新能源材料指支撐新能源發展的、具有能量儲存和轉換功能的功能材料或結構功能一體化材料。作為戰略性新興產業的重要組成部分，新型能源材料產業的發展關系到國民經濟、社會發展和國家安全。
中國工程院陳立泉院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》撰文，重點研究了以鋰離子電池和燃料電池關鍵材料為代表的新能源材料發展戰略，總結了國內外新能源材料的發展情況，分析了我國相關材料產業發展存在的問題，展望了國內外新材料研發與產業的發展趨勢。面向2025年和2035年的新發展要求，文章闡述了我國新能源關鍵材料在鋰離子電池和燃料電池領域的發展思路，細化了發展目標和重點任務。文章建議，完善頂層規劃，加大創新驅動政策支持力度，培育優勢企業，開展生產應用示范平臺建設，加強人才隊伍建設，以期實現我國新能源材料的跨越發展。
一、前言
新能源材料指支撐新能源發展的、具有能量儲存和轉換功能的功能材料或結構功能一體化材料。新能源材料對促進新能源的發展發揮了重要作用，新能源材料的發明催生了新能源系統的誕生，新能源材料的應用提高了新能源系統的效率，新能源材料的使用直接影響著新能源系統的投資與運行成本。
鋰離子電池是新能源汽車和電力調節最有競爭力的儲能技術，燃料電池是氫能時代的核心發電單元，因此，本文將重點研究以鋰離子電池和燃料電池關鍵材料為代表的新能源材料發展戰略。
縱觀全球發展態勢，美國、日本、歐盟等發達國家和地區，以及俄羅斯、巴西、印度和南非等新興經濟體陸續推行一系列支撐新能源材料產業發展的政策和措施，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“電動汽車國家創新計劃（EV Everywhere）”“材料基因組計劃”等重大戰略，近期還發布了《“儲能大挑戰”路線圖草案》；日本出臺了《納米與材料科學技術研發戰略》《新增長戰略》等規劃；歐盟把關鍵新材料視為先進制造業的重要基礎，發布了“歐盟2020戰略”《電池2030+（BATTERY 2030+）》等。中國也專門制定了《中國制造2025》《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》等，力爭促進我國新能源材料產業發生結構性變化，全面重塑技術方式，形成開放競合的發展生態。
經過多年努力，我國新能源材料產業取得了顯著發展，技術水平日益提高，產業規模不斷擴大，為我國鋰離子電池材料、燃料電池材料等高技術產業突破技術壁壘、實現快速發展提供了堅強的支撐。從整體來看，我國新能源材料領域與國外先進水平相比仍存在較大差距。今后，我國新能源材料產業的競爭力仍需加強，以企業為主體的自主創新體系亟待完善，部分核心關鍵材料受制于人、高端材料對外依存度較高的問題需解決。為此，抓緊機遇，合理規劃，提升新能源材料產業的支撐能力勢在必行，這對加快我國經濟發展方式轉變、增強國際競爭實力、實現材料綠色低碳化發展目標具有重要的戰略意義。
二、國內外新能源典型關鍵材料發展概況
（一）鋰離子電池材料
目前，鋰離子電池領域的核心技術多被歐盟、美國、日本、韓國等國家和地區掌握，其中，日本最早開始生產鋰離子電池，技術實力最為雄厚。日本松下電器產業株式會社控制了特斯拉汽車公司的電池產業鏈；日本電氣株式會社（NEC）和韓國LG化學公司生產的鋰離子電池在日產Leaf電動車、通用Volt電動車各有良好的安全運行記錄；村田制作所是中國強制性產品認證（3C）電池供應商，韓國樂金（LG）化學公司、三星SDI公司、SK Innovation電池公司是大眾汽車、寶馬汽車和奔馳汽車的主力供應商。我國一直重視鋰離子電池材料的研究，在20世紀80年代就將其列為863計劃的重點項目。近年來隨著新能源汽車產業的發展，對鋰離子電池材料的研發投入仍一直保持較高的強度。
