新能源汽車關(guān)鍵材料的發(fā)展

新能源汽車材料指支撐新能源汽車發(fā)展的、具有能量儲存和轉(zhuǎn)換功能的功能材料或結(jié)構(gòu)功能一體化材料。新能源汽車材料對促進新能源汽車的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，新能源汽車材料的發(fā)明催生了新能源系統(tǒng)的誕生，新能源材料的應(yīng)用提高了新能源系統(tǒng)的效率，新能源材料的使用直接影響著新能源系統(tǒng)的投資與運行成本。

01  材料在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的地位

在世界新一輪科技革命推進下，傳統(tǒng)汽車技術(shù)由最初的機械動力化演變?yōu)楫?dāng)前以能源低碳化、動力電動化、車輛智能化為標(biāo)志的新能源汽車先進技術(shù)體系。新能源汽車是指采用新動力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅(qū)動的汽車，按其動力系統(tǒng)特點大致可分三類：一是純電動汽車（EV），采用電力驅(qū)動模式；二是插電式混合動力汽車（PHEV），采用電機＋內(nèi)燃機驅(qū)動模式；三是燃料電池汽車（FCEV），可視為“自帶氫燃料發(fā)電機的電動汽車。因采用新動力系統(tǒng)，新能源汽車要以輕量化、電動化和智能化等特點超越傳統(tǒng)汽車，還須在其材料技術(shù)上力求突破。輕質(zhì)高強復(fù)合材料在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用將會帶來深刻的變革，為中國先進制造提供核心競爭力支撐。高性能纖維與復(fù)合材料規(guī)模制造與應(yīng)用為 “卡脖子”提供了支撐：它能夠強化產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，使高端產(chǎn)品水到渠成。中國汽車想要引領(lǐng)全球發(fā)展，材料是技術(shù)進步與降低成本的關(guān)鍵。例如，運用輕量化材料，滿足汽車減少能源消耗、提高性能；運用驅(qū)動電機材料促進新能源轉(zhuǎn)化為汽車驅(qū)動力；運用動力電池材料保障汽車電力儲存、續(xù)航時間和安全高效的優(yōu)勢。

在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，材料的作用和地位極其重要。材料涉及的產(chǎn)業(yè)鏈（圖1）分為下游的整車、中游的零部件與物料（可統(tǒng)稱材料），以及上游的礦資源等三部分。新能源汽車的關(guān)鍵材料幾乎貫穿和滲透整個產(chǎn)業(yè)鏈條的各環(huán)節(jié)。例如，下游的整車，主要是汽車研發(fā)與制造，其中包括輕量化材料等。中游的零部件與物料，主要是電池、電機、電控等零部件制造和組裝環(huán)節(jié)，其中的電池產(chǎn)業(yè)鏈相對復(fù)雜，由電芯、BMS（電池管理系統(tǒng)）、Pack（電池包）三個環(huán)節(jié)組成；電芯主要由正極、負(fù)極、隔膜以及電解液組成；BMS中最為重要的當(dāng)屬電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，直接關(guān)系到電池的安全性能。上游的礦產(chǎn)資源，是涉及新能源汽車各系統(tǒng)部件制造的礦資源，主要涉及鉻、鋁、鍺、鈷、錫、鐵、銦、鋅、錳、鋯、銀、金、鎳、銅、鎵、稀土、石墨、硒、鎂、硅、鉑、鈦和鋰等23種1，其中的鋰、鈷、鎳、鉑、稀土、石墨等6種為新能源汽車最關(guān)鍵的礦資源。（圖2）

圖1 新能源汽車的材料產(chǎn)業(yè)鏈

圖2 新能源汽車涉及的的礦資源

02  關(guān)鍵材料成為新能源汽車的研發(fā)重點

材料在新能源汽車研發(fā)中的關(guān)鍵作用引起產(chǎn)業(yè)界高度重視。以鋰離子電池為代表的二次電池廣泛應(yīng)用于手機等信息電子終端產(chǎn)品、電動車和電力儲存領(lǐng)域，服務(wù)于信息產(chǎn)業(yè)，更是交通能源變革和電力能源革命的重要支持技術(shù)。燃料電池技術(shù)作為我國新能源產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，被列入《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)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(yán)重制約著我國新能源材料的可持續(xù)發(fā)展。

