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陈立泉院士科研团队:新能源材料发展战略及对



  新能源材料指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。作为战略性新兴产业的重要组成部分,新型能源材料产业的发展关系到国民经济、社会发展和国家安全。

  中国工程院陈立泉院士科研团队在中国工程院院刊《中国工程科学》撰文,重点研究了以锂离子电池和燃料电池关键材料为代表的新能源材料发展战略,总结了国内外新能源材料的发展情况,分析了我国相关材料产业发展存在的问题,展望了国内外新材料研发与产业的发展趋势。面向2025年和2035年的新发展要求,文章阐述了我国新能源关键材料在锂离子电池和燃料电池领域的发展思路,细化了发展目标和重点任务。文章建议,完善顶层规划,加大创新驱动政策支持力度,培育优势企业,开展生产应用示范平台建设,加强人才队伍建设,以期实现我国新能源材料的跨越发展。

  新能源材料指支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料对促进新能源的发展发挥了重要作用,新能源材料的发明催生了新能源系统的诞生,新能源材料的应用提高了新能源系统的效率,新能源材料的使用直接影响着新能源系统的投资与运行成本。

  锂离子电池是新能源汽车和电力调节最有竞争力的储能技术,燃料电池是氢能时代的核心发电单元,因此,本文将重点研究以锂离子电池和燃料电池关键材料为代表的新能源材料发展战略。

  纵观全球发展态势,美国、日本、欧盟等发达国家和地区,以及俄罗斯、巴西、印度和南非等新兴经济体陆续推行一系列支撑新能源材料产业发展的政策和措施,力争在未来国际竞争中抢占一席之地。具体来看,美国制定了“电动汽车国家创新计划(EV Everywhere)”“材料基因组计划”等重大战略,近期还发布了《“储能大挑战”路线图草案》;日本出台了《纳米与材料科学技术研发战略》《新增长战略》等规划;欧盟把关键新材料视为先进制造业的重要基础,发布了“欧盟2020战略”《电池2030+(BATTERY 2030+)》等。中国也专门制定了《中国制造2025》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等,力争促进我国新能源材料产业发生结构性变化,全面重塑技术方式,形成开放竞合的发展生态。

  经过多年努力,我国新能源材料产业取得了显著发展,技术水平日益提高,产业规模不断扩大,为我国锂离子电池材料、燃料电池材料等高技术产业突破技术壁垒、实现快速发展提供了坚强的支撑。从整体来看,我国新能源材料领域与国外先进水平相比仍存在较大差距。今后,我国新能源材料产业的竞争力仍需加强,以企业为主体的自主创新体系亟待完善,部分核心关键材料受制于人、高端材料对外依存度较高的问题需解决。为此,抓紧机遇,合理规划,提升新能源材料产业的支撑能力势在必行,这对加快我国经济发展方式转变、增强国际竞争实力、实现材料绿色低碳化发展目标具有重要的战略意义。

  目前,锂离子电池领域的核心技术多被欧盟、美国、日本、韩国等国家和地区掌握,其中,日本最早开始生产锂离子电池,技术实力最为雄厚。日本松下电器产业株式会社控制了特斯拉汽车公司的电池产业链;日本电气株式会社(NEC)和韩国LG化学公司生产的锂离子电池在日产Leaf电动车、通用Volt电动车各有良好的安全运行记录;村田制作所是中国强制性产品认证(3C)电池供应商,韩国乐金(LG)化学公司、三星SDI公司、SK Innovation电池公司是大众汽车、宝马汽车和奔驰汽车的主力供应商。我国一直重视锂离子电池材料的研究,在20世纪80年代就将其列为863计划的重点项目。近年来随着新能源汽车产业的发展,对锂离子电池材料的研发投入仍一直保持较高的强度。

