新能源材料指支撐新能源發(fā)展的、具有能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換功能的功能材料或結(jié)構(gòu)功能一體化材料。作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，新型能源材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全。
中國(guó)工程院陳立泉院士科研團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》撰文，重點(diǎn)研究了以鋰離子電池和燃料電池關(guān)鍵材料為代表的新能源材料發(fā)展戰(zhàn)略，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外新能源材料的發(fā)展情況，分析了我國(guó)相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題，展望了國(guó)內(nèi)外新材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。面向2025年和2035年的新發(fā)展要求，文章闡述了我國(guó)新能源關(guān)鍵材料在鋰離子電池和燃料電池領(lǐng)域的發(fā)展思路，細(xì)化了發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。文章建議，完善頂層規(guī)劃，加大創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)政策支持力度，培育優(yōu)勢(shì)企業(yè)，開展生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺(tái)建設(shè)，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)，以期實(shí)現(xiàn)我國(guó)新能源材料的跨越發(fā)展。
一、前言
新能源材料指支撐新能源發(fā)展的、具有能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換功能的功能材料或結(jié)構(gòu)功能一體化材料。新能源材料對(duì)促進(jìn)新能源的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，新能源材料的發(fā)明催生了新能源系統(tǒng)的誕生，新能源材料的應(yīng)用提高了新能源系統(tǒng)的效率，新能源材料的使用直接影響著新能源系統(tǒng)的投資與運(yùn)行成本。
鋰離子電池是新能源汽車和電力調(diào)節(jié)最有競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能技術(shù)，燃料電池是氫能時(shí)代的核心發(fā)電單元，因此，本文將重點(diǎn)研究以鋰離子電池和燃料電池關(guān)鍵材料為代表的新能源材料發(fā)展戰(zhàn)略。
縱觀全球發(fā)展態(tài)勢(shì)，美國(guó)、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，以及俄羅斯、巴西、印度和南非等新興經(jīng)濟(jì)體陸續(xù)推行一系列支撐新能源材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策和措施，力爭(zhēng)在未來國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中搶占一席之地。具體來看，美國(guó)制定了“電動(dòng)汽車國(guó)家創(chuàng)新計(jì)劃（EV Everywhere）”“材料基因組計(jì)劃”等重大戰(zhàn)略，近期還發(fā)布了《“儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)”路線圖草案》；日本出臺(tái)了《納米與材料科學(xué)技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略》《新增長(zhǎng)戰(zhàn)略》等規(guī)劃；歐盟把關(guān)鍵新材料視為先進(jìn)制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，發(fā)布了“歐盟2020戰(zhàn)略”《電池2030+（BATTERY 2030+）》等。中國(guó)也專門制定了《中國(guó)制造2025》《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等，力爭(zhēng)促進(jìn)我國(guó)新能源材料產(chǎn)業(yè)發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，全面重塑技術(shù)方式，形成開放競(jìng)合的發(fā)展生態(tài)。
