我國新型能源材料發展現狀及趨勢

一、前言

美國、日本、歐盟等發達國家和地區，以及俄羅斯、巴西、印度和南非等新興經濟體陸續推行一系列支撐新能源材料產業發展的政策和措施，推動新能源行業的發展。為促進我國新能源材料產業發生結構性變化，中國專門制定了《中國制造2025》《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》等。

經過多年努力，我國新能源材料產業取得了顯著發展，技術水平日益提高，產業規模不斷擴大，為我國鋰離子電池材料、燃料電池材料等高技術產業突破技術壁壘、實現快速發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，我國新能源材料產業的競爭力仍需加強，以企業為主體的自主創新體系亟待完善，部分核心關鍵材料受制于人、高端材料對外依存度較高的問題需解決。

二、國內外新能源典型關鍵材料發展概況

1.鋰離子電池材料

（1）鋰離子電池材料發展現狀概覽

目前，鋰離子電池領域的核心技術多被歐盟、美國、日本、韓國等國家和地區掌握。其中，日本最早開始生產鋰離子電池，技術實力最為雄厚。日本松下電器產業株式會社控制了特斯拉汽車公司的電池產業鏈；日本電氣株式會社（NEC）和韓國LG化學公司生產的鋰離子電池在日產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業的發展，對鋰離子電池材料的研發投入仍一直保持較高的強度。

與發達國家相比，我國鋰離子電池中的部分新材料高端產品占比還比較低，技術含量不高，產品的附加值較低，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能規模已位于全球前列，我國的電解液和隔膜產能已占全球總產能的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及產品方面，我國相關企業發揮后發優勢，相關產品已在國內市場得到廣泛應用，部分產品已出口；在高鎳多元材料方面，我國目前尚處于追趕階段，相關企業通過解決關鍵問題和升級改造量產線設備，有望實現趕超。

負極材料行業市場集中度較高，我國負極材料的國際市場占有率已處于領先水平，2019年中國企業的出貨量已經占了全球總出貨量的74%。代表性企業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和產業化方面已位于世界領先地位，可滿足動力電池企業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、日本宇部興產株式會社、韓國三星SDI公司占據，各公司都擁有獨特的添加劑制備技術。我國企業在部分功能添加劑的設計和生產方面還存在一定的進口依賴現象。

從電解液產業角度看，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企業在研發和產業化方面已位于世界前列，可滿足國內動力電池公司對電解液的需求，市場集中度不斷提高，行業領導集群已逐漸形成，其中部分企業已進入國際主流電池企業供應鏈體系，實現了海外市場的突破。

目前，碳酸酯類溶劑和六氟磷酸鋰已主要由國內進行生產，代表性企業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了六氟磷酸鋰電解質鹽的規?；a，大規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–丙烷磺酸內酯、1，3–丙烯磺酸內酯、硫酸乙烯酯等）也已經實現國產化。

（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、深圳星源材質科技股份有限公司等企業已形成獨具特色的產業化發展模式，基本可滿足國內動力電池公司對電池隔膜的需求，但生產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）膜電極相關的基礎材料研究

在燃料電池方面，我國金屬雙極板技術的原始創新不足，主要體現在與膜電極相關的基礎材料研究與國際先進水平存在較大差距，尤其是質子交換膜。全球生產全氟磺酸膜的企業主要集中在美國、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子交換膜研發和產業化方面進展較快，形成了完善的氟硅材料產業鏈。浙江漢丞科技有限公司已經掌握超高分子量聚四氟乙烯樹脂、含氟質子交換樹脂、雙向拉伸薄膜及涂膜等質子交換膜全產業鏈的關鍵技術，擁有自主知識產權，并已開始質子交換樹脂和膜的大規模生產。國內外的膜電極技術水平均有大幅提升，國內趕超國外水平的趨勢明顯。

