關于發布超越傳統的電池體系重大研究計劃

2024年度項目指南的通告國科金發計〔2024〕111號

國家自然科學基金委員會現發布超越傳統的電池體系重大研究計劃2024年度項目指南，請申請人及依托單位按項目指南所述要求和注意事項申請。

國家自然科學基金委員會2024年2月26日

超越傳統的電池體系重大研究計劃2024年度項目指南

超越傳統的電池體系重大研究計劃面向“雙碳”戰略和國家安全的重大需求，針對儲能電池與動力電池在能量密度、功率密度、安全性、環境適應性、資源與成本等方面面臨的關鍵科學問題和技術瓶頸，發展超越傳統的電池體系和相關理論，為我國下一代電池創新發展提供科學支撐。一、科學目標聚焦電池體系的能量與物質可控輸運規律，突破傳統平板電極界面電荷層理論、“搖椅式”嵌脫儲能機制、傳統電池材料體系與架構以及當前研究范式等，發揮多學科交叉融合研究優勢，圍繞超長壽命、高穩定性儲能電池與超高比能動力電池新體系創新，取得前瞻性基礎研究成果，引領全球電池科技變革，支撐我國“雙碳”戰略和能源科技自立自強。二、核心科學問題本重大研究計劃圍繞以下三個核心科學問題展開研究：（一）多場耦合下的電子、離子、分子等多物種輸運規律。電池體系中物種的運動規律與輸運理論，多物理場（電、磁、力、熱、光等）耦合的多子傳輸與動態反應機制。（二）跨尺度、多結構的能量-物質傳遞與轉化規律。電池體系中物質與能量輸運的多尺度環境演變行為，多相微環境中電化學活性位點的協同機制和構效關系，電池全生命周期的結構演變規律。（三）帶電界面的相互作用與調控機制。能量高密存儲與高效轉化的電池體系中電極與電解質表界面的作用機制，電池帶電界面調控和性能提升規律。三、2024年度資助研究方向（一）培育項目。圍繞上述科學問題，以總體科學目標為牽引，對于探索性強、選題新穎、前期研究基礎較好的申請項目，將以培育項目的方式予以資助，研究方向如下：1.電池新概念及新結構。針對現有電池體系在安全、壽命、續航能力、充電時間、環境適應性等方面的瓶頸問題，從電極設計、電芯構筑、模組集成、電池組管理等尺度提出新概念和新結構。鼓勵申請人提出超越傳統電池體系的原創性電池概念、新的能量儲存與轉換的物理化學機制，提出與當前電池體系有本質區別的結構體系與發展路徑，發掘能量轉換、物質輸運、穩定性、安全性之間的關聯規律與變化趨勢，闡明電池新結構的能質傳遞與轉化調控規律。2.電池新理論及人工智能方法。針對傳統雙電層理論和空間電荷層理論無法精準描述恒定電極電勢、恒定離子強度、非平衡態、離子極化場、復雜界面雙電層等電化學屬性的問題，發展針對復雜電池體系原位、動態的結構和過程的精確、高效計算新方法和計算工作流，提出新理論；發展基于第一性原理的多物理場電化學雙電層仿真方法，建立從微觀到介觀的跨尺度電化學理論模型；探明多物理場耦合下的電荷轉移新機制，研究流體電池熱質傳遞和電化學反應耦合過程，構建電池全生命周期全要素數字孿生系統和碳足跡模型。通過高通量計算以及實驗數據，發展針對正負電極、電解質特定性質的機器學習模型，挖掘、設計電池新材料；篩選可精確描述電池特性的描述符體系，利用機器學習模型，精確評估、預測電池全生命周期參數，明晰電池衰減以及失效機制，建立電池安全性預警策略。3.電池新表征方法及機制。針對傳統表征技術難以研究真實工況下電池的問題，發展先進的原位、工況表征新方法，揭示真實條件下電化學反應機理，闡明電極材料結構組成、電解液與界面微觀結構及動態演變規律；建立表征數據可靠性的質量管理體系；研究電池傳感響應特性，開發電池無損-工況-全范圍檢測方法；探索超低溫、超高溫、微重力、強沖擊、強輻照等極端條件下電化學反應過程和機制。