四、國內外新材料研發與產業發展趨勢
（一）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。
在燃料電池領域，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模商業化的瓶頸。日本田中貴金屬集團生產的鉑催化劑在國際市場份額占有率居于首位，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。日本東麗（Toray）集團、德國西格里（SGL）公司、加拿大巴拉德（Ballard）動力系統公司等生產的碳紙是我國燃料電池領域的主要進口產品，曾經出現過碳紙供應渠道中斷的情況，對我國的燃料電池技術安全構成了嚴重威脅。
（二）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。
（三）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，并已實現了規模化生產；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，使面電阻進一步減小。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（0.125mg/cm2），但目前國外最好的商業化車用膜電極鉑載量仍高達0.35~0.4mg/cm2。
（四）產業規模不斷擴大，新能源材料成為經濟增長新引擎
隨著基礎創新和應用創新研究能力的不斷提高，一系列新能源關鍵材料的核心技術不斷取得突破。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。
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。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。由于具有功率密度高、室溫下快速啟動等優點，PEMFC在交通運輸和固定電站領域有著廣泛的應用前景。
五、我國新能源關鍵材料發展路徑
（一）發展思路
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鍵材料今后的發展思路。
在鋰離子電池方面，支持動力電池關鍵材料與關鍵設備的技術攻關，完善鋰離子電池關鍵材料研發、測試、應用驗證和分析平臺建設，支撐鋰離子電池產業與產品升級以及成本降低；持續支持新型電池體系的創新基礎與技術研究，發展更高比能量和高安全性、低成本電池技術；推進產業升級（如發展先進裝備、強化先進控制與推行先進管理）與產品升級，在國家新能源汽車政策的支持下，保持國內市場高速發展；重視和促進超大規模企業（或企業聯合體）的形成與發展，推動企業創新技術與產品、知名品牌以及高端人才隊伍的培育與培養，不斷夯實產業做“強”的基礎。
在燃料電池方面，不斷完善我國燃料電池的技術創新平臺，鼓勵開發應用質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池等小型實用燃料電池；支持低成本制氫技術與高容量儲氫技術的研究與示范應用，發展燃料電池本體與材料技術以及燃料電池電動汽車動力系統技術，降低燃料電池應用成本；拓寬小型燃料電池系統的應用領域，推動燃料電池在電動車上的示范運營，形成完整的應用產業鏈。
（二）發展目標與重點任務
1.2025年的發展目標與重點任務
（1）鋰離子電池
發展目標為：力爭在2025年前，在動力電池方面實現固液混合鋰離子電池比能量400Wh/kg，循環1000次，實現在新能源動力系統中的全面應用；金屬鋰負極二次電池比能量500Wh/kg；全固態金屬鋰電池比能量400Wh/kg，循環500次。2025年，預計正極材料年產能為2×106t、負極材料年產能為1×106t、隔膜年產能為1.5×1010m2、電解液年產能為6×105t。
重點發展任務為：重點研發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/合金等高容量負極材料，研發陶瓷涂層隔膜等高安全性隔膜、阻燃電解液，研發耐高壓隔膜和電解液。研發基于三元/高壓/富鋰正極材料和高容量碳/合金負極材料的高能量密度單體電池，發展基于模型的極片/電池設計技術，提高電池功率和環境適應性；開發高安全性隔膜、電解質和高穩定低電阻電極/電解質界面技術，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。帶動關鍵材料國產化，實現動力電池規模制造與品質保證技術的快速升級；提出固態動力鋰電池的設計原理和材料體系，闡明循環過程中動力學特性及結構演化規律，形成固態電池系統自主技術，開展在新能源汽車等方面的應用推廣。開展鋰離子動力電池的回收再利用技術研究，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計優化評估，增強材料的綠色度和對環境的可持續性發展。
（2）燃料電池
發展目標為：2025年，實現加氫站現場制氫、儲氫模式的標準化和推廣應用；突破燃料電池關鍵技術，初步建立起燃料電池材料、部件和系統的產業鏈。2025年鉑基電催化劑產能達到3t/a，滿足10萬套車用PEMFC系統的需要；酸性離子交換膜年產能為2×106m2；碳紙年產能為4×106m2，膜電極年產能達到2×106m2。
