欧盟电池领域科技战略和科技计划及其启示

史冬梅，王 晶，邱 俊

（科学技术部高技术研究发展中心，北京 100044）

欧盟在2019 年发布的《欧洲绿色协议》中提出了到2050 年成为全球首个碳中和经济体的雄伟目标，并将全面实施欧洲能源联盟战略。高性能电池被认为是其能源转型和提升欧洲竞争力的关键技术。针对在电池领域欧洲落后于亚洲、供应链依赖中国等的局面，近年来欧盟委员会推出系列举措，奋起直追：一方面迅速恢复技术竞争力，在快速增长的电池市场占据重要份额；另一方面在未来对电池技术研究进行长期投资，2030 年建立世界领先的欧洲电池价值链和技术创新生态系统，实现具有国际市场竞争优势的目标。这将对我国电池领域发展带来影响和挑战。

1 设立创新组织机构和制定法规

1.1 成立欧洲电池联盟

2017 年年底,欧盟委员会副主席马洛什·舍夫科维奇推动成立欧洲电池联盟（以下简称“联盟”），旨在欧洲创建一个以可持续电池为核心的具有竞争力的制造业价值链，以及欧洲电池生态系统［1］。联盟成立之初，欧洲几乎没有大规模的电池制造业，其电池制造只占世界电池市场份额的 3%左右。联盟的目标是在2025 年实现与需求相匹配的欧盟电池产能，并占领2 500 亿欧元/年的市场［1］。为确保欧洲电池的自主性，联盟支持近70 个工业项目，总计投资近200 亿欧元，目前项目进展顺利，许多电池投资的进度提前，预期产能也得到提高，预计到2025 年将为欧洲创造多达400 万个就业机会［2］。为了推动欧洲电池价值链目标的实现，联盟在2021 年3 月召开五次部长级会议并公布了未来几年欧洲建立创新、可持续和具全球竞争力的电池价值链等优先事项和行动措施［2］，如争取2022 年正式出台《新电池法规》；加强本地原材料的采购和加工以及关键零部件的制造，启动可持续原材料开采圆桌会议、发布指导原材料领域工业行动的欧盟原则；通过技能再培训计划、构建电池生态系统技能平台等措施,解决电池领域约80 万名熟练技工急缺的问题。

在当前的欧洲电池生态系统中，欧盟将欧洲先进的研发创新能力、资金实力和跨行业的方法结合起来，如图1 所示。通过建设创新平台和制定监管框架，欧洲电池联盟加强对关键项目的投入，在欧洲电池价值链的上游有重大发展，包括成立合资企业Aurora，在葡萄牙开发欧洲最大、可持续的锂转换工厂；推动大众汽车、雷诺、Vulcan Energy Resources 等企业在阴极材料和锂离子电池供应商达成合作。

图1 欧洲电池联盟下的欧洲电池生态系统

1.2 “电池欧洲”技术创新平台

2019 年欧盟委员会在“战略能源技术规划”（SET-Plan）框架下，创建欧洲电池技术创新平台“电池欧洲”（ETIP Batteries Europe），旨在推进电池价值链相关研究和创新行动的实施和加速建立具有全球竞争力的欧洲电池产业［3］。该平台由欧洲能源创新网络（InnoEnergy）、欧洲能源研究联盟（EERA）和欧洲储能协会（EASE）共同牵头，并汇集了工业界、学术界和行业协会的代表［3］。“电池欧洲”由理事会和新兴电池技术、原材料与回收、先进材料、组件设计与制造、移动端应用与集成、固定端应用与集成组等6 个工作组构成［4］，如图2 所示。理事会作为决策机构负责制定发展战略和目标规划，工作组研究和确定电池研发和创新所面临的新挑战和问题，提供相应的方案和指导，涵盖整个电池价值链的行业和研究代表。其中，新兴电池技术组为电池价值链建立了一个长期愿景，制定“电池 2030+”计划和其他合作计划；原材料与回收组解决原材料供应和回收面临的问题，于2021 年2 月发布了原材料和回收路线图；先进材料组致力于先进材料开发，以改进当前电池技术并提高技术就绪度（TRL）；组件设计与制造组专注于当前和未来的电池技术开发制造方法和设计；移动端应用与集成组汇聚电动汽车领域的研究和行业各方，以支持欧洲移动解决方案为目标；固定端应用与集成组制定应对电网集成和电池固定应用的挑战的解决方案［4］。