4.電池新材料及創制策略。針對現有電池材料在能量密度、功率密度以及安全性、壽命、成本等方面的不足，突破傳統電池材料性能和資源瓶頸，開發基于豐產元素的高比能電池新材料，高安全寬溫域阻燃液態和固態電解質，安全且高效的電極材料和關鍵輔材。結合電池材料基因數據庫和智能算法，發展自動化制備和實驗驗證技術，實現電池關鍵材料及配方的理性設計和自動化實驗驗證的智能閉環。5.顛覆性電池儲能新體系。提出區別于基于傳統能質轉化機制的電池體系，鼓勵創制顛覆性能量儲存新體系，發展基于新的能質轉化原理與能量賦存形式的儲能器件，闡明儲能機制與性能特性的關聯，驗證新型儲能電池體系實現路徑和可行性，例如但不局限于同位素儲能電池、量子儲能電池、相變儲能電池、智慧儲能電池等非常規儲能體系。（二）重點支持項目。圍繞前沿科學問題和產業重大需求，以總體科學目標為牽引，對于前期研究成果積累較好、對總體目標有較大貢獻的申請項目，將以重點支持項目的方式予以資助，鼓勵與企業聯合申報，研究方向如下：1.電池系統工況表征新技術。針對電池體系動態、工況下關鍵信息采集和分析的瓶頸，依托大型科學儀器裝置和其他先進表征技術，以揭示電極結構和電極-電解液表界面關鍵動態變化過程中的新原理、新機制為導向，構建基于光譜、質譜、能譜等多譜學方法聯用的原位/工況表征系統，實現共點（面）、同時刻原位表征電極結構和電極-電解液表界面的關鍵動態變化過程，發展能覆蓋電池全生命周期的多維度工況表征技術，揭示新原理、新機制，針對電池體系關鍵動態過程的多模態全局表征建立新范式。2.基于豐產元素的本質安全電化學長時儲能新體系。針對現有儲能電池資源受限、高安全風險等問題，開發基于豐產元素的新型高安全電活性物質、正負極、電解質等關鍵材料，闡明電化學反應過程和能質傳輸過程基本規律；通過先進表征和模擬方法，厘清電池失效機制，并提出結構調控策略，發展本質安全、低成本、長壽命、寬溫域、快響應的長時儲能電池新體系，實現電池80%深度充放電超萬次循環的性能突破，優化模組集成和系統管理，探索其在大規模長時能量存儲領域的應用。3.高比能高功率高安全的動力電池新體系。針對現有動力電池續航里程短和充電速度慢等問題，創制兼容性好和離子電導率高的新型功能電解液、比能高和穩定性好的正負極新材料和電池新架構；結合原位表征技術和多尺度理論計算模擬，解析電池中物質與能量輸運規律，闡明材料構效關系，揭示材料、電極、電池、模組等不同尺度下結構演變規律，發展高比能、本質安全、快充放、寬溫域的動力電池新體系，實現電池能量密度高于700Wh/kg和在10C倍率充電的性能突破，優化模組集成與系統管理，并推動其在動力電源中的應用。4.高比能長壽命高安全的全固態電池。針對現有固態電池體系載流子輸運速率慢、電極-電解質固/固界面阻抗大等問題，通過開發新型固態電池關鍵材料與原位電化學表征技術，多尺度解析固態電池表界面結構演化規律，揭示熱-電-力-化學耦合下的電池性能衰退與熱失效機制，構建大尺寸固態電池的多物理場耦合模型，發展高比能、高安全、長壽命的固態電池新體系，實現電池能量密度高于600Wh/kg和循環壽命大于1000周的性能突破，優化模組集成與系統管理，提供固態電池失效預警與防護的理論依據。5.極端條件下能質高效轉化的電池新體系。針對超寬溫域、高壓力、微重力、高濕度、強沖擊、高加速度、強輻照等極端環境與力學條件下的能量可逆存儲需求，探明極端條件下荷質傳輸動力學與過程強化規律，建立耐受極端條件的電池材料體系新架構，開發滿足極端條件使用要求的長貯存、快激活、高比能電池，實現電池工作溫域寬于?70℃～+80℃、抗過載能力大于20000g（加速度）或貯存壽命大于20年的性能突破，并提出電池模組集成與系統管理方法。