一、前言

美國、日本、歐盟等發(fā)達國家和地區(qū)，以及俄羅斯、巴西、印度和南非等新興經(jīng)濟體陸續(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，推動新能源行業(yè)的發(fā)展。為 促進我國新能源材料產(chǎn)業(yè)發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，中國專門制定了《中國制造2025》《“十三五”材料領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》等。

經(jīng)過多年努力，我國新能源材料產(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)模不斷擴大，為我國鋰離子電池材料、燃料電池材料等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)突破技術(shù)壁壘、實現(xiàn)快速發(fā)展提供了堅強的支撐。從整體來看，我國新能源材料領域與國外先進水平相比仍存在較大差距。今后，我國新能源材料產(chǎn)業(yè)的競爭力仍需加強，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、高端材料對外依存度較高的問題需解決。

二、國內(nèi)外新能源典型關(guān)鍵材料發(fā)展概況

1.鋰離子電池材料

（1）鋰離子電池材料發(fā)展現(xiàn)狀概覽

目前，鋰離子電池領域的核心技術(shù)多被歐盟、美國、日本、韓國等國家和地區(qū)掌握。其中，日本最早開始生產(chǎn)鋰離子電池，技術(shù)實力最為雄厚。日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社控制了特斯拉汽車公司的電池產(chǎn)業(yè)鏈；日本電氣株式會社（NEC）和韓國LG化學公司生產(chǎn)的鋰離子電池在日產(chǎn)Leaf電動車、通用Volt電動車各有良好的安全運行記錄；村田制作所是中國強制性產(chǎn)品認證（3C）電池供應商，韓國樂金（LG）化學公司、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商。

鋰電池組樣品，來源：津衢電子

我國一直重視鋰離子電池材料的研究，在20世紀80年代就將其列為863計劃的重點項目。近年來隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對鋰離子電池材料的研發(fā)投入仍一直保持較高的強度。

與發(fā)達國家相比，我國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化裝備仍需大量進口。近年來，在國家相關(guān)部門的支持和推動下，特別是受益于我國新能源汽車和智能手機領域的快速發(fā)展，寧德時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力電池的主力供應商。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股份有限公司的產(chǎn)能規(guī)模已位于全球前列，我國的電解液和隔膜產(chǎn)能已占全球總產(chǎn)能的50%以上。

在專利方面，美國、日本、韓國已在鋰離子電池領域進行了比較全面的覆蓋，突破專利封鎖是我國鋰離子電池發(fā)展必須要解決的難題。

（2）正極和負極材料

在磷酸鐵鋰和中低鎳三元正極材料技術(shù)及產(chǎn)品方面，我國相關(guān)企業(yè)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，相關(guān)產(chǎn)品已在國內(nèi)市場得到廣泛應用，部分產(chǎn)品已出口；在高鎳多元材料方面，我國目前尚處于追趕階段，相關(guān)企業(yè)通過解決關(guān)鍵問題和升級改造量產(chǎn)線設備，有望實現(xiàn)趕超。

負極材料行業(yè)市場集中度較高，我國負極材料的國際市場占有率已處于領先水平，2019年中國企業(yè)的出貨量已經(jīng)占了全球總出貨量的74%。代表性企業(yè)如貝特瑞新材料集團股份有限公司、上海杉杉科技有限公司、江西紫宸科技有限公司等在負極材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面已位于世界領先地位，可滿足動力電池企業(yè)對負極材料的使用需求。

（3）電解液

全球電解液市場主要由日本三菱化學株式會社、日本宇部興產(chǎn)株式會社、韓國三星SDI公司占據(jù)，各公司都擁有獨特的添加劑制備技術(shù)。我國企業(yè)在部分功能添加劑的設計和生產(chǎn)方面還存在一定的進口依賴現(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、張家港國泰華榮化工新材料有限公司和天津金牛電源材料有限責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，可滿足國內(nèi)動力電池公司對電解液的需求，市場集中度不斷提高，行業(yè)領導集群已逐漸形成，其中部分企業(yè)已進入國際主流電池企業(yè)供應鏈體系，實現(xiàn)了海外市場的突破。

目前，碳酸酯類溶劑和六氟磷酸鋰已主要由國內(nèi)進行生產(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任公司等實現(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)實現(xiàn)國產(chǎn)化。

