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

（一）行業(yè)壟斷進(jìn)一步加劇，關(guān)鍵材料控制成為競爭焦點(diǎn)

國外跨國企業(yè)在新能源材料領(lǐng)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(dǎo)地位，通過技術(shù)和市場行業(yè)壟斷實(shí)施產(chǎn)品封鎖或傾銷，扼制競爭國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)及重大工程實(shí)施。材料技術(shù)的進(jìn)步是動力電池水平提升的基礎(chǔ)，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(xué)工業(yè)株式會社、美國3M公司等擁有硅基負(fù)極材料的關(guān)鍵專利技術(shù)。我國正負(fù)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。

在燃料電池領(lǐng)域，膜電極（包括催化劑、膜和碳紙）的性能及成本是限制燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的瓶頸。日本田中貴金屬集團(tuán)生產(chǎn)的鉑催化劑在國際市場份額占有率居于首位，美國戈?duì)柟驹谌蛸|(zhì)子交換膜供應(yīng)領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。日本東麗（Toray）集團(tuán)、德國西格里（SGL）公司、加拿大巴拉德（Ballard）動力系統(tǒng)公司等生產(chǎn)的碳紙是我國燃料電池領(lǐng)域的主要進(jìn)口產(chǎn)品，曾經(jīng)出現(xiàn)過碳紙供應(yīng)渠道中斷的情況，對我國的燃料電池技術(shù)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

（二）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(yīng)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(jìn)千家萬戶，同時(shí)，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(shí)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(jì)的燃料電池是世界強(qiáng)國布局未來發(fā)展的重點(diǎn)，隨著配套技術(shù)逐步改進(jìn)，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(jī)遇。

（三）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(shí)力，持續(xù)創(chuàng)新是保持科技強(qiáng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)；高鎳三元材料量產(chǎn)的軟包電池比能量達(dá)到288Wh/kg；乘用車領(lǐng)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(shí)驗(yàn)室中催化劑性能已經(jīng)超過美國能源部（DOE）2020年設(shè)置的技術(shù)指標(biāo)。在質(zhì)子交換膜方面，為提高燃料電池比功率，美國戈?duì)柟疽匀撬針渲瑸榛A(chǔ)制備超薄增強(qiáng)膜，使面電阻進(jìn)一步減小。在膜電極方面，國內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)室研究均已達(dá)到美國DOE設(shè)置的2020年膜電極鉑用量指標(biāo)（0.125mg/cm²），但目前國外最好的商業(yè)化車用膜電極鉑載量仍高達(dá)0.35~0.4mg/cm²。

（四）產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，新能源材料成為經(jīng)濟(jì)增長新引擎

隨著基礎(chǔ)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新研究能力的不斷提高，一系列新能源關(guān)鍵材料的核心技術(shù)不斷取得突破。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。

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(dá)到1500萬輛。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。由于具有功率密度高、室溫下快速啟動等優(yōu)點(diǎn)，PEMFC在交通運(yùn)輸和固定電站領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

五、我國新能源關(guān)鍵材料發(fā)展路徑

（一）發(fā)展思路

本文分別從鋰離子電池和燃料電池兩方面來闡述我國新能源關(guān)鍵材料今后的發(fā)展思路。

在鋰離子電池方面，支持動力電池關(guān)鍵材料與關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)攻關(guān)，完善鋰離子電池關(guān)鍵材料研發(fā)、測試、應(yīng)用驗(yàn)證和分析平臺建設(shè)，支撐鋰離子電池產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)品升級以及成本降低；持續(xù)支持新型電池體系的創(chuàng)新基礎(chǔ)與技術(shù)研究，發(fā)展更高比能量和高安全性、低成本電池技術(shù)；推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級（如發(fā)展先進(jìn)裝備、強(qiáng)化先進(jìn)控制與推行先進(jìn)管理）與產(chǎn)品升級，在國家新能源汽車政策的支持下，保持國內(nèi)市場高速發(fā)展；重視和促進(jìn)超大規(guī)模企業(yè)（或企業(yè)聯(lián)合體）的形成與發(fā)展，推動企業(yè)創(chuàng)新技術(shù)與產(chǎn)品、知名品牌以及高端人才隊(duì)伍的培育與培養(yǎng)，不斷夯實(shí)產(chǎn)業(yè)做“強(qiáng)”的基礎(chǔ)。