國外跨國企業(yè)在新能源材料領(lǐng)域不斷拓展，尤其在高附加值的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)品中占據(jù)主導(dǎo)地位，通過技術(shù)和市場行業(yè)壟斷實施產(chǎn)品封鎖或傾銷，扼制競爭國家的經(jīng)濟建設(shè)及重大工程實施。材料技術(shù)的進步是動力電池水平提升的基礎(chǔ)，以三元電池為例，目前正處于低鎳向高鎳的轉(zhuǎn)化期。美國少數(shù)企業(yè)壟斷了高容量富鋰和低鈷/無鈷正極材料的技術(shù)專利，德國、日本和韓國的少數(shù)企業(yè)在高鎳低鈷三元電池材料中占據(jù)優(yōu)勢地位，日本信越化學(xué)工業(yè)株式會社、美國3M公司等擁有硅基負(fù)極材料的關(guān)鍵專利技術(shù)。我國正負(fù)極材料和電池產(chǎn)能已是世界第一，但核心專利技術(shù)仍然缺乏。

在燃料電池領(lǐng)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(guī)模商業(yè)化的瓶頸。日本田中貴金屬集團生產(chǎn)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(zhì)子交換膜供應(yīng)領(lǐng)域中處于領(lǐng)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(tǒng)公司等生產(chǎn)的碳紙是我國燃料電池領(lǐng)域的主要進口產(chǎn)品，曾經(jīng)出現(xiàn)過碳紙供應(yīng)渠道中斷的情況，對我國的燃料電池技術(shù)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

（一）動力電池材料

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為正極材料、在使用上非水電解質(zhì)溶液的電池。目前，新能源汽車主流的鋰電池有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池和錳酸鋰電池等；負(fù)極材料相對穩(wěn)定，以石墨為主，也有少量以鈦酸鋰做負(fù)極材料；隔膜通常為氧化鋯纖維材料。動力電池涉及的礦資源中，稀有金屬的應(yīng)用占有一定的比例。例如，稀土貯金合氫在插電混合動力汽車的鎳氫電池領(lǐng)域有廣闊市場，在鎳氫電池中，鎳占到電池成本的 3/5；在鋰離子電池中，電解液、正極材料、負(fù)極材料和隔膜各占成本的 1/4。燃料電池汽車能量來源的氫，需要鉑族金屬作為催化劑使之產(chǎn)生。

三元鋰電池正極材料有鎳鈷錳酸鋰（Li(NiCoMn)O2），其中主要以鎳、鈷、錳三種材料為主，增加鎳含量可以提高電池的續(xù)航，增加鈷含量可以提升電池的穩(wěn)定性，增加錳含量則可以增強電池的安全性；負(fù)極材料主要以石墨為主，石墨是多層結(jié)構(gòu)，可以容納鋰電池的鋰原子。

磷酸鐵鋰電池的正極材料是磷酸鐵鋰（LiFePO4），這一正極材料呈橄欖石結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，所以磷酸鐵鋰電池的安全性很高；負(fù)極材料與三元鋰電池一樣，負(fù)極材料都是以石墨為主，用以容納鋰原子。

鈷酸鋰電池的正極材料有氧化鋰鈷LiCoO2，外觀呈灰黑色粉末，具有成本高、能量密度高、安全性差等特點；負(fù)極材料主要是軟碳、硬碳，與電解液的相容性好，輸出電壓較低，無明顯的充放電平臺電位。

錳酸鋰電池的正極材料是錳酸鋰LiMn2O4，通常為黑灰色粉末，易溶于水，具有價格低、無污染、安全性高等優(yōu)點；負(fù)極材料主要是石墨，這種材料具有良好的導(dǎo)電性，且有著適合鋰原子嵌入和脫嵌的層狀架構(gòu)。

（二） 驅(qū)動電機材料

稀土元素對新能源汽車驅(qū)動電機而言,是必不可少的，且需求量較大。為保證新能源汽車的續(xù)航能力，要求其驅(qū)動電機具備高功率密度、高效率和強可靠性。稀土永磁同步電機是當(dāng)前的主流技術(shù)，主要材料為釹鐵硼，通常情況下還會混合少量的鎵和稀土元素中的鏑、鐠、鋱，以保證永磁電機的耐熱性。電子電力系統(tǒng)實現(xiàn)的直流電和交流電轉(zhuǎn)化，需要一定的鈀、金、鍺、銦和銀等金屬來實現(xiàn)。目前，釹鐵硼是全球范圍內(nèi)磁性最優(yōu)的永磁體，而稀土中的釹元素恰好是用來制造高功率輕質(zhì)磁鐵——釹鐵硼永磁體的關(guān)鍵性材料之一。