經(jīng)過多年努力，我國(guó)新能源材料產(chǎn)業(yè)取得了顯著發(fā)展，技術(shù)水平日益提高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，為我國(guó)鋰離子電池材料、燃料電池材料等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)突破技術(shù)壁壘、實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)的支撐。從整體來看，我國(guó)新能源材料領(lǐng)域與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍存在較大差距。今后，我國(guó)新能源材料產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力仍需加強(qiáng)，以企業(yè)為主體的自主創(chuàng)新體系亟待完善，部分核心關(guān)鍵材料受制于人、高端材料對(duì)外依存度較高的問題需解決。為此，抓緊機(jī)遇，合理規(guī)劃，提升新能源材料產(chǎn)業(yè)的支撐能力勢(shì)在必行，這對(duì)加快我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力、實(shí)現(xiàn)材料綠色低碳化發(fā)展目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。
二、國(guó)內(nèi)外新能源典型關(guān)鍵材料發(fā)展概況
（一）鋰離子電池材料
目前，鋰離子電池領(lǐng)域的核心技術(shù)多被歐盟、美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)掌握，其中，日本最早開始生產(chǎn)鋰離子電池，技術(shù)實(shí)力最為雄厚。日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社控制了特斯拉汽車公司的電池產(chǎn)業(yè)鏈；日本電氣株式會(huì)社（NEC）和韓國(guó)LG化學(xué)公司生產(chǎn)的鋰離子電池在日產(chǎn)Leaf電動(dòng)車、通用Volt電動(dòng)車各有良好的安全運(yùn)行記錄；村田制作所是中國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（3C）電池供應(yīng)商，韓國(guó)樂金（LG）化學(xué)公司、三星SDI公司、SK Innovation電池公司是大眾汽車、寶馬汽車和奔馳汽車的主力供應(yīng)商。我國(guó)一直重視鋰離子電池材料的研究，在20世紀(jì)80年代就將其列為863計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目。近年來隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池材料的研發(fā)投入仍一直保持較高的強(qiáng)度。
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)鋰離子電池中的部分新材料高端產(chǎn)品占比還比較低，技術(shù)含量不高，產(chǎn)品的附加值較低，高端材料和電池的高精度自動(dòng)化裝備仍需大量進(jìn)口。近年來，在國(guó)家相關(guān)部門的支持和推動(dòng)下，特別是受益于我國(guó)新能源汽車和智能手機(jī)領(lǐng)域的快速發(fā)展，寧德時(shí)代新能源科技有限公司和比亞迪股份有限公司已成為全球動(dòng)力電池的主力供應(yīng)商。在電極材料方面，上海杉杉科技有限公司和貝特瑞新材料集團(tuán)股份有限公司的產(chǎn)能規(guī)模已位于全球前列，我國(guó)的電解液和隔膜產(chǎn)能已占全球總產(chǎn)能的50%以上。
在專利方面，美國(guó)、日本、韓國(guó)已在鋰離子電池領(lǐng)域進(jìn)行了比較全面的覆蓋，突破專利封鎖是我國(guó)鋰離子電池發(fā)展必須要解決的難題。
（二）正極和負(fù)極材料
在磷酸鐵鋰和中低鎳三元正極材料技術(shù)及產(chǎn)品方面，我國(guó)相關(guān)企業(yè)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，相關(guān)產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用，部分產(chǎn)品已出口；在高鎳多元材料方面，我國(guó)目前尚處于追趕階段，相關(guān)企業(yè)通過解決關(guān)鍵問題和升級(jí)改造量產(chǎn)線設(shè)備，有望實(shí)現(xiàn)趕超。
負(fù)極材料行業(yè)市場(chǎng)集中度較高，我國(guó)負(fù)極材料的國(guó)際市場(chǎng)占有率已處于領(lǐng)先水平，2019年中國(guó)企業(yè)的出貨量占全球總出貨量的74%。代表性企業(yè)如貝特瑞新材料集團(tuán)股份有限公司、上海杉杉科技有限公司、江西紫宸科技有限公司等在負(fù)極材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面已位于世界領(lǐng)先地位，可滿足動(dòng)力電池企業(yè)對(duì)負(fù)極材料的使用需求。
（三）電解液
全球電解液市場(chǎng)主要由日本三菱化學(xué)株式會(huì)社、日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社、韓國(guó)三星SDI公司占據(jù)，各公司都擁有獨(dú)特的添加劑制備技術(shù)。我國(guó)企業(yè)在部分功能添加劑的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面還存在一定的進(jìn)口依賴現(xiàn)象。
從電解液產(chǎn)業(yè)角度看，廣州天賜高新材料股份有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司、張家港國(guó)泰華榮化工新材料有限公司和天津金牛電源材料有限責(zé)任公司等電解液生產(chǎn)企業(yè)在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面已位于世界前列，可滿足國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池公司對(duì)電解液的需求，市場(chǎng)集中度不斷提高，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)集群已逐漸形成，其中部分企業(yè)已進(jìn)入國(guó)際主流電池企業(yè)供應(yīng)鏈體系，實(shí)現(xiàn)了海外市場(chǎng)的突破。
