新領域［5-6］。

1.3 建立新的電池監管框架

2020 年，歐盟委員會發布《電池法規》草案［7］，計劃建立新的電池監管框架，確保歐盟市場上的電池在全產品周期內符合持續、高性能和安全標準，加速歐洲綠色經濟轉型，提升歐洲電池產業競爭力。法規草案還涉及電池在歐盟市場上投放的可持續性、安全性、標簽和信息要求，以及對生產經營者的盡職調查要求和廢電池的報廢處理要求，如圖3 所示。

圖3 基于電池產品全生命周期的歐洲電池監管框架

法規草案中產品要求具體關注以下方面：包括對有害物質(所有電池)的限制、報告、標簽和將由后續立法規定的產品生命周期內最大碳足跡水平(電動汽車和工業電池)，可回收鈷、鉛、鋰和鎳的最低水平(汽車、電動汽車和工業電池)，性能和耐用性(便攜式、電動汽車和工業電池)，可拆卸性和可替換性(便攜式電池)，安全性(固定電池儲能系統)，標簽(所有電池)，健康狀態和預期壽命信息(電動汽車和工業電池)和電池護照(電動汽車和工業電池)。

法規草案還要求將電動汽車和工業電池投放到歐盟市場的經營者，在鈷、天然石墨、鋰和鎳以及在制造電池活性材料所必需的化合物采購方面建立供應鏈盡職調查的政策。其中電池報廢管理要求包括：生產者登記，擴大生產者責任，收集廢電池，有關處理、回收、再利用和再制造的要求，提供報廢信息，以及向主管部門報告。此草案不僅將監管所有歐盟成員國的自產電池，還包括進口電池。

2 制定發展戰略和路線圖

2.1 發布《電池戰略研究議程》

2020 年12 月，“電池歐洲平臺”發布由500 名專家參與制定的《電池戰略研究議程》［8］，明確了到2030 年歐洲電池技術研究和創新優先事項，確定了必須在整個電池價值鏈中解決的關鍵技術主題及強調了其緊迫性。該議程從電池應用、電池制造與材料、原材料循環經濟、競爭優勢等4 個方面提出了未來10 年的研究主題及應達到的關鍵績效指標。該議程既有滿足電池產業短期需求的關鍵技術，又有未來創新的與眾不同的歐洲電池技術；強調從整個電池價值鏈考慮安全性、低成本、可持續性、數字化、技能和教育等方面以及必要行動。該戰略議程是歐盟委員會、歐盟成員國和行業制定研究計劃的行動指南，并強調各方要加強合作和協調，以確保歐洲電池研發生態系統的繁榮。

電池應用方面包括交通應用和固定式儲能兩大領域。電池制造與先進材料方面包括車用第3 代鋰離子電池（優化的鋰離子電池）、第4 代鋰離子電池（固態鋰離子電池、固態鋰金屬電池、先進固態電池）、固定式儲能用鋰離子電池、實現超快充電的先進材料等的研究與創新、創新電池單元組件的設計及制造工藝研究、電池單元設計的數字化等制造技術。原材料循環經濟方面包括電池一次及二次原材料的可持續加工和電池回收技術。競爭優勢方面包括兩個內容，一是對技術成熟度（TRL）超過2 級的電池技術進行改進，主要有：（1）超越第4 代電池的鋰金屬電池，采用創新的高電壓（大于4.8 V）/高容量（大于500 mA/g）正極和固態電解質，實現較高能量密度和完全可回收性；（2）鋅基二次電池，實現更綠色、安全的儲能；（3）使用低成本電解液的鈉離子電池，用于無鋰儲能；（4）更綠色的液流電池，使用低成本活性材料（無關鍵原材料），具備更高能量密度。二是對技術成熟度1～2 級的電池概念進行基礎研究，以開發使用高可用性金屬的新型電池，主要包括：（1）有機電池，包括液流電池；（2）從鈉開始到多價離子金屬（除鋅以外）的金屬電池；（3）基于陰離子穿梭的電池；（4）基于活性金屬如鈉、鉀、鋁、鋅等的高功率一次再生電池，用于季節/年度級的電化學儲能。該議程旨在推動對電池價值鏈的深入研究，實現新概念前沿電池技術開發的飛躍，以研發低成本、可持續和安全的高性能電池，確保十年后使歐洲在電池生產和部署方面處于領先地位。

2.2 制定歐盟“電池2030+”計劃

2020 年，歐盟委員會制定歐盟“電池2030+”計劃，提出未來10 年歐盟電池技術長期研究路線圖［9］。作為歐洲新電池技術的研究計劃，“電池2030+”提出新材料開發、電池界面/相間研究、先進傳感器、自修復功能、制造和回收利用6 個研究領域，開展技術成熟度在1～3級的新概念技術研發，通過變革性研發和設計模式，開發出具有超高性能的智能化可持續電池，使歐洲電池技術在新能源、機器人、航空航天等領域長期保持領先地位。