图2 “电池欧洲”技术创新平台

该平台旨在确定电池研究和创新的长期愿景，制定战略研究议程及路线图，并促进研究和创新团队的沟通交流进行成果转化。该平台汇集了欧盟电池研究与创新的主要利益相关方，涵盖了采矿、精炼、电池设计和制造、电池数字化和回收等价值链所有环节的相关技术。平台通过建立新的合作模式，确保电池研究和创新进程与电池行业紧密结合，实现从概念到应用的无缝衔接，推进电池价值链创新行动的实施，加速建立具有全球竞争力的欧洲电池产业。此外，平台将审查欧盟战略能源技术规划（SET Plan）的电池实施计划以及战略交通研究与创新议程（STRIA）的交通电气化路线图中的关键研究创新领域［5-6］。

1.3 建立新的电池监管框架

2020 年，欧盟委员会发布《电池法规》草案［7］，计划建立新的电池监管框架，确保欧盟市场上的电池在全产品周期内符合持续、高性能和安全标准，加速欧洲绿色经济转型，提升欧洲电池产业竞争力。法规草案还涉及电池在欧盟市场上投放的可持续性、安全性、标签和信息要求，以及对生产经营者的尽职调查要求和废电池的报废处理要求，如图3 所示。

图3 基于电池产品全生命周期的欧洲电池监管框架

法规草案中产品要求具体关注以下方面：包括对有害物质(所有电池)的限制、报告、标签和将由后续立法规定的产品生命周期内最大碳足迹水平(电动汽车和工业电池)，可回收钴、铅、锂和镍的最低水平(汽车、电动汽车和工业电池)，性能和耐用性(便携式、电动汽车和工业电池)，可拆卸性和可替换性(便携式电池)，安全性(固定电池储能系统)，标签(所有电池)，健康状态和预期寿命信息(电动汽车和工业电池)和电池护照(电动汽车和工业电池)。

法规草案还要求将电动汽车和工业电池投放到欧盟市场的经营者，在钴、天然石墨、锂和镍以及在制造电池活性材料所必需的化合物采购方面建立供应链尽职调查的政策。其中电池报废管理要求包括：生产者登记，扩大生产者责任，收集废电池，有关处理、回收、再利用和再制造的要求，提供报废信息，以及向主管部门报告。此草案不仅将监管所有欧盟成员国的自产电池，还包括进口电池。

2 制定发展战略和路线图

2.1 发布《电池战略研究议程》

2020 年12 月，“电池欧洲平台”发布由500 名专家参与制定的《电池战略研究议程》［8］，明确了到2030 年欧洲电池技术研究和创新优先事项，确定了必须在整个电池价值链中解决的关键技术主题及强调了其紧迫性。该议程从电池应用、电池制造与材料、原材料循环经济、竞争优势等4 个方面提出了未来10 年的研究主题及应达到的关键绩效指标。该议程既有满足电池产业短期需求的关键技术，又有未来创新的与众不同的欧洲电池技术；强调从整个电池价值链考虑安全性、低成本、可持续性、数字化、技能和教育等方面以及必要行动。该战略议程是欧盟委员会、欧盟成员国和行业制定研究计划的行动指南，并强调各方要加强合作和协调，以确保欧洲电池研发生态系统的繁荣。

电池应用方面包括交通应用和固定式储能两大领域。电池制造与先进材料方面包括车用第3 代锂离子电池（优化的锂离子电池）、第4 代锂离子电池（固态锂离子电池、固态锂金属电池、先进固态电池）、固定式储能用锂离子电池、实现超快充电的先进材料等的研究与创新、创新电池单元组件的设计及制造工艺研究、电池单元设计的数字化等制造技术。原材料循环经济方面包括电池一次及二次原材料的可持续加工和电池回收技术。竞争优势方面包括两个内容，一是对技术成熟度（TRL）超过2 级的电池技术进行改进，主要有：（1）超越第4 代电池的锂金属电池，采用创新的高电压（大于4.8 V）/高容量（大于500 mA/g）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，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，用于无锂储能；（4）更绿色的液流电池，使用低成本活性材料（无关键原材料），具备更高能量密度。二是对技术成熟度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，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；（3）基于阴离子穿梭的电池；（4）基于活性金属如钠、钾、铝、锌等的高功率一次再生电池，用于季节/年度级的电化学储能。该议程旨在推动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，确保十年后使欧洲在电池生产和部署方面处于领先地位。

