四、国内外新材料研发与产业发展趋势
（一）行业垄断进一步加剧，关键材料控制成为竞争焦点
国外跨国企业在新能源材料领域不断拓展，尤其在高附加值的关键战略材料产品中占据主导地位，通过技术和市场行业垄断实施产品封锁或倾销，扼制竞争国家的经济建设及重大工程实施。材料技术的进步是动力电池水平提升的基础，以三元电池为例，目前正处于低镍向高镍的转化期。美国少数企业垄断了高容量富锂和低钴/无钴正极材料的技术专利，德国、日本和韩国的少数企业在高镍低钴三元电池材料中占据优势地位，日本信越化学工业株式会社、美国3M公司等拥有硅基负极材料的关键专利技术。我国正负极材料和电池产能已是世界第一，但核心专利技术仍然缺乏。
在燃料电池领域，膜电极（包括催化剂、膜和碳纸）的性能及成本是限制燃料电池大规模商业化的瓶颈。日本田中贵金属集团生产的铂催化剂在国际市场份额占有率居于首位，美国戈尔公司在全球质子交换膜供应领域中处于领先地位。日本东丽（Toray）集团、德国西格里（SGL）公司、加拿大巴拉德（Ballard）动力系统公司等生产的碳纸是我国燃料电池领域的主要进口产品，曾经出现过碳纸供应渠道中断的情况，对我国的燃料电池技术安全构成了严重威胁。
（二）绿色低碳成为新能源材料发展的重要趋势
以节能环保和绿色低碳为代表的新能源产业迅速崛起，带动关键材料产业及应用的绿色化和低碳化发展。锂离子电池材料和燃料电池材料技术的不断突破使新能源汽车逐步走进千家万户，同时，汽车的电动化与智能化相得益彰，带来汽车行业和能源行业的深刻变革。未来10年将是现有主流混合动力和纯电动汽车市场发展的黄金时代，也是燃料电池汽车技术快速发展的10年，必将推动燃料电池用车载制氢系统的发展。高效、清洁、经济的燃料电池是世界强国布局未来发展的重点，随着配套技术逐步改进，燃料电池汽车有望在15~20年内成为新能源汽车的主流，特别是在重型货车和长途客车市场，将为重整制氢用高温催化材料迎来前所未有的发展机遇。
（三）新能源材料的高性能化、尖端化发展明显加速
重大原创成果代表着科技硬实力，持续创新是保持科技强国地位的基石。随着一系列高新技术的突破，以锂离子电池和燃料电池关键材料为代表的新能源材料继续向更高精尖、高性能方向发展。
在技术进步和产业发展双因素共同作用下，电池系统技术水平明显提升，生产成本也呈持续下降趋势。近年来，我国动力电池技术飞跃发展，并已实现了规模化生产；高镍三元材料量产的软包电池比能量达到288Wh/kg；乘用车领域的电池系统比能量集中在140~160Wh/kg，在成组效率及能量密度方面普遍高于国际同期其他产品。
燃料电池关键材料、核心部件、电堆与系统的性能持续迅速提升。在催化剂方面，国内外均采用合金化以及形貌调控技术，使我国实验室中催化剂性能已经超过美国能源部（DOE）2020年设置的技术指标。在质子交换膜方面，为提高燃料电池比功率，美国戈尔公司以全氟磺酸树脂为基础制备超薄增强膜，使面电阻进一步减小。在膜电极方面，国内外的实验室研究均已达到美国DOE设置的2020年膜电极铂用量指标（0.125mg/cm2），但目前国外最好的商业化车用膜电极铂载量仍高达0.35~0.4mg/cm2。
（四）产业规模不断扩大，新能源材料成为经济增长新引擎
随着基础创新和应用创新研究能力的不断提高，一系列新能源关键材料的核心技术不断取得突破。我国已成为国际主要的锂离子电池材料生产国。在燃料电池方面，国内有多个省市推出了氢能与燃料电池的发展规范。
发展新能源汽车是保障我国能源安全的重大战略举措，是降低汽车污染排放的有效途径。2019年，我国新能源汽车销量超120万辆，位居世界首位，2030年有望达到1500万辆。锂离子电池为我国新能源汽车的跨越式发展和能源安全提供了关键支撑。由于具有功率密度高、室温下快速启动等优点，PEMFC在交通运输和固定电站领域有着广泛的应用前景。
五、我国新能源关键材料发展路径
（一）发展思路
本文分别从锂离子电池和燃料电池两方面来阐述我国新能源关键材料今后的发展思路。