“電池2030+”計劃的目標是研發具有超高性能的智能、可持續電池，以應用于各種領域。此類電池將具備接近能量和功率密度理論極限的超高性能、出色的使用壽命和可靠性、高安全性和環境可持續性以及可擴展性，并能以具有競爭力的成本進行大規模量產。通過未來10 年“電池2030+”計劃的研究，將為電池技術帶來如下影響：電池在能量密度和功率密度方面的實際性能和理論值之間的差距縮小1/2；電池的耐用性和可靠性至少提高3 倍；對于給定的電力組合，電池的生命周期碳足跡減少至少1/5；電池回收率達到至少75%，關鍵原材料回收率接近100%。

“電池2030+”公布了6 個重點領域的設計研發路線［9］，如圖4 所示。（1）材料領域。研發重點是通過創建材料加速平臺，將合作伙伴的優勢互補與現有的合作環境相結合，以支持提高對電池材料認識的研究工作。材料領域研發的長期目標是在電池界面基因組-材料加速平臺上建立并示范完全自主開發過程；集成電池組裝和設備級測試；在材料開發過程中實現可制造性和可回收性；示范材料開發周期的5 倍加速；實施并驗證用于電池超高通量測試的數字技術。（2）電池界面。在電池界面基因組-材料加速平臺上建立并示范完全自主開發過程；證明界面性能提高5 倍；證明電池界面基因組到新型電池化學和界面的可移植性。（3）先進傳感器。依靠新的人工智能（AI）協議輔助的先進電池管理系統，通過無線傳感器通信實現完全可操作的智能電池組；在未來的電池設計中，將感測/監視與刺激引起的局部修復機制（例如自修復）結合，從而可以通過集成感測-電池管理系統-自修復系統來獲得智能電池。（4）自修復功能。該領域的長期目標是設計和制造功能性和孔隙率可控的低成本生物基電解質隔膜；在電池傳感器和電池管理系統之間建立有效的反饋回路，以通過外部刺激適當觸發已經植入電池的自修復功能。（5）電池制造。通過在整體原型開發中集成電池單元設計，可以成熟地使用整體由AI 驅動的方法，實現基于電池界面基因組-材料加速平臺的完全自主系統。利用這種方法開發可商業化的最新電池技術。（6）電池回收。該領域研發的長期目標是開發和驗證完整的直接回收系統，該系統將在經濟上可行、安全且環境友好，并且比目前的流程具有更低的碳足跡。

“電池2030+”是一項大規模的、長期的歐洲研究計劃，其愿景是發明未來的可持續電池，為歐洲工業提供顛覆性技術和整個電池價值鏈的競爭優勢，使歐洲能夠實現《歐洲綠色協議》中設想的氣候中性社會的目標。歐盟委員會將在未來3 年提供4.05 億歐元的支持，從2020 年9 月1 日起，“電池2030+”倡議將包括7 個項目、一個協調和支持行動(CSA)“電池2030PLUS”(延續了之前15 個月的CSA 項目)，以及6 個研究和創新項目，包括丹麥技術大學協調的電池界面基因組-材料加速平臺(BIGMAP)項目，法國原子能和替代能源委員會協調的旨在提高電池性能和安全性的INSTABAT 項目，鋰離子電池傳感技術（SENSIBAT）由西班牙技術研究中心協調，德國弗勞恩霍夫協調的SPARTACUS 成本效益傳感器項目，芬蘭國家技術研究中心協調的HIDDEN 鋰電池自修復項目，以及比利時布魯塞爾自由大學協調的BAT4EVER 可自修復的下一代鋰離子電池項目，如圖4 所示。

圖4 “電池2030+” 6 個重點研究領域

“電池2030+”通過采取具體行動，緊密結合《歐洲綠色協議》、聯合國可持續發展目標、支持實施歐洲電池行動計劃和戰略能源技術規劃SET 計劃。

2.3 發布《2030 電池創新路線圖》

2021 年，歐洲電池技術平臺成員-歐洲汽車和工業電池制造商協會（EUROBAT）發布了《2030 電池創新路線圖》（以下簡稱“路線圖”）［10］，對鉛、鋰、鎳和鈉基電池4 類動力電池技術、市場及細分領域作出評價和展望。通過發揮每種技術特點、特定應用優點和發展潛力，助力實現歐盟的脫碳目標，此外，路線圖將重點放在各種關鍵應用，確定需要改進的關鍵電池性能，以滿足未來應用的需求。