（2）催化劑

在催化劑方面，開發低鉑或非鉑的高活性、高穩定性的氧還原反應（ORR）催化劑一直是質子交換膜燃料電池（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。國內燃料電池催化劑尚處于研究開發階段，主要有兩類機構：一類是企業，如貴研鉑業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，其氧還原活性與穩定性表現優異。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品。其中，日本東麗集團生產的碳紙具有高導電性、高強度、高氣體通過率、表面平滑等優點，在全球市場上占據較大的市場份額，擁有的碳紙相關專利也較多。國內在該領域尚沒有商業化產品，亟需開發自主可控的擴散層產品。目前，中南大學正持續開展燃料電池用碳紙的研究，江蘇天鳥高新技術股份有限公司基于碳纖維產品進行碳紙研發。

三、國內外新材料研發與產業發展趨勢

1.行業壟斷進一步加劇，關鍵材料控制成為競爭焦點

國外跨國企業在新能源材料領域不斷拓展，尤其在高附加值的關鍵戰略材料產品中占據主導地位，通過技術和市場行業壟斷實施產品封鎖或傾銷，扼制競爭國家的經濟建設及重大工程實施。材料技術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化期。美國少數企業壟斷了高容量富鋰和低鈷 / 無鈷正極材料的技術專利，德國、日本和韓國的少數企業在高鎳低鈷三元電池材料中占據優勢地位，日本信越化學工業株式會社、美國3M公司等擁有硅基負極材料的關鍵專利技術。我國正負極材料和電池產能已是世界第一，但核心專利技術仍然缺乏。

2.綠色低碳成為新能源材料發展的重要趨勢

以節能環保和綠色低碳為代表的新能源產業迅速崛起，帶動關鍵材料產業及應用的綠色化和低碳化發展。鋰離子電池材料和燃料電池材料技術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，帶來汽車行業和能源行業的深刻變革。未來10年將是現有主流混合動力和純電動汽車市場發展的黃金時代，也是燃料電池汽車技術快速發展的10年，必將推動燃料電池用車載制氫系統的發展。高效、清潔、經濟的燃料電池是世界強國布局未來發展的重點，隨著配套技術逐步改進，燃料電池汽車有望在15~20年內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、尖端化發展明顯加速

重大原創成果代表著科技硬實力，持續創新是保持科技強國地位的基石。隨著一系列高新技術的突破，以鋰離子電池和燃料電池關鍵材料為代表的新能源材料繼續向更高精尖、高性能方向發展。在技術進步和產業發展雙因素共同作用下，電池系統技術水平明顯提升，生產成本也呈持續下降趨勢。

近年來，我國動力電池技術飛躍發展，并已實現了規?；a；高鎳三元材料量產的軟包電池比能量達到288Wh/kg；乘用車領域的電池系統比能量集中在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品。

燃料電池關鍵材料、核心部件、電堆與系統的性能持續迅速提升。在催化劑方面，國內外均采用合金化以及形貌調控技術，使我國實驗室中催化劑性能已經超過美國能源部（DOE）2020年設置的技術指標。在質子交換膜方面，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??；在膜電極方面，國內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化車用膜電極鉑載量仍高達0.35~0.4毫克/平方厘米。

4.產業規模不斷擴大，新能源材料成為經濟增長新引擎

發展新能源汽車是保障我國能源安全的重大戰略舉措，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國。在燃料電池方面，國內有多個省市推出了氫能與燃料電池的發展規范。

鋰離子電池為我國新能源汽車的跨越式發展和能源安全提供了關鍵支撐。質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點，在交通運輸和固定電站領域有著廣泛的應用前景。

四、結語

作為戰略性新興產業的重要組成部分，新型能源材料產業的發展關系到國民經濟、社會發展和國家安全。鋰離子電池材料和燃料電池材料是發展最快的新能源材料之一，它們為新能源行業的發展提供了重要支撐。未來，隨著新能源材料從量到質的突破，新能源行業將迎來黃金發展期。