在锂离子电池方面，支持动力电池关键材料与关键设备的技术攻关，完善锂离子电池关键材料研发、测试、应用验证和分析平台建设，支撑锂离子电池产业与产品升级以及成本降低；持续支持新型电池体系的创新基础与技术研究，发展更高比能量和高安全性、低成本电池技术；推进产业升级（如发展先进装备、强化先进控制与推行先进管理）与产品升级，在国家新能源汽车政策的支持下，保持国内市场高速发展；重视和促进超大规模企业（或企业联合体）的形成与发展，推动企业创新技术与产品、知名品牌以及高端人才队伍的培育与培养，不断夯实产业做“强”的基础。
在燃料电池方面，不断完善我国燃料电池的技术创新平台，鼓励开发应用质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等小型实用燃料电池；支持低成本制氢技术与高容量储氢技术的研究与示范应用，发展燃料电池本体与材料技术以及燃料电池电动汽车动力系统技术，降低燃料电池应用成本；拓宽小型燃料电池系统的应用领域，推动燃料电池在电动车上的示范运营，形成完整的应用产业链。
（二）发展目标与重点任务
1.2025年的发展目标与重点任务
（1）锂离子电池
发展目标为：力争在2025年前，在动力电池方面实现固液混合锂离子电池比能量400Wh/kg，循环1000次，实现在新能源动力系统中的全面应用；金属锂负极二次电池比能量500Wh/kg；全固态金属锂电池比能量400Wh/kg，循环500次。2025年，预计正极材料年产能为2×106t、负极材料年产能为1×106t、隔膜年产能为1.5×1010m2、电解液年产能为6×105t。
重点发展任务为：重点研发高镍低钴或无钴三元正极材料、高压镍锰尖晶石正极材料、富锂锰基正极材料、碳/合金等高容量负极材料，研发陶瓷涂层隔膜等高安全性隔膜、阻燃电解液，研发耐高压隔膜和电解液。研发基于三元/高压/富锂正极材料和高容量碳/合金负极材料的高能量密度单体电池，发展基于模型的极片/电池设计技术，提高电池功率和环境适应性；开发高安全性隔膜、电解质和高稳定低电阻电极/电解质界面技术，提升动力电池能量密度、功率密度、寿命、安全性以及降低成本等。带动关键材料国产化，实现动力电池规模制造与品质保证技术的快速升级；提出固态动力锂电池的设计原理和材料体系，阐明循环过程中动力学特性及结构演化规律，形成固态电池系统自主技术，开展在新能源汽车等方面的应用推广。开展锂离子动力电池的回收再利用技术研究，降低动力电池体系全生命周期成本，建立绿色全生命周期设计优化评估，增强材料的绿色度和对环境的可持续性发展。
（2）燃料电池
发展目标为：2025年，实现加氢站现场制氢、储氢模式的标准化和推广应用；突破燃料电池关键技术，初步建立起燃料电池材料、部件和系统的产业链。2025年铂基电催化剂产能达到3t/a，满足10万套车用PEMFC系统的需要；酸性离子交换膜年产能为2×106m2；碳纸年产能为4×106m2，膜电极年产能达到2×106m2。
重点发展任务为：立足于我国燃料电池产业现状，重点突破低铂燃料电池技术、超薄酸性离子交换膜技术、高性能碳纸制备技术、廉价金属双极板技术以及高性能长寿命膜电极制备技术。从基础材料出发，一方面在催化方面创新理论，从合金到核壳再到单原子催化，不断提高铂有效利用率降低铂载量；另一方面升级技术，对超薄复合膜的单体制备、基膜合成及超薄复合膜成型工艺进行深入研究，并扩大生产。对碳纸的制备理论、工艺、质量控制等利用跨学科的综合优势进行协力攻关；开发电极制备新工艺，在静电喷涂、纺丝等工艺基础上，开发稳定可靠的薄层有序高性能膜电极的规模放大工艺。以燃料电池关键核心材料的突破为基础，突破燃料电池全产业链需要的技术和设备，包括空压机、回流泵、先进控制器设计集成、轻质化系统、抗震性以及低温环境适应设备设施等，完善辅助系统与燃料电池电堆的一体化设计，从关键材料、核心部件与辅助系统全方位降低成本、提高使用寿命，强化系统耐久性、可靠性和适应性。
2.2035年的发展目标与重点任务
（1）锂离子电池
发展目标为：2035年前，金属锂负极二次电池比能量500Wh/kg，循环1500次，实现在新能源汽车和特殊领域的规模应用；全固态金属锂电池比能量600Wh/kg，循环1000次，全产业链成熟；新型电池比能量800Wh/kg，循环100次。2035年扩产后正极材料年产能为1×107t，负极材料年产能为3×106t，隔膜年产能为5×1010m2，电解液年产能为1.2×106t。