（三）輕量化材料

輕量化材料技術(shù)是新能源汽車研發(fā)與創(chuàng)新必須突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。新型纖維復(fù)合材料、鎂鋁合金、含鉻的高強度鋼、鈦合金以及一些非金屬基復(fù)合材料等，在新能源汽車的輕量化和安全性方面有巨大的應(yīng)用潛力。有研究指出：汽車輕量化最佳可降低 1/2 能源消耗。鋁合金在新能源汽車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用，可使整車減重效果達(dá) 20%；鎂合金可應(yīng)用于座椅骨架、儀表盤、方向盤等，具有質(zhì)量輕、比強度高、易加工等特點。

各種改性塑料、復(fù)合材料以及輕質(zhì)合金材料運用日趨成熟，不僅在傳統(tǒng)汽車發(fā)動機周邊，而且在新能源汽車的動力電池上，都有各種塑料的應(yīng)用。但這些塑料在阻燃這個安全問題上的表現(xiàn)其實并不理想，阻燃及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)伴隨“汽車輕量化”一起成為汽車行業(yè)的熱點。

目前，用于汽車零部件的常見阻燃材料類型有PP、PA、PU、PC、ABS材料，以及由它們組成的各種改性材料和復(fù)合材料。單臺新能源車電池組模塊工程塑料的使用量約30kg，新能源車塑料殼體目前主要使用改性PP，以及改性PPS、PPO等耐高溫塑料。

（四）礦產(chǎn)資源

和新能源汽車相關(guān)的礦產(chǎn)原材料，由于具備高度稀缺性和壟斷性，全球經(jīng)濟體已經(jīng)開始新一輪的國際資源戰(zhàn)略。將來用于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的稀有礦產(chǎn)資源，需求會大幅增加；各主要經(jīng)濟體，特別是工業(yè)大國之間，對稀有礦產(chǎn)資源的爭奪將日益激烈。

說到戰(zhàn)略性資源，大家首先想到的石油、天然氣之類，在工業(yè)歷史上經(jīng)常引起資源沖突的礦物燃料。隨著新能源新產(chǎn)業(yè)的興起，使得一批礦產(chǎn)的地位一下子重要起來。

從這個戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源的定義來看，用三個特征來描述比較合適：

1.具有經(jīng)濟和戰(zhàn)略重要性

2.具有對工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要意義，我們今天講的就是和新能源汽車產(chǎn)業(yè)有關(guān)的部分。

3.具有較高的進口依賴度、較低的替代性和較高的供應(yīng)風(fēng)險。

未來幾十年，電動汽車的發(fā)展成了必由之路，所必需的礦產(chǎn)資源，需要大幅增加才能實現(xiàn)全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，這就讓這些關(guān)鍵礦物未來具有類似石油一樣重要戰(zhàn)略意義，類似鋰資源有白色石油的說法。

由于礦產(chǎn)資源一般具有不可再生性、和地理分布不均衡性的特點，目前全球主要經(jīng)濟體已經(jīng)開始重新制定相應(yīng)的全球資源戰(zhàn)略。關(guān)鍵礦產(chǎn)的萃取、加工、精煉和應(yīng)用的競爭將愈演愈烈。

對中國涉及新能源汽車制造的6種關(guān)鍵礦產(chǎn)資源情況，根據(jù)的2017年消費量，預(yù)測2030 年新能源汽車對其需求量見（表1） ；根據(jù)各礦產(chǎn)資源的需求量、產(chǎn)量、對外依存度等因素進行預(yù)測和分析，將其中的鋰、鈷、鎳、鉑列為短缺礦產(chǎn)，稀土、石墨列為優(yōu)勢礦產(chǎn)（圖3）。