目前，碳酸酯類溶劑和六氟磷酸鋰已主要由國(guó)內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，代表性企業(yè)如廣州天賜高新材料股份有限公司、多氟多化工股份有限公司、天津金牛電源材料有限責(zé)任公司等實(shí)現(xiàn)了六氟磷酸鋰電解質(zhì)鹽的規(guī)模化生產(chǎn)，大規(guī)模應(yīng)用的電解液功能添加劑（如碳酸亞乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3–丙烷磺酸內(nèi)酯、1,3–丙烯磺酸內(nèi)酯、硫酸乙烯酯等）也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。
（四）鋰離子電池隔膜材料
目前，世界上最好的鋰電池隔膜材料來自旭化成株式會(huì)社和東燃化學(xué)株式會(huì)社兩家日本公司。我國(guó)在干法隔膜領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率已超過美國(guó)、韓國(guó)和日本，濕法隔膜進(jìn)入大幅擴(kuò)張期。上海恩捷新材料科技有限公司、蘇州捷力新能源材料有限公司、河北金力新能源科技股份有限公司、深圳星源材質(zhì)科技股份有限公司等企業(yè)已形成獨(dú)具特色的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，基本可滿足國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池公司對(duì)電池隔膜的需求，但生產(chǎn)隔膜的原料和核心裝備目前仍依賴進(jìn)口。
（五）膜電極相關(guān)的基礎(chǔ)材料研究
在燃料電池方面，我國(guó)金屬雙極板技術(shù)的原始創(chuàng)新不足，主要體現(xiàn)在與膜電極相關(guān)的基礎(chǔ)材料研究與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距，尤其是質(zhì)子交換膜。全球生產(chǎn)全氟磺酸膜的企業(yè)主要集中在美國(guó)、加拿大、日本、比利時(shí)等，其中美國(guó)戈?duì)柟驹谌蛸|(zhì)子交換膜供應(yīng)領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。我國(guó)山東東岳化工有限公司在質(zhì)子交換膜研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)展較快，形成了完善的氟硅材料產(chǎn)業(yè)鏈。浙江漢丞科技有限公司已經(jīng)掌握超高分子量聚四氟乙烯樹脂、含氟質(zhì)子交換樹脂、雙向拉伸薄膜及涂膜等質(zhì)子交換膜全產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并已開始質(zhì)子交換樹脂和膜的大規(guī)模生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外的膜電極技術(shù)水平均有大幅提升，國(guó)內(nèi)趕超國(guó)外水平的趨勢(shì)明顯。
（六）催化劑
在催化劑方面，開發(fā)低鉑或非鉑的高活性、高穩(wěn)定性的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑一直是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的研究重點(diǎn)。目前車用燃料電池電催化劑的國(guó)外供應(yīng)商主要有英國(guó)莊信萬豐公司（Johnson Matthey）、日本田中貴金屬集團(tuán)（TKK）、德國(guó)巴斯夫化工集團(tuán)（BASF）等。國(guó)內(nèi)燃料電池催化劑尚處于研究開發(fā)階段，主要有兩類機(jī)構(gòu)：一類是企業(yè)，如貴研鉑業(yè)股份有限公司主營(yíng)汽車尾氣鉑催化劑，已和上海汽車集團(tuán)共同研發(fā)燃料電池催化劑；另一類是研究所，如中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所制備的Pd@Pt/C核殼催化劑，其氧還原活性與穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)異。目前，鉑合金催化劑是ORR催化劑的研究熱點(diǎn)之一。
（七）氣體擴(kuò)散層基材
在擴(kuò)散層方面，市場(chǎng)上商業(yè)化的碳紙或碳布可作為氣體擴(kuò)散層的基材，如日本東麗（Toray）碳紙，德國(guó)西格里（SGL）碳紙等，都是成熟的碳紙/碳布材料和氣體擴(kuò)散層產(chǎn)品。其中，日本東麗集團(tuán)生產(chǎn)的碳紙具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點(diǎn)，在全球市場(chǎng)上占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，擁有的碳紙相關(guān)專利也較多。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域尚沒有商業(yè)化產(chǎn)品，亟需開發(fā)自主可控的擴(kuò)散層產(chǎn)品。目前，中南大學(xué)正持續(xù)開展燃料電池用碳紙的研究，江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司基于碳纖維產(chǎn)品進(jìn)行碳紙研發(fā)。