重点发展任务为：面向电动汽车产业化，需要持续提升磷酸铁锂、锰酸锂、三元等正极材料和硬碳、硅基等负极材料的先进制备技术和工艺，攻关功能电解液、高安全性隔膜等高性能动力电池的关键技术，支持锂离子电池材料行业的技术进步，开发高水平原位表征测量、无损检测、高空间分辨率三维成像和高速检测技术等。建立动力电池工艺技术装备的研发和服务平台，组织全行业力量进行攻关，建立与我国现阶段制造业比较优势相适应的动力电池制造工艺/装备和标准，采用物联网、大数据和新一代人工智能技术，解决动力电池及其关键材料制造的质量、效率和成本等问题。组织国内优势研发机构，跨领域联合开展新一代高容量锂离子正负极材料和以锂聚合物电池、锂硫、锂空气、钠空气、全固态电池为代表的新型体系电池的深度的基础研究和制造技术工艺研究开发，在下一代电池和材料发展过程中形成我国的高价值专利技术。
（2）燃料电池
发展目标为：2035年，实现大规模制氢、储氢、运氢、用氢一体化，实现加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用；自主掌握燃料电池核心技术，建立完备的燃料电池产业链，大规模推广应用氢能和燃料电池，创造突破万亿元人民币的市场价值，氢能汽车占动力车辆总量的10%~15%，并承担10%以上的能源需求。2035年扩产后的低铂催化剂能够保障500万套燃料电池系统对电催化剂的需要，产能达到50t/a，同时非铂催化剂能够行车试验；离子交换膜能够保障500万套燃料电池系统的需要，年产能达到7.5×107m2，膜电极年产能达到7.5×107m2。
重点发展任务为：瞄准国际前沿，继续保持我国在低成本碱性膜燃料电池研究方面的优势。在基础材料方面重点开发新型高活性密度长寿命的非贵金属催化剂，以过渡金属Fe、Co及氮杂碳为立足点，创新催化理论，提出高体积活性密度的新型非贵金属催化剂结构，并加速放大及推向市场；继续保持在碱性离子交换膜上的理论、设计和工艺创新，提出绿色环保的高性能长寿命碱性膜制备新工艺。在制备工艺以及燃料电池过程机理研究方面，借鉴酸性膜电极制备经验研制碱性膜电极，重点开发碱性膜电极的环境空气适应性和水管理过程控制，为发展下一代廉价材料体系的高性能长寿命燃料电池奠定基础。
六、对策建议
（一）顶层布局，加大政策支持力度
完善顶层设计和规划，加强科技支撑，完善相关体系标准规范，加强能力建设，实现战略协同发展。充分发挥企业和科研院所的作用，建立创新良性的协作模式，提高研究成果对企业生产技术提升的推动作用，加强核心技术的专利布局。引导行业建立产品标准，规范市场，营造良好的发展环境。同时，在国家层面上持续加强对立项科研项目的资助，支持新能源材料相关技术的发展，重点关注关键技术薄弱环节，出台相关政策措施，激励材料企业加大研发投入弥补技术短板，积极面对国际市场的竞争。
（二）实施创新驱动，培育优势企业
实施创新驱动，集中行业优势资源协同攻关，发挥材料企业主体作用，加大先进材料的技术研发，持续提升材料性能，增加材料设备研发投入，提高生产工艺的精度、一致性和可靠性，进一步降低成本，提高产业全球竞争优势。同时，加快新能源材料产业结构调整、组织结构设计、技术结构优化，培育一批技术雄厚、品质优良、行业引领的新能源材料企业，持续推进产融结合，实现跨越发展。
（三）协同联动，开展示范平台建设
加强对科技创新的金融支持力度，通过各类产业投资基金等渠道，加速建设创新中心；通过国家科技计划（专项、基金等）鼓励前沿技术、共性核心技术的攻关；加大海外技术合作与引进。另外，在国家重点领域开展生产应用示范平台建设，有序推进产业转型升级，重点完善应用开发软硬件条件，突破关键领域共性应用技术，实现新能源材料与终端产品同设计、系统验证、批量应用等的协同联动。
（四）柔性用才，加强人才队伍建设
凝聚产业高端人才，强化人才梯队建设；加强科技领军人才、紧缺人才培养，鼓励企业加大相关投入；实施海外人才引进政策，促进人才开展国际交流。通过柔性用才汇聚创新发展动力，激发人才发展活力，提高国际竞争力，形成国际化、人才集聚规模化的人才格局。
（作者：黄学杰，赵文武，邵志刚，陈立泉）
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