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

中國工程院陳立泉院士科研團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《中國工程科學(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(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(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)最有競爭力的儲(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，美國、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(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(dòng)汽車國家創(chuàng)新計(jì)劃（EVEverywhere）”“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+（BATTERY2030+）》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(xiàng)規(guī)劃》等，力爭促進(jìn)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(kuò)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(shí)現(xiàn)快速發(fā)展提供了堅(jiān)強(qiáng)的支撐。從整體來看，我國新能源材料領(lǐng)域與國外先進(jìn)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(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)的支撐能力勢在必行，這對加快我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、增強(qiáng)國際競爭實(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(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；村田制作所是中國強(qiáng)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、SKInnovation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(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(dòng)化裝備仍需大量進(jìn)口。近年來，在國家相關(guān)部門的支持和推動(dòng)下，特別是受益于我國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(jìn)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(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(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(huì)社、日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社、韓國三星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(dòng)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(jìn)入國際主流電池企業(yè)供應(yīng)鏈體系，實(shí)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(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(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，基本可滿足國內(nèi)動(dòng)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(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(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、加拿大、日本、比利時(shí)等，其中美國戈?duì)柟驹谌蛸|(zhì)子交換膜供應(yīng)領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。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(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(diǎn)。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（JohnsonMatthey）、日本田中貴金屬集團(tuán)（TKK）、德國巴斯夫化工集團(tuán)（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(jī)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(tuán)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(diǎn)之一。

（七）氣體擴(kuò)散層基材

在擴(kuò)散層方面，市場上商業(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(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(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(kuò)散層主要依賴進(jìn)口，而國外正不斷提高碳紙售價(jià)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(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(jià)格變動(dòng)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(jìn)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(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(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。

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(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力和純電動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池技術(shù)飛躍發(fā)展，并已實(shí)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(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(gè)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(dòng)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(dòng)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(tái)建設(shè)，支撐鋰離子電池產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)品升級(jí)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(jí)（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(jí)，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(dòng)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(tái)，鼓勵(lì)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(chǔ)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(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)燃料電池在電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)關(guān)鍵材料國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池規(guī)模制造與品質(zhì)保證技術(shù)的快速升級(jí)；提出固態(tài)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池的回收再利用技術(shù)研究，降低動(dòng)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(píng)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(chǔ)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池工藝技術(shù)裝備的研發(fā)和服務(wù)平臺(tái)，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(dòng)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(dòng)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(chǔ)氫、運(yùn)氫、用氫一體化，實(shí)現(xiàn)加氫站現(xiàn)場儲(chǔ)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(dòng)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)。

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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(dòng)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(tái)相關(guān)政策措施，激勵(lì)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(dòng)，培育優(yōu)勢企業(yè)

實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，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(dòng)，開展示范平臺(tái)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(lì)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(tái)建設(shè)，有序推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，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(dòng)。

（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(lì)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(dòng)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)模化的人才格局。

作者：黃學(xué)杰，趙文武，邵志剛，陳立泉中國工程院院刊