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我国新型能源材料发展现状及趋势

2021-08-23 09:55:13 兰州广通新能源 17

一、前言

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,推动新能源行业的发展。为 促进我国新能源材料产业发生结构性变化,中国专门制定了《中国制造2025》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等。

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。

二、国内外新能源典型关键材料发展概况

1.锂离子电池材料

(1)锂离子电池材料发展现状概览

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。

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锂电池组样品,来源:津衢电子

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。

(2)正极和负极材料

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已经占了全球总出货量的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。

(3)电解液

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。

(4)锂离子电池隔膜材料

目前,高端锂电池隔膜材料主要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。

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锂离子电池隔膜成品,来源:存能电气

2.燃料电池材料

(1)膜电极相关的基础材料研究

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。

(2)催化剂

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 。

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铂催化剂,来源:台州捷发贵金属有限公司

(3)气体扩散层基材

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。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。

三、国内外新材料研发与产业发展趋势

1.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。

2.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。

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燃料电池汽车,来源:电动邦

3.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(0.125毫克/平方厘米),但目前国外最好的商业化车用膜电极铂载量仍高达0.35~0.4 毫克/平方厘米。

4.产业规模不断扩大,新能源材料成为经济增长新引擎

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。目前,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。

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。质子交换膜燃料电池由于具有功率密度高、室温下快速启动等优点,在交通运输和固定电站领域有着广泛的应用前景。

四、结语

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。锂离子电池材料和燃料电池材料是发展最快的新能源材料之一,它们为新能源行业的发展提供了重要支撑。未来,随着新能源材料从量到质的突破,新能源行业将迎来黄金发展期。

本文摘自中国工程院院刊《我国新型能源材料发展战略研究》, 为中国工程院咨询项目“新材料强国2035战略研究”系列刊文之一,作者是黄学杰、赵文武、邵志刚、陈立泉。

(文章转载于智能机器ABC)