（4）鋰離子電池隔膜材料

目前，高端鋰電池隔膜材料主要來自旭化成株式會社和東燃化學株式會社兩家日本公司。我國在干法隔膜領域的市場占有率已超過美國、韓國和日本，濕法隔膜進入大幅擴張期。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)已形成獨具特色的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，基本可滿足國內(nèi)動力電池公司對電池隔膜的需求，但生產(chǎn)隔膜的原料和核心裝備目前仍依賴進口。

鋰離子電池隔膜成品，來源：存能電氣

2.燃料電池材料

（1）膜電極相關(guān)的基礎材料研究

在燃料電池方面，我國金屬雙極板技術(shù)的原始創(chuàng)新不足，主要體現(xiàn)在與膜電極相關(guān)的基礎材料研究與國際先進水平存在較大差距，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、加拿大、日本、比利時等，其中美國戈爾公司在全球質(zhì)子交換膜供應領域中處于領先地位。我國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)。國內(nèi)外的膜電極技術(shù)水平均有大幅提升，國內(nèi)趕超國外水平的趨勢明顯。

（2）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（ORR）催化劑一直是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的研究重點。目前車用燃料電池電催化劑的國外供應商主要有英國莊信萬豐公司（Johnson Matthey）、日本田中貴金屬集團（TKK）、德國巴斯夫化工集團（BASF）等。國內(nèi)燃料電池催化劑尚處于研究開發(fā)階段，主要有兩類機構(gòu)：一類是企業(yè)，如貴研鉑業(yè)股份有限公司主營汽車尾氣鉑催化劑，已和上海汽車集團共同研發(fā)燃料電池催化劑；另一類是研究所，如中國科學院大連化學物理研究所制備的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催化劑的研究熱點之一 。

鉑催化劑，來源：臺州捷發(fā)貴金屬有限公司

（3）氣體擴散層基材

在擴散層方面，市場上商業(yè)化的碳紙或碳布可作為氣體擴散層的基材，如日本東麗（Toray）碳紙，德國西格里（SGL）碳紙等，都是成熟的碳紙/碳布材料和氣體擴散層產(chǎn)品。其中，日本東麗集團生產(chǎn)的碳紙具有高導電性、高強度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點，在全球市場上占據(jù)較大的市場份額，擁有的碳紙相關(guān)專利也較多。國內(nèi)在該領域尚沒有商業(yè)化產(chǎn)品，亟需開發(fā)自主可控的擴散層產(chǎn)品。目前，中南大學正持續(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)品進行碳紙研發(fā)。

三、國內(nèi)外新材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

1.行業(yè)壟斷進一步加劇，關(guān)鍵材料控制成為競爭焦點

國外跨國企業(yè)在新能源材料領域不斷拓展，尤其在高附加值的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)品中占據(jù)主導地位，通過技術(shù)和市場行業(yè)壟斷實施產(chǎn)品封鎖或傾銷，扼制競爭國家的經(jīng)濟建設及重大工程實施。材料技術(shù)的進步是動力電池水平提升的基礎，以三元電池為例，目前正處于低鎳向高鎳的轉(zhuǎn)化期。美國少數(shù)企業(yè)壟斷了高容量富鋰和低鈷 / 無鈷正極材料的技術(shù)專利，德國、日本和韓國的少數(shù)企業(yè)在高鎳低鈷三元電池材料中占據(jù)優(yōu)勢地位，日本信越化學工業(yè)株式會社、美國3M公司等擁有硅基負極材料的關(guān)鍵專利技術(shù)。我國正負極材料和電池產(chǎn)能已是世界第一，但核心專利技術(shù)仍然缺乏。

2.綠色低碳成為新能源材料發(fā)展的重要趨勢

以節(jié)能環(huán)保和綠色低碳為代表的新能源產(chǎn)業(yè)迅速崛起，帶動關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)及應用的綠色化和低碳化發(fā)展。鋰離子電池材料和燃料電池材料技術(shù)的不斷突破使新能源汽車逐步走進千家萬戶，同時，汽車的電動化與智能化相得益彰，帶來汽車行業(yè)和能源行業(yè)的深刻變革。未來10年將是現(xiàn)有主流混合動力和純電動汽車市場發(fā)展的黃金時代，也是燃料電池汽車技術(shù)快速發(fā)展的10年，必將推動燃料電池用車載制氫系統(tǒng)的發(fā)展。高效、清潔、經(jīng)濟的燃料電池是世界強國布局未來發(fā)展的重點，隨著配套技術(shù)逐步改進，燃料電池汽車有望在15~20年內(nèi)成為新能源汽車的主流，特別是在重型貨車和長途客車市場，將為重整制氫用高溫催化材料迎來前所未有的發(fā)展機遇。