路線圖主要考慮基于改性鎳鈷錳氧化物（NMC）材料的鋰基電池技術，從 NMC 111 到 NMC 811，使鎳含量增加，鈷含量降低從而提高能量密度，降低金屬成本，還有碳/硅復合材料的高電容負極材料的應用。鋰離子電池的循環經濟也是路線圖關注方面，目前其回收目標將維持在50% 的水平，而到 2030 年，活性材料回收率預計將從 65% 提高到 85%，未來將回收鎳、鈷和鋰，使其在商業上完全可行。對于鎳基技術，路線圖主要考慮通過使用創新材料，使鎳鎘在特殊和利基的應用得到進一步開發，并作為替代解決方案，其在極端條件下的關鍵性能仍有進一步改進的潛力。鎳基電池循環經濟目標是到 2030 年回收效率從目前的 79%（活性材料為 50%）提高到80%～85%（活性材料為 55%～60%），最終實現收支平衡的商業模式。

3 部署科技計劃專項和項目

為落實《電池戰略研究議程》、“電池2030+”研究計劃等戰略目標和任務，歐盟委員會及時啟動和部署一批研發和技術創新專項和項目，加速電池新技術開發和應用。

3.1 部署“構建低碳未來：下一代電池”專項

2019 年歐盟在“歐盟地平線2020 計劃”部署了“構建低碳未來：下一代電池”專項，圍繞電池應用、電池制造與材料、原材料等整個價值鏈，在2019—2021 年設立15 個主題（如表1 所示），立項項目39 項，總經費2.685 億歐元［11］。

表1 “歐盟地平線2020 計劃”項目的“構建低碳未來：下一代電池”專項

表1（續）

其中4 個主題（主題12—15）的7 個項目是落實“電池2030+”計劃任務，有關電池材料和界面、傳感器和自修復功能方面的任務，項目執行期到2023 年，由丹麥、法國、西班牙、德國、比利時、芬蘭和瑞典負責牽頭實施,專項研究成果通過“電池歐洲”平臺，在工業界中進行成果轉化。

3.2 部署“競爭性、可持續的歐洲電池價值鏈”專項

2021 年在歐盟新啟動“地平線歐洲計劃（2021—2027 年）”中，在氣候轉型交叉部門解決方案主題下，設立了“競爭性、可持續的歐洲電池價值鏈”專項［12］，2021 年和2022 年預算分別為1.60 億歐元和1.33 億歐元，在原材料加工技術、先進材料、電池制造工藝、電池系統、回收技術、交叉與協調主題等6 個方向設置了21 個項目（如表2 所示），其目標是通過知識創造和領先技術，加速歐洲電池制造業發展，加速顛覆性技術的探索和應用，建立世界領先的可持續和循環歐洲電池價值鏈，以推動向碳中和的社會轉型；在2030 年前將下一代電池技術商業化并裝備,確保歐洲電池行業的長期競爭力和全球領先地位。

表2 “地平線歐洲計劃（2021—2027 年）”項目的“競爭性、可持續的歐洲電池價值鏈”專項

該計劃實施預期主要影響如下：通過在電池材料、電池設計、制造和回收方面技術領先，提高歐洲電池生態系統的全球競爭力；加速發展歐洲創新、競爭和可持續電池制造業；提高電池價值鏈各部分的整體可持續性,改進電池的生命周期評估方法，開發和建立創新的回收網絡和技術；通過提高對公民和企業的吸引力，加快電動汽車的推廣，提供更低的價格、更好的性能和安全性以及可靠的電動汽車運行；提高電網靈活性，增加可再生能源整合的份額，促進公民和企業自我消費和參與能源市場；通過展示固定儲能和車輛/船舶/飛機中電池集成的創新使用案例，提高電池的利用率和可靠性（與其他合作伙伴合作）；建立世界上最好的創新電池研發生態系統，制定戰略前瞻性方向，以確保未來的技能發展、知識和技術領先地位，加快顛覆性技術探索。

3.3 設立“歐盟共同利益電池重要項目”。

近年來歐盟委員會批準設立兩期“歐盟共同利益（IPCEI）電池重要項目”，將主要行業參與者和國家聯合起來，推進電池價值鏈的創新研發，建立泛歐電池生態系統。

2019 年12 月，歐盟委員會批準設立第一個歐洲共同利益重要項目即“歐洲電池創新”項目，由比利時、芬蘭、法國、德國、意大利、波蘭和瑞典7 個國家于2031 年前將共同投入32 億歐元公共資金［13］，推進電池價值鏈的創新研發。

