鉅大LARGE | 點擊量：2254次 | 2021年12月16日
陳立泉院士：鋰離子電池和燃料動力電池關鍵材料發(fā)展近況及未來展望
新能源材料指支撐新能源發(fā)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(zhàn)略性新興產業(yè)的重要組成部分，新型能源材料產業(yè)的發(fā)展關系到國民經濟、社會發(fā)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(fā)展戰(zhàn)略，總結了國內外新能源材料的發(fā)展情況，分析了我國相關材料產業(yè)發(fā)展存在的問題，展望了國內外新材料研發(fā)與產業(yè)的發(fā)展趨勢。面向2025年和2035年的新發(fā)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(fā)展思路，細化了發(fā)展目標和重點任務。文章建議，完善頂層規(guī)劃，加大創(chuàng)新驅動政策支持力度，培育優(yōu)勢企業(yè)，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(fā)展。
一、前言
新能源材料指支撐新能源發(fā)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(fā)展發(fā)揮了重要作用，新能源材料的發(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。
鋰離子電池是新能源汽車和電力調節(jié)最有競爭力的儲能技術，燃料電池是氫能時代的核心發(fā)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(fā)展戰(zhàn)略。
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縱觀全球發(fā)展態(tài)勢，美國、日本、歐盟等發(fā)達國家和地區(qū)，以及俄羅斯、巴西、印度和南非等新興經濟體陸續(xù)推行一系列支撐新能源材料產業(yè)發(fā)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(chuàng)新計劃（EVEverywhere）”“材料基因組計劃”等重大戰(zhàn)略，近期還發(fā)布了《“儲能大挑戰(zhàn)”路線圖草案》；日本出臺了《納米與材料科學技術研發(fā)戰(zhàn)略》《新增長戰(zhàn)略》等規(guī)劃；歐盟把關鍵新材料視為先進制造業(yè)的重要基礎，發(fā)布了“歐盟2020戰(zhàn)略”《電池2030+（BATTERY2030+）》等。中國也專門制定了《中國制造2025》《“十三五”材料領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》等，力爭促進我國新能源材料產業(yè)發(fā)生結構性變化，全面重塑技術方式，形成開放競合的發(fā)展生態(tài)。
經過多年努力，我國新能源材料產業(yè)取得了顯著發(fā)展，技術水平日益提高，產業(yè)規(guī)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(yè)突破技術壁壘、實現快速發(fā)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(yè)的競爭力仍需加強，以企業(yè)為主體的自主創(chuàng)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(guī)劃，提升新能源材料產業(yè)的支撐能力勢在必行，這對加快我國經濟發(fā)展方式轉變、增強國際競爭實力、實現材料綠色低碳化發(fā)展目標具有重要的戰(zhàn)略意義。
二、國內外新能源典型關鍵材料發(fā)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(qū)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(yè)株式會社控制了特斯拉汽車公司的電池產業(yè)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、SKInnovation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(yè)的發(fā)展，對鋰離子電池材料的研發(fā)投入仍一直保持較高的強度。
與發(fā)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(fā)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(guī)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(fā)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(yè)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)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(yè)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(yè)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(yè)的出貨量占全球總出貨量的74%。代表性企業(yè)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(fā)和產業(yè)化方面已位于世界領先地位，可滿足動力電池企業(yè)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(yè)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(yè)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(yè)在研發(fā)和產業(yè)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(yè)領導集群已逐漸形成，其中部分企業(yè)已進入國際主流電池企業(yè)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(yè)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(guī)?