2.2 制定欧盟“电池2030+”计划

2020 年，欧盟委员会制定欧盟“电池2030+”计划，提出未来10 年欧盟电池技术长期研究路线图［9］。作为欧洲新电池技术的研究计划，“电池2030+”提出新材料开发、电池界面/相间研究、先进传感器、自修复功能、制造和回收利用6 个研究领域，开展技术成熟度在1～3级的新概念技术研发，通过变革性研发和设计模式，开发出具有超高性能的智能化可持续电池，使欧洲电池技术在新能源、机器人、航空航天等领域长期保持领先地位。

“电池2030+”计划的目标是研发具有超高性能的智能、可持续电池，以应用于各种领域。此类电池将具备接近能量和功率密度理论极限的超高性能、出色的使用寿命和可靠性、高安全性和环境可持续性以及可扩展性，并能以具有竞争力的成本进行大规模量产。通过未来10 年“电池2030+”计划的研究，将为电池技术带来如下影响：电池在能量密度和功率密度方面的实际性能和理论值之间的差距缩小1/2；电池的耐用性和可靠性至少提高3 倍；对于给定的电力组合，电池的生命周期碳足迹减少至少1/5；电池回收率达到至少75%，关键原材料回收率接近100%。

“电池2030+”公布了6 个重点领域的设计研发路线［9］，如图4 所示。（1）材料领域。研发重点是通过创建材料加速平台，将合作伙伴的优势互补与现有的合作环境相结合，以支持提高对电池材料认识的研究工作。材料领域研发的长期目标是在电池界面基因组-材料加速平台上建立并示范完全自主开发过程；集成电池组装和设备级测试；在材料开发过程中实现可制造性和可回收性；示范材料开发周期的5 倍加速；实施并验证用于电池超高通量测试的数字技术。（2）电池界面。在电池界面基因组-材料加速平台上建立并示范完全自主开发过程；证明界面性能提高5 倍；证明电池界面基因组到新型电池化学和界面的可移植性。（3）先进传感器。依靠新的人工智能（AI）协议辅助的先进电池管理系统，通过无线传感器通信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修复机制（例如自修复）结合，从而可以通过集成感测-电池管理系统-自修复系统来获得智能电池。（4）自修复功能。该领域的长期目标是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；在电池传感器和电池管理系统之间建立有效的反馈回路，以通过外部刺激适当触发已经植入电池的自修复功能。（5）电池制造。通过在整体原型开发中集成电池单元设计，可以成熟地使用整体由AI 驱动的方法，实现基于电池界面基因组-材料加速平台的完全自主系统。利用这种方法开发可商业化的最新电池技术。（6）电池回收。该领域研发的长期目标是开发和验证完整的直接回收系统，该系统将在经济上可行、安全且环境友好，并且比目前的流程具有更低的碳足迹。

“电池2030+”是一项大规模的、长期的欧洲研究计划，其愿景是发明未来的可持续电池，为欧洲工业提供颠覆性技术和整个电池价值链的竞争优势，使欧洲能够实现《欧洲绿色协议》中设想的气候中性社会的目标。欧盟委员会将在未来3 年提供4.05 亿欧元的支持，从2020 年9 月1 日起，“电池2030+”倡议将包括7 个项目、一个协调和支持行动(CSA)“电池2030PLUS”(延续了之前15 个月的CSA 项目)，以及6 个研究和创新项目，包括丹麦技术大学协调的电池界面基因组-材料加速平台(BIGMAP)项目，法国原子能和替代能源委员会协调的旨在提高电池性能和安全性的INSTABAT 项目，锂离子电池传感技术（SENSIBAT）由西班牙技术研究中心协调，德国弗劳恩霍夫协调的SPARTACUS 成本效益传感器项目，芬兰国家技术研究中心协调的HIDDEN 锂电池自修复项目，以及比利时布鲁塞尔自由大学协调的BAT4EVER 可自修复的下一代锂离子电池项目，如图4 所示。

图4 “电池2030+” 6 个重点研究领域

“电池2030+”通过采取具体行动，紧密结合《欧洲绿色协议》、联合国可持续发展目标、支持实施欧洲电池行动计划和战略能源技术规划SET 计划。

2.3 发布《2030 电池创新路线图》

2021 年，欧洲电池技术平台成员-欧洲汽车和工业电池制造商协会（EUROBAT）发布了《2030 电池创新路线图》（以下简称“路线图”）［10］，对铅、锂、镍和钠基电池4 类动力电池技术、市场及细分领域作出评价和展望。通过发挥每种技术特点、特定应用优点和发展潜力，助力实现欧盟的脱碳目标，此外，路线图将重点放在各种关键应用，确定需要改进的关键电池性能，以满足未来应用的需求。