三、我國(guó)新能源關(guān)鍵材料發(fā)展存在的問題
以鋰離子電池為代表的二次電池廣泛應(yīng)用于手機(jī)等信息電子終端產(chǎn)品、電動(dòng)車和電力儲(chǔ)存領(lǐng)域，服務(wù)于信息產(chǎn)業(yè)，更是交通能源變革和電力能源革命的重要支持技術(shù)。燃料電池技術(shù)作為我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，被列入《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》等。目前，我國(guó)總體上已成為新能源材料大國(guó)，但大而不強(qiáng)，存在自主保障能力較弱、高端材料受制于人、資源利用能力不高等問題，嚴(yán)重制約著我國(guó)新能源材料的可持續(xù)發(fā)展。
（一）部分基礎(chǔ)原材料依賴進(jìn)口，嚴(yán)重威脅關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)鏈安全
在鋰電池電解液產(chǎn)業(yè)中，國(guó)內(nèi)企業(yè)部分功能添加劑的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)在一定程度上依賴進(jìn)口；在高性能膜材料領(lǐng)域，基層無紡布、聚砜、界面聚合單體等原料普遍依賴進(jìn)口。作為燃料電池核心部件的燃料電池膜電極，其原材料如質(zhì)子交換膜、樹脂溶液、催化劑、碳紙等主要依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超薄增強(qiáng)質(zhì)子交換膜大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化處于起步階段；電催化劑的量產(chǎn)能力已有所提升，但性能和耐久性與國(guó)外相比還有較大差距；大規(guī)模使用的碳紙擴(kuò)散層主要依賴進(jìn)口，而國(guó)外正不斷提高碳紙售價(jià)且大幅減少出口，威脅著我國(guó)關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的產(chǎn)業(yè)鏈安全。
（二）高端產(chǎn)品自給率不高，高端應(yīng)用的自主保障能力不足
鋰電池關(guān)鍵材料技術(shù)總體上仍落后國(guó)外先進(jìn)水平，部分高端材料還依賴進(jìn)口。技術(shù)創(chuàng)新能力不足、自主推出的新產(chǎn)品少、產(chǎn)品升級(jí)換代慢、相關(guān)專利及核心技術(shù)缺乏，阻礙了中國(guó)鋰離子電池參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的步伐。關(guān)鍵材料Co、Li、石墨等資源不足，導(dǎo)致價(jià)格變動(dòng)幅度大且有上漲趨勢(shì)。
我國(guó)車用燃料電池技術(shù)無論在電堆性能、壽命還是成本方面，與國(guó)際先進(jìn)水平比較仍有較大差距。國(guó)外高端燃料電池產(chǎn)品目前對(duì)國(guó)內(nèi)禁售，亟需進(jìn)行自主設(shè)計(jì)與開發(fā)，而高端產(chǎn)品研發(fā)所需的核心材料和部件仍主要依靠進(jìn)口，如質(zhì)子交換膜。我國(guó)正在實(shí)施面向此類高端基礎(chǔ)材料的重大專項(xiàng)研究項(xiàng)目，預(yù)計(jì)在“十四五”末期，高端產(chǎn)品的自給率和自主保障能力將大幅提高。
（三）原始創(chuàng)新不足，“產(chǎn)學(xué)研用”合作平臺(tái)欠缺
我國(guó)新能源材料基礎(chǔ)研究薄弱，存在重應(yīng)用輕基礎(chǔ)、重模仿輕原始創(chuàng)新、重迭代輕顛覆性等問題，嚴(yán)重制約了我國(guó)新能源材料行業(yè)整體技術(shù)水平的提升。另外，缺少用于原始創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究的“產(chǎn)學(xué)研用”合作平臺(tái)，大量創(chuàng)新成果僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，沒有高效的研發(fā)平臺(tái)將基礎(chǔ)性研究成果進(jìn)行工藝小試驗(yàn)證和中試放大研究，阻礙了科研成果的快速轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
（四）基礎(chǔ)性創(chuàng)新研發(fā)投入占比低
我國(guó)新能源材料核心技術(shù)和制造裝備受制于人的局面尚未得到根本性扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)業(yè)處于價(jià)值鏈的中低端。研發(fā)投入分配失調(diào)，多用于應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，基礎(chǔ)研究研發(fā)投入占比低，導(dǎo)致關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)后勁不足。另外，基礎(chǔ)研究與工業(yè)生產(chǎn)結(jié)合黏度低，限制了研究成果的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致原始創(chuàng)新能力不足。
電池網(wǎng)微信