表1  新能源汽車所需關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的需求預(yù)測

圖3 新能源汽車所涉及的6種關(guān)鍵礦產(chǎn)資源

03  新能源汽車產(chǎn)業(yè)競爭點前移至關(guān)鍵材料

新能源汽車作為一個新興領(lǐng)域，其技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用還處于初級階段。而新材料，尤其是關(guān)鍵材料的應(yīng)用，往往標(biāo)志著新能源汽車研發(fā)與創(chuàng)新實現(xiàn)突破性發(fā)展。各國逐漸將新能源汽車關(guān)鍵材料技術(shù)看作是產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。為此，我國政府、產(chǎn)業(yè)界、科技界與相關(guān)行業(yè)也在聯(lián)袂合作，積極探索，促進新材料與新能源汽車發(fā)展的深度融合。

（一）政府規(guī)劃戰(zhàn)略的推進

政府的規(guī)劃戰(zhàn)略尤為重要，3月16日，國家發(fā)改委發(fā)布《綠色產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄（2023年版）》（征求意見稿）。

重點產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域主要內(nèi)容：

新能源汽車關(guān)鍵零部件制造。包括新能源汽車電池、電機及其控制系統(tǒng)、電附件、插電式混合動力專用發(fā)動機、機電耦合系統(tǒng)及能量回收系統(tǒng)等新能源汽車關(guān)鍵核心零部件裝備制造。新能源汽車電池、電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)、電附件、電動汽車安全等需符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

充電、換電和加氣設(shè)施建設(shè)和運營。包括分布式交流充電樁、集中式快速充電站、非車載充電機、換電設(shè)施、汽車和船舶天然氣加注站、城市公共充電設(shè)施、城際快速充電網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運營。需符合相關(guān)國家、地方、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

燃料電池裝備制造。包括質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池等制造。

新型儲能裝備制造。能量型儲能技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成包括壓縮空氣、鋰離子電池、鉛碳電池、液流電池技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成，鈉離子電池、固態(tài)鋰離子電池、水系電池等新一代高性能儲能技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成，儲熱蓄冷技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成。功率型儲能技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成包括超導(dǎo)、電介質(zhì)電容器等電磁儲能技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成，超級電容器、飛輪儲能技術(shù)裝備及系統(tǒng)集成。輔助技術(shù)裝備包括電池管理系統(tǒng)、能量智能管理系統(tǒng)、安全預(yù)警與系統(tǒng)防護技術(shù)裝備、先進冷卻與消防技術(shù)裝備等。

氫能“制儲輸用”全鏈條裝備制造。包括用于可再生能源制氫的堿性電解槽、PEM電解槽、SOEC電解槽、AEM電解槽、質(zhì)子交換膜、雙極板等裝備，以及高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、固態(tài)、深冷高壓、有機液體等形態(tài)的氫儲運所需鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶、塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶、長管拖車和管束式集裝箱、管道、氫氣閥門等裝備制造。

相比于2019年版，《征求意見稿》更加細(xì)化和具體，新增新能源汽車、充換電設(shè)施等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，將新型儲能細(xì)分為能量型、功率型和輔助技術(shù)裝備等三部分，增加和細(xì)化氫能全產(chǎn)業(yè)鏈裝備制造領(lǐng)域等，對相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展具有很大指導(dǎo)作用?！赌夸洝氛叫抻啺l(fā)布后，各地方和部門將根據(jù)發(fā)展重點，出臺投資、價格、金融、稅收等方面政策措施，逐步建立綠色產(chǎn)業(yè)認(rèn)定機制，從政策、組織、制度等方面指導(dǎo)綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（二）產(chǎn)業(yè)競爭重心前移

全球科技格局的新變化是，基礎(chǔ)研究在搶占國際競爭制高點中的地位凸顯。國外新能源汽車產(chǎn)業(yè)界也已意識到基礎(chǔ)研究的重要性。從趨勢看，在科技革命和產(chǎn)業(yè)變革促動下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)競爭的重心已前移至研發(fā)鏈條的前端，進而前移至產(chǎn)業(yè)鏈的上游材料領(lǐng)域，即關(guān)鍵材料的研發(fā)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

新能源汽車市場的高增長，倒逼整個產(chǎn)業(yè)鏈水漲船高，尤其顯現(xiàn)上中游原材料產(chǎn)業(yè)成為新能源汽車發(fā)展的制約環(huán)節(jié)。例如，動力電池產(chǎn)業(yè)鏈的上游為原材料資源的開采和加工，主要有鋰資源、鎳資源、鈷資源和石墨等等；中游是正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液等材料的生產(chǎn)和加工；下游的電芯及電池包供應(yīng)商將中游的各種材料組裝成電芯后進行制造和封裝。如沒有上游的礦資源、中游的材料與零部件，下游的產(chǎn)品再努力也不會奏效。因此，誰把控了上中游資源，誰就掌握了穩(wěn)定的原材料供給，也就贏得在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的競爭優(yōu)勢。