在燃料電池方面，不斷完善我國燃料電池的技術(shù)創(chuàng)新平臺，鼓勵開發(fā)應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池等小型實(shí)用燃料電池；支持低成本制氫技術(shù)與高容量儲氫技術(shù)的研究與示范應(yīng)用，發(fā)展燃料電池本體與材料技術(shù)以及燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)技術(shù)，降低燃料電池應(yīng)用成本；拓寬小型燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，推動燃料電池在電動車上的示范運(yùn)營，形成完整的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。

（二）發(fā)展目標(biāo)與重點(diǎn)任務(wù)

1.2025年的發(fā)展目標(biāo)與重點(diǎn)任務(wù)

（1）鋰離子電池

發(fā)展目標(biāo)為：力爭在2025年前，在動力電池方面實(shí)現(xiàn)固液混合鋰離子電池比能量400Wh/kg，循環(huán)1000次，實(shí)現(xiàn)在新能源動力系統(tǒng)中的全面應(yīng)用；金屬鋰負(fù)極二次電池比能量500Wh/kg；全固態(tài)金屬鋰電池比能量400Wh/kg，循環(huán)500次。2025年，預(yù)計(jì)正極材料年產(chǎn)能為2×106t、負(fù)極材料年產(chǎn)能為1×106t、隔膜年產(chǎn)能為1.5×1010m²、電解液年產(chǎn)能為6×105t。

重點(diǎn)發(fā)展任務(wù)為：重點(diǎn)研發(fā)高鎳低鈷或無鈷三元正極材料、高壓鎳錳尖晶石正極材料、富鋰錳基正極材料、碳/合金等高容量負(fù)極材料，研發(fā)陶瓷涂層隔膜等高安全性隔膜、阻燃電解液，研發(fā)耐高壓隔膜和電解液。研發(fā)基于三元/高壓/富鋰正極材料和高容量碳/合金負(fù)極材料的高能量密度單體電池，發(fā)展基于模型的極片/電池設(shè)計(jì)技術(shù)，提高電池功率和環(huán)境適應(yīng)性；開發(fā)高安全性隔膜、電解質(zhì)和高穩(wěn)定低電阻電極/電解質(zhì)界面技術(shù)，提升動力電池能量密度、功率密度、壽命、安全性以及降低成本等。帶動關(guān)鍵材料國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)動力電池規(guī)模制造與品質(zhì)保證技術(shù)的快速升級；提出固態(tài)動力鋰電池的設(shè)計(jì)原理和材料體系，闡明循環(huán)過程中動力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，形成固態(tài)電池系統(tǒng)自主技術(shù)，開展在新能源汽車等方面的應(yīng)用推廣。開展鋰離子動力電池的回收再利用技術(shù)研究，降低動力電池體系全生命周期成本，建立綠色全生命周期設(shè)計(jì)優(yōu)化評估，增強(qiáng)材料的綠色度和對環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。

（2）燃料電池

發(fā)展目標(biāo)為：2025年，實(shí)現(xiàn)加氫站現(xiàn)場制氫、儲氫模式的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣應(yīng)用；突破燃料電池關(guān)鍵技術(shù)，初步建立起燃料電池材料、部件和系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈。2025年鉑基電催化劑產(chǎn)能達(dá)到3t/a，滿足10萬套車用PEMFC系統(tǒng)的需要；酸性離子交換膜年產(chǎn)能為2×106m²；碳紙年產(chǎn)能為4×106m²，膜電極年產(chǎn)能達(dá)到2×106m²。