路线图主要考虑基于改性镍钴锰氧化物（NMC）材料的锂基电池技术，从 NMC 111 到 NMC 811，使镍含量增加，钴含量降低从而提高能量密度，降低金属成本，还有碳/硅复合材料的高电容负极材料的应用。锂离子电池的循环经济也是路线图关注方面，目前其回收目标将维持在50% 的水平，而到 2030 年，活性材料回收率预计将从 65% 提高到 85%，未来将回收镍、钴和锂，使其在商业上完全可行。对于镍基技术，路线图主要考虑通过使用创新材料，使镍镉在特殊和利基的应用得到进一步开发，并作为替代解决方案，其在极端条件下的关键性能仍有进一步改进的潜力。镍基电池循环经济目标是到 2030 年回收效率从目前的 79%（活性材料为 50%）提高到80%～85%（活性材料为 55%～60%），最终实现收支平衡的商业模式。

3 部署科技计划专项和项目

为落实《电池战略研究议程》、“电池2030+”研究计划等战略目标和任务，欧盟委员会及时启动和部署一批研发和技术创新专项和项目，加速电池新技术开发和应用。

3.1 部署“构建低碳未来：下一代电池”专项

2019 年欧盟在“欧盟地平线2020 计划”部署了“构建低碳未来：下一代电池”专项，围绕电池应用、电池制造与材料、原材料等整个价值链，在2019—2021 年设立15 个主题（如表1 所示），立项项目39 项，总经费2.685 亿欧元［11］。

表1 “欧盟地平线2020 计划”项目的“构建低碳未来：下一代电池”专项

表1（续）

其中4 个主题（主题12—15）的7 个项目是落实“电池2030+”计划任务，有关电池材料和界面、传感器和自修复功能方面的任务，项目执行期到2023 年，由丹麦、法国、西班牙、德国、比利时、芬兰和瑞典负责牵头实施,专项研究成果通过“电池欧洲”平台，在工业界中进行成果转化。

3.2 部署“竞争性、可持续的欧洲电池价值链”专项

2021 年在欧盟新启动“地平线欧洲计划（2021—2027 年）”中，在气候转型交叉部门解决方案主题下，设立了“竞争性、可持续的欧洲电池价值链”专项［12］，2021 年和2022 年预算分别为1.60 亿欧元和1.33 亿欧元，在原材料加工技术、先进材料、电池制造工艺、电池系统、回收技术、交叉与协调主题等6 个方向设置了21 个项目（如表2 所示），其目标是通过知识创造和领先技术，加速欧洲电池制造业发展，加速颠覆性技术的探索和应用，建立世界领先的可持续和循环欧洲电池价值链，以推动向碳中和的社会转型；在2030 年前将下一代电池技术商业化并装备,确保欧洲电池行业的长期竞争力和全球领先地位。

表2 “地平线欧洲计划（2021—2027 年）”项目的“竞争性、可持续的欧洲电池价值链”专项

该计划实施预期主要影响如下：通过在电池材料、电池设计、制造和回收方面技术领先，提高欧洲电池生态系统的全球竞争力；加速发展欧洲创新、竞争和可持续电池制造业；提高电池价值链各部分的整体可持续性,改进电池的生命周期评估方法，开发和建立创新的回收网络和技术；通过提高对公民和企业的吸引力，加快电动汽车的推广，提供更低的价格、更好的性能和安全性以及可靠的电动汽车运行；提高电网灵活性，增加可再生能源整合的份额，促进公民和企业自我消费和参与能源市场；通过展示固定储能和车辆/船舶/飞机中电池集成的创新使用案例，提高电池的利用率和可靠性（与其他合作伙伴合作）；建立世界上最好的创新电池研发生态系统，制定战略前瞻性方向，以确保未来的技能发展、知识和技术领先地位，加快颠覆性技术探索。

3.3 设立“欧盟共同利益电池重要项目”。

近年来欧盟委员会批准设立两期“欧盟共同利益（IPCEI）电池重要项目”，将主要行业参与者和国家联合起来，推进电池价值链的创新研发，建立泛欧电池生态系统。

2019 年12 月，欧盟委员会批准设立第一个欧洲共同利益重要项目即“欧洲电池创新”项目，由比利时、芬兰、法国、德国、意大利、波兰和瑞典7 个国家于2031 年前将共同投入32 亿欧元公共资金［13］，推进电池价值链的创新研发。