（三）企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的嬗變

新能源汽車材料產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展同時，出現(xiàn)的一些不平衡、不協(xié)調(diào)的問題，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游各企業(yè)共同應(yīng)對，加速創(chuàng)新發(fā)展的升級。

由于鋰資源等原材料價格的大幅上升，作為電動汽車核心部件的動力電池成本驟增。特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克近期在推特上說：“鋰的價格已經(jīng)到了瘋狂的水平，雖然鋰元素本身并不短缺，地球上幾乎無處不在，但開采和提煉鋰的速度很慢”。目前，國內(nèi)很多電池制造企業(yè)與四川、青海、江西等鋰資源儲量豐富的地區(qū)進行合作，打造依托資源開采、加工、電池生產(chǎn)及回收的一系列產(chǎn)業(yè)集群。除了建立牢固、長久、穩(wěn)定的合作關(guān)系外，還利用資本深入上游產(chǎn)業(yè)鏈之中，或是直接控制礦產(chǎn)資源，或是參股材料生產(chǎn)企業(yè)，或是建立合資材料公司，或是自建材料工廠。例如，寧德時代、比亞迪、億緯鋰能、蜂巢能源、欣旺達(dá)等電池企業(yè)在通過收購、入股、長協(xié)或合作等形式參與國內(nèi)鋰礦、鹽湖鋰資源的開發(fā)。2022年8月18日，贛鋒鋰業(yè)公告，其與廣汽埃安新能源汽車有限公司于近日簽署《戰(zhàn)略合作協(xié)議》。雙方同意建立長期的戰(zhàn)略合作關(guān)系，從新能源動力電池最上游材料端展開合作，持續(xù)探討在鋰資源開發(fā)、中游鋰鹽深加工及廢舊電池綜合回收利用各層面的深入合作。

下游企業(yè)與上、中游企業(yè)的戰(zhàn)略合作也頻見媒體。例如，上汽集團不斷完善在新能源汽車上游材料的布局，為持續(xù)領(lǐng)跑新能源賽道提供新動能。2022年2月21日，上汽集團和青山實業(yè)共同宣布，將進一步充分發(fā)揮各自在新能源汽車領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，以資本為紐帶，在全球范圍內(nèi)，合作開發(fā)新能源上游的鎳、鈷、鋰、錳等相關(guān)資源項目，協(xié)同促進新能源電池技術(shù)和應(yīng)用市場開發(fā)；2022年3月24日，上汽集團和青山集團合資成立的賽克瑞浦和瑞浦賽克年產(chǎn)20GWh動力電池電芯及系統(tǒng)項目合作和投資協(xié)議在廣西柳州正式簽署。2022年9月21日，由上汽集團全資子公司上海汽車集團投資管理有限公司、寧德時代、中國石油、中國石化等共同持股的上海捷能智電新能源科技有限公司成立，經(jīng)營范圍包含電池租賃、銷售，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施運營以及集中式快速充電站等業(yè)務(wù)。

但再看今年，據(jù)上海鋼聯(lián)發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2023年3月23日，電池級碳酸鋰跌10000元/噸，均價報28萬元/噸，工業(yè)級碳酸鋰跌10000元/噸，均價報24萬元/噸；氫氧化鋰跌4000~5000元/噸；鎳豆跌300元/噸。

對比2021年11月歷史最高59萬元/噸，暴跌49.15%，這幾乎是腰斬的節(jié)奏。按照這速度，大部分機構(gòu)對于今年底跌至20萬元/噸的預(yù)測，有可能在二季度提前到來。

想必大家都還記得，2022年廣汽董事長曾慶洪在公開場合曾吐槽“現(xiàn)在車企是在給電池廠打工。”新能源汽車上成本最高的就是動力電池，在部分車型上甚至超過了整車成本的50%。電池原材料價格的下降，對于新能源車企來說是一個利好消息。市場共識是，動力電池價格降低之后，電動車的成本也必然會下探。這也給企業(yè)帶來更多的調(diào)價空間。

圖4 稀有金屬分類