2021 年1 月，歐盟委員會宣布批準第二個“歐洲電池創新”項目，由奧地利、比利時、克羅地亞、芬蘭、法國、德國、希臘、意大利、波蘭、斯洛伐克、西班牙和瑞典等12 個國家共同投入29 億歐元，并將撬動90 億歐元的私人投資，繼續推進電池價值鏈的創新研發，建立泛歐電池生態系統［14］。該項目將成為上述第一個項目的重要補充，項目將實施至2028 年，有42 個直接參與者（包括在歐盟國家開展活動的中小型企業和初創企業）和150 多個外部合作伙伴（如歐洲各地的大學、研究機構和中小企業），計劃將實施近300 個合作課題。

該項目將覆蓋電池發展的全價值鏈，包括原材料提取、電池單元及組件的設計和制造，以及電池回收和處理，尤其注重可持續性；項目將支持開發一整套全新的、超越現有技術和工藝的突破性電池技術，包括新型電池、生產工藝及電池價值鏈的其他創新技術，使電池性能、安全性及其對環境影響得到顯著改善。該項目主要涉及的研究領域包括：原材料和先進材料；電池單元；電池系統；回收和循環經濟。

3.4 發布“科研創新戰略議程”

2021 年歐盟委員會啟動“歐洲電池伙伴關系”(BATT4EU)諒解備忘錄［15］，主題是構建具有競爭力的歐洲工業電池價值鏈，以實現歐盟數字化和綠色化雙軌轉型目標，2021年9月，BATT4EU發布《科研創新戰略議程》［16］，提出歐洲到2030 年在電池技術和電池系統集成方面成為世界領導者，提出2030 年電池能量密度相比2019 年提示提升60%、電池成本降低60%、功率密度和充電率顯著提升等科研目標以及一系列關鍵技術領域和相關配套工作。

在上述歐盟電池計劃和部署項目中，重點研究內容可歸納為：新電池技術，包括技術成熟度1～2級的各類前沿電池如有機電池、金屬電池等概念研究、技術成熟度超過2 級的鋰金屬電池、鋅基二次電池、鈉離子電池、液流電池等研究；電池先進材料領域，包括車用第3 代、第4 代鋰離子電池和固定式儲能用鋰離子電池材料、超快充電先進材料等；電池制造領域，包括創新電池單元組件制造、設計數字化、設備和工藝創新等；應用領域，包括交通領域電池系統、電池管理、數字孿生，固定儲能應用領域低成本、系統安全性、可互操作的先進電池管理系統、中長期儲能等；原材料和回收包括原材料來源、可持續性和可追溯性、生命周期評估和綠色回收等。

4 相關啟示和建議

歐盟在電池領域的主要做法，一是形成歐盟各國共識的頂層發展戰略、規劃和目標，并建立專門組織架構以及協調機制推動各項政策和舉措的落實；二是從材料、電池、應用和回收等電池全價值鏈、供應鏈和產業鏈整體系統考慮和進行從電池技術到轉化的部署，建立一體創新平臺，提升電池創新效率和應用速度；三是部署科技計劃項目，明確近、中、遠期目標，建立不同技術成熟度研發的相互銜接互補機制，快速構建起歐洲電池研究與創新生態系統；四是緊緊圍繞低碳和產業競爭力的目標，建立電池研發新范式，強調電池的可持續、安全性、智能化等技術方向。歐盟在電池領域圍繞科技創新和產業發展密集出臺的系列政策和布局，彰顯歐盟實現本土電池自供、爭奪全球電池市場、贏得未來技術競爭優勢的急迫和決心。

隨著歐洲電池領域科技政策和科技計劃效果顯現，其將帶動歐洲本土電池產業快速發展，也必將對我國電池科技和產業的發展帶來重大影響，我國應予以高度關注和重視。一是制定我國電池技術創新戰略和計劃，從整個電池價值鏈中考慮產業發展需要解決的關鍵技術和難題，以及未來電池技術發展的方向，制定電池價值鏈研發的整體解決方案和優先事項，明確應對全球競爭新格局下電池技術戰略目標。二是在國家科技計劃中，加強電池創新鏈的系統布局，在電池材料、電池制造、電池應用、回收利用等全鏈條，進行基礎研究、關鍵技術和應用示范項目部署。加強電池研發的基礎設施的建設，加強電池行業和最終用戶相互參與，加快新技術的應用，滿足我國未來新興產業發展需求，建成全球領先的電池技術體系和產業體系。三是把握電池技術發展趨勢，圍繞實現“雙碳”目標，應從經濟、社會和環境等方面系統考慮未來電池技術可持續性，重視電池制造、使用和回收生命全周期的碳減排技術。研發高效、低成本、長壽命、智能化電池材料及電池系統技術，提高電池產品的安全性。利用機器學習、數字孿生和大數據等數字化技術，推動電池材料、電池組件和系統設計、加工、制造及測試過程數字化和智能化，鞏固我國電池領域可持續發展和世界領導地位，有力支撐我國“雙碳”目標的實現。