2021 年1 月，欧盟委员会宣布批准第二个“欧洲电池创新”项目，由奥地利、比利时、克罗地亚、芬兰、法国、德国、希腊、意大利、波兰、斯洛伐克、西班牙和瑞典等12 个国家共同投入29 亿欧元，并将撬动90 亿欧元的私人投资，继续推进电池价值链的创新研发，建立泛欧电池生态系统［14］。该项目将成为上述第一个项目的重要补充，项目将实施至2028 年，有42 个直接参与者（包括在欧盟国家开展活动的中小型企业和初创企业）和150 多个外部合作伙伴（如欧洲各地的大学、研究机构和中小企业），计划将实施近300 个合作课题。

该项目将覆盖电池发展的全价值链，包括原材料提取、电池单元及组件的设计和制造，以及电池回收和处理，尤其注重可持续性；项目将支持开发一整套全新的、超越现有技术和工艺的突破性电池技术，包括新型电池、生产工艺及电池价值链的其他创新技术，使电池性能、安全性及其对环境影响得到显著改善。该项目主要涉及的研究领域包括：原材料和先进材料；电池单元；电池系统；回收和循环经济。

3.4 发布“科研创新战略议程”

2021 年欧盟委员会启动“欧洲电池伙伴关系”(BATT4EU)谅解备忘录［15］，主题是构建具有竞争力的欧洲工业电池价值链，以实现欧盟数字化和绿色化双轨转型目标，2021年9月，BATT4EU发布《科研创新战略议程》［16］，提出欧洲到2030 年在电池技术和电池系统集成方面成为世界领导者，提出2030 年电池能量密度相比2019 年提示提升60%、电池成本降低60%、功率密度和充电率显著提升等科研目标以及一系列关键技术领域和相关配套工作。

在上述欧盟电池计划和部署项目中，重点研究内容可归纳为：新电池技术，包括技术成熟度1～2级的各类前沿电池如有机电池、金属电池等概念研究、技术成熟度超过2 级的锂金属电池、锌基二次电池、钠离子电池、液流电池等研究；电池先进材料领域，包括车用第3 代、第4 代锂离子电池和固定式储能用锂离子电池材料、超快充电先进材料等；电池制造领域，包括创新电池单元组件制造、设计数字化、设备和工艺创新等；应用领域，包括交通领域电池系统、电池管理、数字孪生，固定储能应用领域低成本、系统安全性、可互操作的先进电池管理系统、中长期储能等；原材料和回收包括原材料来源、可持续性和可追溯性、生命周期评估和绿色回收等。

4 相关启示和建议

欧盟在电池领域的主要做法，一是形成欧盟各国共识的顶层发展战略、规划和目标，并建立专门组织架构以及协调机制推动各项政策和举措的落实；二是从材料、电池、应用和回收等电池全价值链、供应链和产业链整体系统考虑和进行从电池技术到转化的部署，建立一体创新平台，提升电池创新效率和应用速度；三是部署科技计划项目，明确近、中、远期目标，建立不同技术成熟度研发的相互衔接互补机制，快速构建起欧洲电池研究与创新生态系统；四是紧紧围绕低碳和产业竞争力的目标，建立电池研发新范式，强调电池的可持续、安全性、智能化等技术方向。欧盟在电池领域围绕科技创新和产业发展密集出台的系列政策和布局，彰显欧盟实现本土电池自供、争夺全球电池市场、赢得未来技术竞争优势的急迫和决心。

随着欧洲电池领域科技政策和科技计划效果显现，其将带动欧洲本土电池产业快速发展，也必将对我国电池科技和产业的发展带来重大影响，我国应予以高度关注和重视。一是制定我国电池技术创新战略和计划，从整个电池价值链中考虑产业发展需要解决的关键技术和难题，以及未来电池技术发展的方向，制定电池价值链研发的整体解决方案和优先事项，明确应对全球竞争新格局下电池技术战略目标。二是在国家科技计划中，加强电池创新链的系统布局，在电池材料、电池制造、电池应用、回收利用等全链条，进行基础研究、关键技术和应用示范项目部署。加强电池研发的基础设施的建设，加强电池行业和最终用户相互参与，加快新技术的应用，满足我国未来新兴产业发展需求，建成全球领先的电池技术体系和产业体系。三是把握电池技术发展趋势，围绕实现“双碳”目标，应从经济、社会和环境等方面系统考虑未来电池技术可持续性，重视电池制造、使用和回收生命全周期的碳减排技术。研发高效、低成本、长寿命、智能化电池材料及电池系统技术，提高电池产品的安全性。利用机器学习、数字孪生和大数据等数字化技术，推动电池材料、电池组件和系统设计、加工、制造及测试过程数字化和智能化，巩固我国电池领域可持续发展和世界领导地位，有力支撑我国“双碳”目标的实现。