重點(diǎn)發(fā)展任務(wù)為：立足于我國燃料電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，重點(diǎn)突破低鉑燃料電池技術(shù)、超薄酸性離子交換膜技術(shù)、高性能碳紙制備技術(shù)、廉價(jià)金屬雙極板技術(shù)以及高性能長壽命膜電極制備技術(shù)。從基礎(chǔ)材料出發(fā)，一方面在催化方面創(chuàng)新理論，從合金到核殼再到單原子催化，不斷提高鉑有效利用率降低鉑載量；另一方面升級技術(shù)，對超薄復(fù)合膜的單體制備、基膜合成及超薄復(fù)合膜成型工藝進(jìn)行深入研究，并擴(kuò)大生產(chǎn)。對碳紙的制備理論、工藝、質(zhì)量控制等利用跨學(xué)科的綜合優(yōu)勢進(jìn)行協(xié)力攻關(guān)；開發(fā)電極制備新工藝，在靜電噴涂、紡絲等工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)穩(wěn)定可靠的薄層有序高性能膜電極的規(guī)模放大工藝。以燃料電池關(guān)鍵核心材料的突破為基礎(chǔ)，突破燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈需要的技術(shù)和設(shè)備，包括空壓機(jī)、回流泵、先進(jìn)控制器設(shè)計(jì)集成、輕質(zhì)化系統(tǒng)、抗震性以及低溫環(huán)境適應(yīng)設(shè)備設(shè)施等，完善輔助系統(tǒng)與燃料電池電堆的一體化設(shè)計(jì)，從關(guān)鍵材料、核心部件與輔助系統(tǒng)全方位降低成本、提高使用壽命，強(qiáng)化系統(tǒng)耐久性、可靠性和適應(yīng)性。

2.2035年的發(fā)展目標(biāo)與重點(diǎn)任務(wù)

（1）鋰離子電池

發(fā)展目標(biāo)為：2035年前，金屬鋰負(fù)極二次電池比能量500Wh/kg，循環(huán)1500次，實(shí)現(xiàn)在新能源汽車和特殊領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用；全固態(tài)金屬鋰電池比能量600Wh/kg，循環(huán)1000次，全產(chǎn)業(yè)鏈成熟；新型電池比能量800Wh/kg，循環(huán)100次。2035年擴(kuò)產(chǎn)后正極材料年產(chǎn)能為1×107t，負(fù)極材料年產(chǎn)能為3×106t，隔膜年產(chǎn)能為5×1010m²，電解液年產(chǎn)能為1.2×106t。

重點(diǎn)發(fā)展任務(wù)為：面向電動汽車產(chǎn)業(yè)化，需要持續(xù)提升磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元等正極材料和硬碳、硅基等負(fù)極材料的先進(jìn)制備技術(shù)和工藝，攻關(guān)功能電解液、高安全性隔膜等高性能動力電池的關(guān)鍵技術(shù)，支持鋰離子電池材料行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，開發(fā)高水平原位表征測量、無損檢測、高空間分辨率三維成像和高速檢測技術(shù)等。建立動力電池工藝技術(shù)裝備的研發(fā)和服務(wù)平臺，組織全行業(yè)力量進(jìn)行攻關(guān)，建立與我國現(xiàn)階段制造業(yè)比較優(yōu)勢相適應(yīng)的動力電池制造工藝/裝備和標(biāo)準(zhǔn)，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和新一代人工智能技術(shù)，解決動力電池及其關(guān)鍵材料制造的質(zhì)量、效率和成本等問題。組織國內(nèi)優(yōu)勢研發(fā)機(jī)構(gòu)，跨領(lǐng)域聯(lián)合開展新一代高容量鋰離子正負(fù)極材料和以鋰聚合物電池、鋰硫、鋰空氣、鈉空氣、全固態(tài)電池為代表的新型體系電池的深度的基礎(chǔ)研究和制造技術(shù)工藝研究開發(fā)，在下一代電池和材料發(fā)展過程中形成我國的高價(jià)值專利技術(shù)。

（2）燃料電池

發(fā)展目標(biāo)為：2035年，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫、儲氫、運(yùn)氫、用氫一體化，實(shí)現(xiàn)加氫站現(xiàn)場儲氫、制氫模式的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣應(yīng)用；自主掌握燃料電池核心技術(shù)，建立完備的燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，大規(guī)模推廣應(yīng)用氫能和燃料電池，創(chuàng)造突破萬億元人民幣的市場價(jià)值，氫能汽車占動力車輛總量的10%~15%，并承擔(dān)10%以上的能源需求。2035年擴(kuò)產(chǎn)后的低鉑催化劑能夠保障500萬套燃料電池系統(tǒng)對電催化劑的需要，產(chǎn)能達(dá)到50t/a，同時(shí)非鉑催化劑能夠行車試驗(yàn)；離子交換膜能夠保障500萬套燃料電池系統(tǒng)的需要，年產(chǎn)能達(dá)到7.5×107m²，膜電極年產(chǎn)能達(dá)到7.5×107m²。