  与发达国家相比,我国锂离子电池中的部分新材料高端产品占比还比较低,技术含量不高,产品的附加值较低,高端材料和电池的高精度自动化装备仍需大量进口。近年来,在国家相关部门的支持和推动下,特别是受益于我国新能源汽车和智能手机领域的快速发展,宁德时代新能源科技有限公司和比亚迪股份有限公司已成为全球动力电池的主力供应商。在电极材料方面,上海杉杉科技有限公司和贝特瑞新材料集团股份有限公司的产能规模已位于全球前列,我国的电解液和隔膜产能已占全球总产能的50%以上。

  在专利方面,美国、日本、韩国已在锂离子电池领域进行了比较全面的覆盖,突破专利封锁是我国锂离子电池发展必须要解决的难题。

  在磷酸铁锂和中低镍三元正极材料技术及产品方面,我国相关企业发挥后发优势,相关产品已在国内市场得到广泛应用,部分产品已出口;在高镍多元材料方面,我国目前尚处于追赶阶段,相关企业通过解决关键问题和升级改造量产线设备,有望实现赶超。

  负极材料行业市场集中度较高,我国负极材料的国际市场占有率已处于领先水平,2019年中国企业的出货量占全球总出货量的74%。代表性企业如贝特瑞新材料集团股份有限公司、上海杉杉科技有限公司、江西紫宸科技有限公司等在负极材料的研发和产业化方面已位于世界领先地位,可满足动力电池企业对负极材料的使用需求。

  全球电解液市场主要由日本三菱化学株式会社、日本宇部兴产株式会社、韩国三星SDI公司占据,各公司都拥有独特的添加剂制备技术。我国企业在部分功能添加剂的设计和生产方面还存在一定的进口依赖现象。

  从电解液产业角度看,广州天赐高新材料股份有限公司、深圳新宙邦科技股份有限公司、张家港国泰华荣化工新材料有限公司和天津金牛电源材料有限责任公司等电解液生产企业在研发和产业化方面已位于世界前列,可满足国内动力电池公司对电解液的需求,市场集中度不断提高,行业领导集群已逐渐形成,其中部分企业已进入国际主流电池企业供应链体系,实现了海外市场的突破。

  目前,碳酸酯类溶剂和六氟磷酸锂已主要由国内进行生产,代表性企业如广州天赐高新材料股份有限公司、多氟多化工股份有限公司、天津金牛电源材料有限责任公司等实现了六氟磷酸锂电解质盐的规模化生产,大规模应用的电解液功能添加剂(如碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3–丙烷磺酸内酯、1,3–丙烯磺酸内酯、硫酸乙烯酯等)也已经实现国产化。

  目前,世界上最好的锂电池隔膜材料来自旭化成株式会社和东燃化学株式会社两家日本公司。我国在干法隔膜领域的市场占有率已超过美国、韩国和日本,湿法隔膜进入大幅扩张期。上海恩捷新材料科技有限公司、苏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、深圳星源材质科技股份有限公司等企业已形成独具特色的产业化发展模式,基本可满足国内动力电池公司对电池隔膜的需求,但生产隔膜的原料和核心装备目前仍依赖进口。

  在燃料电池方面,我国金属双极板技术的原始创新不足,主要体现在与膜电极相关的基础材料研究与国际先进水平存在较大差距,尤其是质子交换膜。全球生产全氟磺酸膜的企业主要集中在美国、加拿大、日本、比利时等,其中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。我国山东东岳化工有限公司在质子交换膜研发和产业化方面进展较快,形成了完善的氟硅材料产业链。浙江汉丞科技有限公司已经掌握超高分子量聚四氟乙烯树脂、含氟质子交换树脂、双向拉伸薄膜及涂膜等质子交换膜全产业链的关键技术,拥有自主知识产权,并已开始质子交换树脂和膜的大规模生产。国内外的膜电极技术水平均有大幅提升,国内赶超国外水平的趋势明显。