與發達國家相比，我國鋰離子電池中的部分新材料高端產品占比還比較低，技術含量不高，產品的附加值較低，高端材料和電池的高精度自動化裝備仍需大量進口。近年來，在國家相關部門的支持和推動下，特別是受益于我國新能源汽車和智能手機領域的快速發展，寧德時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力電池的主力供應商。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股份有限公司的產能規模已位于全球前列，我國的電解液和隔膜產能已占全球總產能的50%以上。
在專利方面，美國、日本、韓國已在鋰離子電池領域進行了比較全面的覆蓋，突破專利封鎖是我國鋰離子電池發展必須要解決的難題。
（二）正極和負極材料
在磷酸鐵鋰和中低鎳三元正極材料技術及產品方面，我國相關企業發揮后發優勢，相關產品已在國內市場得到廣泛應用，部分產品已出口；在高鎳多元材料方面，我國目前尚處于追趕階段，相關企業通過解決關鍵問題和升級改造量產線設備，有望實現趕超。
負極材料行業市場集中度較高，我國負極材料的國際市場占有率已處于領先水平，2019年中國企業的出貨量占全球總出貨量的74%。代表性企業如貝特瑞新材料集團股份有限公司、上海杉杉科技有限公司、江西紫宸科技有限公司等在負極材料的研發和產業化方面已位于世界領先地位，可滿足動力電池企業對負極材料的使用需求。
（三）電解液
全球電解液市場主要由日本三菱化學株式會社、日本宇部興產株式會社、韓國三星SDI公司占據，各公司都擁有獨特的添加劑制備技術。我國企業在部分功能添加劑的設計和生產方面還存在一定的進口依賴現象。
從電解液產業角度看，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任公司等電解液生產企業在研發和產業化方面已位于世界前列，可滿足國內動力電池公司對電解液的需求，市場集中度不斷提高，行業領導集群已逐漸形成，其中部分企業已進入國際主流電池企業供應鏈體系，實現了海外市場的突破。
目前，碳酸酯類溶劑和六氟磷酸鋰已主要由國內進行生產，代表性企業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任公司等實現了六氟磷酸鋰電解質鹽的規模化生產，大規模應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–丙烷磺酸內酯、1,3–丙烯磺酸內酯、硫酸乙烯酯等）也已經實現國產化。
（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社和東燃化學株式會社兩家日本公司。我國在干法隔膜領域的市場占有率已超過美國、韓國和日本，濕法隔膜進入大幅擴張期。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、深圳星源材質科技股份有限公司等企業已形成獨具特色的產業化發展模式，基本可滿足國內動力電池公司對電池隔膜的需求，但生產隔膜的原料和核心裝備目前仍依賴進口。
（五）膜電極相關的基礎材料研究
在燃料電池方面，我國金屬雙極板技術的原始創新不足，主要體現在與膜電極相關的基礎材料研究與國際先進水平存在較大差距，尤其是質子交換膜。全球生產全氟磺酸膜的企業主要集中在美國、加拿大、日本、比利時等，其中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。我國山東東岳化工有限公司在質子交換膜研發和產業化方面進展較快，形成了完善的氟硅材料產業鏈。浙江漢丞科技有限公司已經掌握超高分子量聚四氟乙烯樹脂、含氟質子交換樹脂、雙向拉伸薄膜及涂膜等質子交換膜全產業鏈的關鍵技術，擁有自主知識產權，并已開始質子交換樹脂和膜的大規模生產。國內外的膜電極技術水平均有大幅提升，國內趕超國外水平的趨勢明顯。
（六）催化劑
