新能源材料指支撐新能源發(fā)展的、具有能量儲存和轉(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)系到國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全。

中國工程院陳立泉院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》撰文，重點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)了國內(nèi)外新能源材料的發(fā)展情況，分析了我國相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題，展望了國內(nèi)外新材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。面向2025年和2035年的新發(fā)展要求，文章闡述了我國新能源關(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)和重點任務(wù)。文章建議，完善頂層規(guī)劃，加大創(chuàng)新驅(qū)動政策支持力度，培育優(yōu)勢企業(yè)，開展生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺建設(shè)，加強人才隊伍建設(shè)，以期實現(xiàn)我國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、具有能量儲存和轉(zhuǎn)換功能的功能材料或結(jié)構(gòu)功能一體化材料。新能源材料對促進新能源的發(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)的投資與運行成本。

鋰離子電池是新能源汽車和電力調(diào)節(jié)最有競爭力的儲能技術(shù)，燃料電池是氫能時代的核心發(fā)電單元，因此，本文將重點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，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，力爭在未來國際競爭中搶占一席之地。具體來看，美國制定了“電動汽車國家創(chuàng)新計劃（EV Everywhere）”“材料基因組計劃”等重大戰(zhàn)略，近期還發(fā)布了《“儲能大挑戰(zhàn)”路線圖草案》；日本出臺了《納米與材料科學(xué)技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略》《新增長戰(zhàn)略》等規(guī)劃；歐盟把關(guān)鍵新材料視為先進制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，發(fā)布了“歐盟2020戰(zhàn)略”《電池2030+（BATTERY 2030+）》等。中國也專門制定了《中國制造2025》《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》等，力爭促進我國新能源材料產(chǎn)業(yè)發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，全面重塑技術(shù)方式，形成開放競合的發(fā)展生態(tài)。

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(lǐng)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。為此，抓緊機遇，合理規(guī)劃，提升新能源材料產(chǎn)業(yè)的支撐能力勢在必行，這對加快我國經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、增強國際競爭實力、實現(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、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(xué)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(rèn)證（3C）電池供應(yīng)商，韓國樂金（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(lǐng)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(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(lǐng)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。

（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(yīng)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(shè)備，有望實現(xiàn)趕超。

負(fù)極材料行業(yè)市場集中度較高，我國負(fù)極材料的國際市場占有率已處于領(lǐng)先水平，2019年中國企業(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，可滿足動力電池企業(yè)對負(fù)極材料的使用需求。

（三）電解液

全球電解液市場主要由日本三菱化學(xué)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(shè)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(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(lǐng)導(dǎo)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(yīng)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(zé)任公司等實現(xiàn)了六氟磷酸鋰電解質(zhì)鹽的規(guī)?；a(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)實現(xiàn)國產(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社和東燃化學(xué)株式會社兩家日本公司。我國在干法隔膜領(lǐng)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。

（五）膜電極相關(guān)的基礎(chǔ)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(chǔ)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(yīng)領(lǐng)域中處于領(lǐng)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。

（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。目前車用燃料電池電催化劑的國外供應(yīng)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(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催化劑的研究熱點之一。

（七）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(dǎo)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(lǐng)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(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)品進行碳紙研發(fā)。

三、我國新能源關(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)用于手機等信息電子終端產(chǎn)品、電動車和電力儲存領(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)新行動計劃（2016—2030年）》《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》等。目前，我國總體上已成為新能源材料大國，但大而不強，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，國內(nèi)企業(yè)部分功能添加劑的設(shè)計和生產(chǎn)在一定程度上依賴進口；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、碳紙等主要依賴進口。國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的超薄增強質(zhì)子交換膜大規(guī)模國產(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外相比還有較大差距；大規(guī)模使用的碳紙擴散層主要依賴進口，而國外正不斷提高碳紙售價且大幅減少出口，威脅著我國關(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)總體上仍落后國外先進水平，部分高端材料還依賴進口。技術(shù)創(chuàng)新能力不足、自主推出的新產(chǎn)品少、產(chǎn)品升級換代慢、相關(guān)專利及核心技術(shù)缺乏，阻礙了中國鋰離子電池參與國際市場競爭的步伐。關(guān)鍵材料Co、Li、石墨等資源不足，導(dǎo)致價格變動幅度大且有上漲趨勢。

我國車用燃料電池技術(shù)無論在電堆性能、壽命還是成本方面，與國際先進水平比較仍有較大差距。國外高端燃料電池產(chǎn)品目前對國內(nèi)禁售，亟需進行自主設(shè)計與開發(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口，如質(zhì)子交換膜。我國正在實施面向此類高端基礎(chǔ)材料的重大專項研究項目，預(yù)計在“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”合作平臺欠缺

我國新能源材料基礎(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，大量創(chuàng)新成果僅停留在實驗室研究階段，沒有高效的研發(fā)平臺將基礎(chǔ)性研究成果進行工藝小試驗證和中試放大研究，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。