  在催化剂方面,开发低铂或非铂的高活性、高稳定性的氧还原反应(ORR)催化剂一直是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的研究重点。目前车用燃料电池电催化剂的国外供应商主要有英国庄信万丰公司(Johnson Matthey)、日本田中贵金属集团(TKK)、德国巴斯夫化工集团(BASF)等。国内燃料电池催化剂尚处于研究开发阶段,主要有两类机构:一类是企业,如贵研铂业股份有限公司主营汽车尾气铂催化剂,已和上海汽车集团共同研发燃料电池催化剂;另一类是研究所,如中国科学院大连化学物理研究所制备的Pd@Pt/C核壳催化剂,其氧还原活性与稳定性表现优异。目前,铂合金催化剂是ORR催化剂的研究热点之一。

  在扩散层方面,市场上商业化的碳纸或碳布可作为气体扩散层的基材,如日本东丽(Toray)碳纸,德国西格里(SGL)碳纸等,都是成熟的碳纸/碳布材料和气体扩散层产品。其中,日本东丽集团生产的碳纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点,在全球市场上占据较大的市场份额,拥有的碳纸相关专利也较多。欧洲杯!国内在该领域尚没有商业化产品,亟需开发自主可控的扩散层产品。目前,中南大学正持续开展燃料电池用碳纸的研究,江苏天鸟高新技术股份有限公司基于碳纤维产品进行碳纸研发。

  以锂离子电池为代表的二次电池广泛应用于手机等信息电子终端产品、电动车和电力储存领域,服务于信息产业,更是交通能源变革和电力能源革命的重要支持技术。燃料电池技术作为我国新能源产业的关键核心技术之一,被列入《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》《“十三五”国家科技创新规划》《可再生能源中长期发展规划》等。目前,我国总体上已成为新能源材料大国,但大而不强,存在自主保障能力较弱、高端材料受制于人、资源利用能力不高等问题,严重制约着我国新能源材料的可持续发展。

  在锂电池电解液产业中,国内企业部分功能添加剂的设计和生产在一定程度上依赖进口;在高性能膜材料领域,基层无纺布、聚砜、界面聚合单体等原料普遍依赖进口。作为燃料电池核心部件的燃料电池膜电极,其原材料如质子交换膜、树脂溶液、催化剂、碳纸等主要依赖进口。国内自主知识产权的超薄增强质子交换膜大规模国产化处于起步阶段;电催化剂的量产能力已有所提升,但性能和耐久性与国外相比还有较大差距;大规模使用的碳纸扩散层主要依赖进口,而国外正不断提高碳纸售价且大幅减少出口,威胁着我国关键战略材料的产业链安全。

  锂电池关键材料技术总体上仍落后国外先进水平,部分高端材料还依赖进口。技术创新能力不足、自主推出的新产品少、产品升级换代慢、相关专利及核心技术缺乏,阻碍了中国锂离子电池参与国际市场竞争的步伐。关键材料Co、Li、石墨等资源不足,导致价格变动幅度大且有上涨趋势。

  我国车用燃料电池技术无论在电堆性能、寿命还是成本方面,与国际先进水平比较仍有较大差距。国外高端燃料电池产品目前对国内禁售,亟需进行自主设计与开发,而高端产品研发所需的核心材料和部件仍主要依靠进口,如质子交换膜。我国正在实施面向此类高端基础材料的重大专项研究项目,预计在“十四五”末期,高端产品的自给率和自主保障能力将大幅提高。

  我国新能源材料基础研究薄弱,存在重应用轻基础、重模仿轻原始创新、重迭代轻颠覆性等问题,严重制约了我国新能源材料行业整体技术水平的提升。另外,缺少用于原始创新和基础研究的“产学研用”合作平台,大量创新成果仅停留在实验室研究阶段,没有高效的研发平台将基础性研究成果进行工艺小试验证和中试放大研究,阻碍了科研成果的快速转化和产业应用。

  我国新能源材料核心技术和制造装备受制于人的局面尚未得到根本性扭转,产业处于价值链的中低端。研发投入分配失调,多用于应用技术的研发,基础研究研发投入占比低,导致关键核心技术攻关后劲不足。另外,基础研究与工业生产结合黏度低,限制了研究成果的转化,导致原始创新能力不足。

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