6.電池人工智能大模型與數據共享平臺。針對電池體系在時空尺度的跨越性、復雜性以及多物理場、多參數耦合性，構建標準電池模型的實驗和計算融合數據庫與開放交互共享平臺，發展可精細化描述新電池體系結構與性能的人工智能大模型；通過多維度關鍵特征信息抽取和機器學習訓練，融合電池領域文獻與現有大語言模型，訓練具有百億級參數體量的電池體系大語言模型，為電池新結構開發、新材料體系設計，新物理化學機制挖掘、全壽命運行監測管理等提供智能化數據化手段和共享平臺。四、項目遴選的基本原則（一）緊密圍繞核心科學問題，注重需求及應用背景約束，鼓勵原創性、基礎性和交叉性的前沿探索。（二）優先資助能夠解決超越傳統的電池體系中的基礎科學難題并具有應用前景的研究項目。（三）重點支持項目應具有良好的研究基礎和前期積累，對總體科學目標有直接貢獻與支撐。五、2024年度資助計劃擬資助培育項目約25項，直接費用資助強度不超過80萬元/項，資助期限為3年，培育項目申請書中研究期限應填寫“2025年1月1日－2027年12月31日”；擬資助重點支持項目約6項，直接費用資助強度約為300萬元/項，資助期限為4年，重點支持項目申請書中研究期限應填寫“2025年1月1日－2028年12月31日”。六、申請要求及注意事項（一）申請條件。本重大研究計劃項目申請人應當具備以下條件：1.具有承擔基礎研究課題的經歷；2.具有高級專業技術職務（職稱）。在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的人員不得作為申請人進行申請。（二）限項申請規定。執行《2024年度國家自然科學基金項目指南》“申請規定”中限項申請規定的相關要求。（三）申請注意事項。申請人和依托單位應當認真閱讀并執行本項目指南、《2024年度國家自然科學基金項目指南》和《關于2024年度國家自然科學基金項目申請與結題等有關事項的通告》中相關要求。1.本重大研究計劃項目實行無紙化申請。申請書提交日期為2024年4月1日－2024年4月11日16時。（1）申請人應當按照科學基金網絡信息系統中重大研究計劃項目的填報說明與撰寫提綱要求在線填寫和提交電子申請書及附件材料。（2）本重大研究計劃旨在緊密圍繞核心科學問題，對多學科相關研究進行戰略性的方向引導和優勢整合，成為一個項目集群。申請人應根據本重大研究計劃擬解決的核心科學問題和項目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項目名稱、科學目標、研究內容、技術路線和相應的研究經費等。（3）申請書中的資助類別選擇“重大研究計劃”，亞類說明選擇“培育項目”或“重點支持項目”，附注說明選擇“超越傳統的電池體系”，受理代碼選擇T01，根據申請的具體研究內容選擇不超過5個申請代碼。培育項目和重點支持項目的合作研究單位不得超過2個。（4）申請人在申請書起始部分應明確說明申請符合本項目指南中的資助研究方向，以及對解決本重大研究計劃核心科學問題、實現本重大研究計劃科學目標的貢獻。如果申請人已經承擔與本重大研究計劃相關的其他科技計劃項目，應當在申請書正文的“研究基礎與工作條件”部分論述申請項目與其他相關項目的區別與聯系。2.依托單位應當按照要求完成依托單位承諾、組織申請以及審核申請材料等工作。在2024年4月11日16時前通過信息系統逐項確認提交本單位電子申請書及附件材料，并于4月12日16時前在線提交本單位項目申請清單。3.其他