重點發展任務為：立足于我國燃料電池產業現狀，重點突破低鉑燃料電池技術、超薄酸性離子交換膜技術、高性能碳紙制備技術、廉價金屬雙極板技術以及高性能長壽命膜電極制備技術。從基礎材料出發，一方面在催化方面創新理論，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，對超薄復合膜的單體制備、基膜合成及超薄復合膜成型工藝進行深入研究，并擴大生產。對碳紙的制備理論、工藝、質量控制等利用跨學科的綜合優勢進行協力攻關；開發電極制備新工藝，在靜電噴涂、紡絲等工藝基礎上，開發穩定可靠的薄層有序高性能膜電極的規模放大工藝。以燃料電池關鍵核心材料的突破為基礎，突破燃料電池全產業鏈需要的技術和設備，包括空壓機、回流泵、先進控制器設計集成、輕質化系統、抗震性以及低溫環境適應設備設施等，完善輔助系統與燃料電池電堆的一體化設計，從關鍵材料、核心部件與輔助系統全方位降低成本、提高使用壽命，強化系統耐久性、可靠性和適應性。
2.2035年的發展目標與重點任務
（1）鋰離子電池
發展目標為：2035年前，金屬鋰負極二次電池比能量500Wh/kg，循環1500次，實現在新能源汽車和特殊領域的規模應用；全固態金屬鋰電池比能量600Wh/kg，循環1000次，全產業鏈成熟；新型電池比能量800Wh/kg，循環100次。2035年擴產后正極材料年產能為1×107t，負極材料年產能為3×106t，隔膜年產能為5×1010m2，電解液年產能為1.2×106t。
重點發展任務為：面向電動汽車產業化，需要持續提升磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元等正極材料和硬碳、硅基等負極材料的先進制備技術和工藝，攻關功能電解液、高安全性隔膜等高性能動力電池的關鍵技術，支持鋰離子電池材料行業的技術進步，開發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等。建立動力電池工藝技術裝備的研發和服務平臺，組織全行業力量進行攻關，建立與我國現階段制造業比較優勢相適應的動力電池制造工藝/裝備和標準，采用物聯網、大數據和新一代人工智能技術，解決動力電池及其關鍵材料制造的質量、效率和成本等問題。組織國內優勢研發機構，跨領域聯合開展新一代高容量鋰離子正負極材料和以鋰聚合物電池、鋰硫、鋰空氣、鈉空氣、全固態電池為代表的新型體系電池的深度的基礎研究和制造技術工藝研究開發，在下一代電池和材料發展過程中形成我國的高價值專利技術。
（2）燃料電池
發展目標為：2035年，實現大規模制氫、儲氫、運氫、用氫一體化，實現加氫站現場儲氫、制氫模式的標準化和推廣應用；自主掌握燃料電池核心技術，建立完備的燃料電池產業鏈，大規模推廣應用氫能和燃料電池，創造突破萬億元人民幣的市場價值，氫能汽車占動力車輛總量的10%~15%，并承擔10%以上的能源需求。2035年擴產后的低鉑催化劑能夠保障500萬套燃料電池系統對電催化劑的需要，產能達到50t/a，同時非鉑催化劑能夠行車試驗；離子交換膜能夠保障500萬套燃料電池系統的需要，年產能達到7.5×107m2，膜電極年產能達到7.5×107m2。
重點發展任務為：瞄準國際前沿，繼續保持我國在低成本堿性膜燃料電池研究方面的優勢。在基礎材料方面重點開發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，創新催化理論，提出高體積活性密度的新型非貴金屬催化劑結構，并加速放大及推向市場；繼續保持在堿性離子交換膜上的理論、設計和工藝創新，提出綠色環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理研究方面，借鑒酸性膜電極制備經驗研制堿性膜電極，重點開發堿性膜電極的環境空氣適應性和水管理過程控制，為發展下一代廉價材料體系的高性能長壽命燃料電池奠定基礎。
六、對策建議
（一）頂層布局，加大政策支持力度
完善頂層設計和規劃，加強科技支撐，完善相關體系標準規范，加強能力建設，實現戰略協同發展。充分發揮企業和科研院所的作用，建立創新良性的協作模式，提高研究成果對企業生產技術提升的推動作用，加強核心技術的專利布局。引導行業建立產品標準，規范市場，營造良好的發展環境。同時，在國家層面上持續加強對立項科研項目的資助，支持新能源材料相關技術的發展，重點關注關鍵技術薄弱環節，出臺相關政策措施，激勵材料企業加大研發投入彌補技術短板，積極面對國際市場的競爭。
（二）實施創新驅動，培育優勢企業
實施創新驅動，集中行業優勢資源協同攻關，發揮材料企業主體作用，加大先進材料的技術研發，持續提升材料性能，增加材料設備研發投入，提高生產工藝的精度、一致性和可靠性，進一步降低成本，提高產業全球競爭優勢。同時，加快新能源材料產業結構調整、組織結構設計、技術結構優化，培育一批技術雄厚、品質優良、行業引領的新能源材料企業，持續推進產融結合，實現跨越發展。
（三）協同聯動，開展示范平臺建設
加強對科技創新的金融支持力度，通過各類產業投資基金等渠道，加速建設創新中心；通過國家科技計劃（專項、基金等）鼓勵前沿技術、共性核心技術的攻關；加大海外技術合作與引進。另外，在國家重點領域開展生產應用示范平臺建設，有序推進產業轉型升級，重點完善應用開發軟硬件條件，突破關鍵領域共性應用技術，實現新能源材料與終端產品同設計、系統驗證、批量應用等的協同聯動。
（四）柔性用才，加強人才隊伍建設
凝聚產業高端人才，強化人才梯隊建設；加強科技領軍人才、緊缺人才培養，鼓勵企業加大相關投入；實施海外人才引進政策，促進人才開展國際交流。通過柔性用才匯聚創新發展動力，激發人才發展活力，提高國際競爭力，形成國際化、人才集聚規模化的人才格局。
（作者：黃學杰，趙文武，邵志剛，陳立泉）
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