重點(diǎn)發(fā)展任務(wù)為：瞄準(zhǔn)國際前沿，繼續(xù)保持我國在低成本堿性膜燃料電池研究方面的優(yōu)勢。在基礎(chǔ)材料方面重點(diǎn)開發(fā)新型高活性密度長壽命的非貴金屬催化劑，以過渡金屬Fe、Co及氮雜碳為立足點(diǎn)，創(chuàng)新催化理論，提出高體積活性密度的新型非貴金屬催化劑結(jié)構(gòu)，并加速放大及推向市場；繼續(xù)保持在堿性離子交換膜上的理論、設(shè)計(jì)和工藝創(chuàng)新，提出綠色環(huán)保的高性能長壽命堿性膜制備新工藝。在制備工藝以及燃料電池過程機(jī)理研究方面，借鑒酸性膜電極制備經(jīng)驗(yàn)研制堿性膜電極，重點(diǎn)開發(fā)堿性膜電極的環(huán)境空氣適應(yīng)性和水管理過程控制，為發(fā)展下一代廉價(jià)材料體系的高性能長壽命燃料電池奠定基礎(chǔ)。

六、對策建議

（一）頂層布局，加大政策支持力度

完善頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃，加強(qiáng)科技支撐，完善相關(guān)體系標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)能力建設(shè)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略協(xié)同發(fā)展。充分發(fā)揮企業(yè)和科研院所的作用，建立創(chuàng)新良性的協(xié)作模式，提高研究成果對企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)提升的推動作用，加強(qiáng)核心技術(shù)的專利布局。引導(dǎo)行業(yè)建立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范市場，營造良好的發(fā)展環(huán)境。同時(shí)，在國家層面上持續(xù)加強(qiáng)對立項(xiàng)科研項(xiàng)目的資助，支持新能源材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，出臺相關(guān)政策措施，激勵材料企業(yè)加大研發(fā)投入彌補(bǔ)技術(shù)短板，積極面對國際市場的競爭。

（二）實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動，培育優(yōu)勢企業(yè)

實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動，集中行業(yè)優(yōu)勢資源協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮材料企業(yè)主體作用，加大先進(jìn)材料的技術(shù)研發(fā)，持續(xù)提升材料性能，增加材料設(shè)備研發(fā)投入，提高生產(chǎn)工藝的精度、一致性和可靠性，進(jìn)一步降低成本，提高產(chǎn)業(yè)全球競爭優(yōu)勢。同時(shí)，加快新能源材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，培育一批技術(shù)雄厚、品質(zhì)優(yōu)良、行業(yè)引領(lǐng)的新能源材料企業(yè)，持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)融結(jié)合，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展。

（三）協(xié)同聯(lián)動，開展示范平臺建設(shè)

加強(qiáng)對科技創(chuàng)新的金融支持力度，通過各類產(chǎn)業(yè)投資基金等渠道，加速建設(shè)創(chuàng)新中心；通過國家科技計(jì)劃（專項(xiàng)、基金等）鼓勵前沿技術(shù)、共性核心技術(shù)的攻關(guān)；加大海外技術(shù)合作與引進(jìn)。另外，在國家重點(diǎn)領(lǐng)域開展生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺建設(shè)，有序推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，重點(diǎn)完善應(yīng)用開發(fā)軟硬件條件，突破關(guān)鍵領(lǐng)域共性應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新能源材料與終端產(chǎn)品同設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證、批量應(yīng)用等的協(xié)同聯(lián)動。

（四）柔性用才，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)

凝聚產(chǎn)業(yè)高端人才，強(qiáng)化人才梯隊(duì)建設(shè)；加強(qiáng)科技領(lǐng)軍人才、緊缺人才培養(yǎng)，鼓勵企業(yè)加大相關(guān)投入；實(shí)施海外人才引進(jìn)政策，促進(jìn)人才開展國際交流。通過柔性用才匯聚創(chuàng)新發(fā)展動力，激發(fā)人才發(fā)展活力，提高國際競爭力，形成國際化、人才集聚規(guī)?；娜瞬鸥窬帧?/p>

（作者：黃學(xué)杰，趙文武，邵志剛，陳立泉）