燃料電池汽車，來源：電動邦

3.新能源材料的高性能化、尖端化發(fā)展明顯加速

重大原創(chuàng)成果代表著科技硬實力，持續(xù)創(chuàng)新是保持科技強國地位的基石。隨著一系列高新技術(shù)的突破，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繼續(xù)向更高精尖、高性能方向發(fā)展。在技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展雙因素共同作用下，電池系統(tǒng)技術(shù)水平明顯提升，生產(chǎn)成本也呈持續(xù)下降趨勢。

近年來，我國動力電池技術(shù)飛躍發(fā)展，并已實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)；高鎳三元材料量產(chǎn)的軟包電池比能量達到288Wh/kg；乘用車領域的電池系統(tǒng)比能量集中在140~160Wh/kg，在成組效率及能量密度方面普遍高于國際同期其他產(chǎn)品。

燃料電池關(guān)鍵材料、核心部件、電堆與系統(tǒng)的性能持續(xù)迅速提升。在催化劑方面，國內(nèi)外均采用合金化以及形貌調(diào)控技術(shù)，使我國實驗室中催化劑性能已經(jīng)超過美國能源部（DOE）2020年設置的技術(shù)指標。在質(zhì)子交換膜方面，為提高燃料電池比功率，美國戈爾公司以全氟磺酸樹脂為基礎制備超薄增強膜，使面電阻進一步減小；在膜電極方面，國內(nèi)外的實驗室研究均已達到美國DOE設置的2020年膜電極鉑用量指標（0.125毫克/平方厘米），但目前國外最好的商業(yè)化車用膜電極鉑載量仍高達0.35~0.4 毫克/平方厘米。

4.產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，新能源材料成為經(jīng)濟增長新引擎

發(fā)展新能源汽車是保障我國能源安全的重大戰(zhàn)略舉措，是降低汽車污染排放的有效途徑。2019年，我國新能源汽車銷量超120萬輛，位居世界首位，2030年有望達到1500萬輛。目前，我國已成為國際主要的鋰離子電池材料生產(chǎn)國。在燃料電池方面，國內(nèi)有多個省市推出了氫能與燃料電池的發(fā)展規(guī)范。

鋰離子電池為我國新能源汽車的跨越式發(fā)展和能源安全提供了關(guān)鍵支撐。質(zhì)子交換膜燃料電池由于具有功率密度高、室溫下快速啟動等優(yōu)點，在交通運輸和固定電站領域有著廣泛的應用前景。

四、結(jié)語

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)系到國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全。鋰離子電池材料和燃料電池材料是發(fā)展最快的新能源材料之一，它們?yōu)樾履茉葱袠I(yè)的發(fā)展提供了重要支撐。未來，隨著新能源材料從量到質(zhì)的突破，新能源行業(yè)將迎來黃金發(fā)展期。

本文摘自中國工程院院刊《我國新型能源材料發(fā)展戰(zhàn)略研究》， 為中國工程院咨詢項目“新材料強國2035戰(zhàn)略研究”系列刊文之一，作者是黃學杰、趙文武、邵志剛、陳立泉。

作者介紹

陳立泉，中國工程院院士，在我國率先開展鋰電池及相關(guān)材料研究，在國內(nèi)首先研制成功鋰離子電池，解決了鋰離子電池規(guī)模化生產(chǎn)的科學技術(shù)與工程問題，實現(xiàn)了鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。

黃學杰，中國科學院物理研究所研究員，研究方向為能量轉(zhuǎn)換、儲存材料和納米材料離子 / 輸運研究。

邵志剛，中國科學院大連化學物理研究所燃料電池系統(tǒng)科學與工程研究組組長，研究員。

趙文武，中國科學院物理研究所高工。