在催化劑方面，開發低鉑或非鉑的高活性、高穩定性的氧還原反應（ORR）催化劑一直是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的研究重點。目前車用燃料電池電催化劑的國外供應商主要有英國莊信萬豐公司（Johnson Matthey）、日本田中貴金屬集團（TKK）、德國巴斯夫化工集團（BASF）等。國內燃料電池催化劑尚處于研究開發階段，主要有兩類機構：一類是企業，如貴研鉑業股份有限公司主營汽車尾氣鉑催化劑，已和上海汽車集團共同研發燃料電池催化劑；另一類是研究所，如中國科學院大連化學物理研究所制備的Pd@Pt/C核殼催化劑，其氧還原活性與穩定性表現優異。目前，鉑合金催化劑是ORR催化劑的研究熱點之一。
（七）氣體擴散層基材
在擴散層方面，市場上商業化的碳紙或碳布可作為氣體擴散層的基材，如日本東麗（Toray）碳紙，德國西格里（SGL）碳紙等，都是成熟的碳紙/碳布材料和氣體擴散層產品。其中，日本東麗集團生產的碳紙具有高導電性、高強度、高氣體通過率、表面平滑等優點，在全球市場上占據較大的市場份額，擁有的碳紙相關專利也較多。國內在該領域尚沒有商業化產品，亟需開發自主可控的擴散層產品。目前，中南大學正持續開展燃料電池用碳紙的研究，江蘇天鳥高新技術股份有限公司基于碳纖維產品進行碳紙研發。
三、我國新能源關鍵材料發展存在的問題
以鋰離子電池為代表的二次電池廣泛應用于手機等信息電子終端產品、電動車和電力儲存領域，服務于信息產業，更是交通能源變革和電力能源革命的重要支持技術。燃料電池技術作為我國新能源產業的關鍵核心技術之一，被列入《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》《“十三五”國家科技創新規劃》《可再生能源中長期發展規劃》等。目前，我國總體上已成為新能源材料大國，但大而不強，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，嚴重制約著我國新能源材料的可持續發展。
（一）部分基礎原材料依賴進口，嚴重威脅關鍵戰略材料產業鏈安全
在鋰電池電解液產業中，國內企業部分功能添加劑的設計和生產在一定程度上依賴進口；在高性能膜材料領域，基層無紡布、聚砜、界面聚合單體等原料普遍依賴進口。作為燃料電池核心部件的燃料電池膜電極，其原材料如質子交換膜、樹脂溶液、催化劑、碳紙等主要依賴進口。國內自主知識產權的超薄增強質子交換膜大規模國產化處于起步階段；電催化劑的量產能力已有所提升，但性能和耐久性與國外相比還有較大差距；大規模使用的碳紙擴散層主要依賴進口，而國外正不斷提高碳紙售價且大幅減少出口，威脅著我國關鍵戰略材料的產業鏈安全。
（二）高端產品自給率不高，高端應用的自主保障能力不足
鋰電池關鍵材料技術總體上仍落后國外先進水平，部分高端材料還依賴進口。技術創新能力不足、自主推出的新產品少、產品升級換代慢、相關專利及核心技術缺乏，阻礙了中國鋰離子電池參與國際市場競爭的步伐。關鍵材料Co、Li、石墨等資源不足，導致價格變動幅度大且有上漲趨勢。
我國車用燃料電池技術無論在電堆性能、壽命還是成本方面，與國際先進水平比較仍有較大差距。國外高端燃料電池產品目前對國內禁售，亟需進行自主設計與開發，而高端產品研發所需的核心材料和部件仍主要依靠進口，如質子交換膜。我國正在實施面向此類高端基礎材料的重大專項研究項目，預計在“十四五”末期，高端產品的自給率和自主保障能力將大幅提高。
（三）原始創新不足，“產學研用”合作平臺欠缺
我國新能源材料基礎研究薄弱，存在重應用輕基礎、重模仿輕原始創新、重迭代輕顛覆性等問題，嚴重制約了我國新能源材料行業整體技術水平的提升。另外，缺少用于原始創新和基礎研究的“產學研用”合作平臺，大量創新成果僅停留在實驗室研究階段，沒有高效的研發平臺將基礎性研究成果進行工藝小試驗證和中試放大研究，阻礙了科研成果的快速轉化和產業應用。
（四）基礎性創新研發投入占比低
我國新能源材料核心技術和制造裝備受制于人的局面尚未得到根本性扭轉，產業處于價值鏈的中低端。研發投入分配失調，多用于應用技術的研發，基礎研究研發投入占比低，導致關鍵核心技術攻關后勁不足。另外，基礎研究與工業生產結合黏度低，限制了研究成果的轉化，導致原始創新能力不足。
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