；a，大規(guī)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(yè)已形成獨具特色的產業(yè)化發(fā)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(chuàng)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(yè)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(fā)和產業(yè)化方面進展較快，形成了完善的氟硅材料產業(yè)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(yè)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(guī)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(fā)低鉑或非鉑的高活性、高穩(wěn)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（JohnsonMatthey）、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(fā)階段，主要有兩類機構：一類是企業(yè)，如貴研鉑業(yè)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(fā)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(wěn)定性表現優(yōu)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(yè)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(yōu)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(yè)化產品，亟需開發(fā)自主可控的擴散層產品。目前，中南大學正持續(xù)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(fā)。
三、我國新能源關鍵材料發(fā)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(yè)，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(yè)的關鍵核心技術之一，被列入《能源技術革命創(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，嚴重制約著我國新能源材料的可持續(xù)發(fā)展。
（一）部分基礎原材料依賴進口，嚴重威脅關鍵戰(zhàn)略材料產業(yè)鏈安全
在鋰電池電解液產業(yè)中，國內企業(yè)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(guī)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(guī)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(zhàn)略材料的產業(yè)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(chuàng)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(fā)，而高端產品研發(fā)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(chuàng)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(chuàng)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(yè)整體技術水平的提升。另外，缺少用于原始創(chuàng)新和基礎研究的“產學研用”合作平臺，大量創(chuàng)新成果僅停留在實驗室研究階段，沒有高效的研發(fā)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(yè)應用。
（四）基礎性創(chuàng)新研發(fā)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(yè)處于價值鏈的中低端。研發(fā)投入分配失調，多用于應用技術的研發(fā)，基礎研究研發(fā)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(yè)生產結合黏度低，限制了研究成果的轉化，導致原始創(chuàng)新能力不足。
四、國內外新材料研發(fā)與產業(yè)發(fā)展趨勢
（一）行業(yè)壟斷進一步加劇，關鍵材料控制成為競爭焦點
國外跨國企業(yè)在新能源材料領域不斷拓展，尤其在高附加值的關鍵戰(zhàn)略材料產品中占據主導地位，通過技術和市場行業(yè)壟斷實施產品封鎖或傾銷，扼制競爭國家的經濟建設及重大工程實施。材料技術的進步是動力電池水平提升的基礎，以三元電池為例，目前正處于低鎳向高鎳的轉化期。美國少數企業(yè)壟斷了高容量富鋰和低鈷/無鈷正極材料的技術專利，德國、日本和韓國的少數企業(yè)在高鎳低鈷三元電池材料中占據優(yōu)勢地位，日本信越化學工業(yè)株式會社、美國3M公司等擁有硅基負極材料的關鍵專利技術。我國正負極材料和電池產能已是世界第一，但核心專利技術仍然缺乏。
在燃料電池領域，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子交換膜供應領域中處于領先地位。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)公司等生產的碳紙是我國燃料電池領域的主要進口產品，曾經出現過碳紙供應渠道中斷的情況，對我國的燃料電池技術安全構成了嚴重威脅。
（二）綠色低碳成為新能源材料發(fā)展的重要趨勢
以節(jié)能環(huán)保和綠色低碳為代表的新能源產業(yè)迅速崛起，帶動關鍵材料產業(yè)及應用的綠色化和低碳化發(fā)展。鋰離子電池材料和燃料電池材料技術的不斷突破使新能源汽車逐步走進千家萬戶，同時，汽車的電動化與智能化相得益彰，帶來汽車行業(yè)和能源行業(yè)的深刻變革。未來10年將是現有主流混合動力和純電動汽車市場發(fā)展的黃金時代，也是燃料電池汽車技術快速發(fā)展的10年，必將推動燃料電池用車載制氫系統(tǒng)的發(fā)展。高效、清潔、經濟的燃料電池是世界強國布局未來發(fā)展的重點，隨著配套技術逐步改進，燃料電池汽車有望在15~20年內成為新能源汽車的主流，特別是在重型貨車和長途客車市場，將為重整制氫用高溫催化材料迎來前所未有的發(fā)展機遇。
（三）新能源材料的高性能化、尖端化發(fā)展明顯加速
重大原創(chuàng)成果代表著科技硬實力，持續(xù)創(chuàng)新是保持科技強國地位的基石。隨著一系列高新技術的突破，以鋰離子電池和燃料電池關鍵材料為代表的新能源材料繼續(xù)向更高精尖、高性能方向發(fā)展。
在技術進步和產業(yè)發(fā)展雙因素共同作用下，電池系統(tǒng)技術水平明顯提升，生產成本也呈持續(xù)下降趨勢。近年來，我國動力電池技術飛躍發(fā)展，并已實現了規(guī)?；a；高鎳三元材料量產的軟包電池比能量達到288Wh/kg；乘用車領域的電池系統(tǒng)比能量集中在140~160Wh/kg，在成組效率及能量密度方面普遍高于國際同期其他產品。
燃料電池關鍵材料、核心部件、電堆與系統(tǒng)的性能持續(xù)迅速提升。在催化劑方面，國內外均采用合金化以及形貌調控技術，使我國實驗室中催化劑性能已經超過美國能源部（DOE）2020年設置的技術指標。在質子交換膜方面，為提高燃料電池比功率，美國戈爾公司以全氟磺酸樹脂為基礎制備超薄增強膜，使面電阻進一步減小。在膜電極方面，國內外的實驗室研究均已達到美國DOE設置的2020年膜電極鉑用量指標（0.125mg/cm2），但目前國外最好的商業(yè)化車用膜電極鉑載量仍高達0.35~0.4mg/cm2。
（四）產業(yè)規(guī)模不斷擴大，新能源材料成為經濟增長新引擎
隨著基礎創(chuàng)新和應用創(chuàng)新研究能力的不斷提高，一系列新能源關鍵材料的核心技術不斷取得突破。我國已成為國際主要的鋰離子電池材料生產國。在燃料電池方面，國內有多個省市推出了氫能與燃料電池的發(fā)展規(guī)范。
發(fā)展新能源汽車是保障我國能源安全的重大戰(zhàn)略舉措，是降低汽車污染排放的有效途徑。2019年，我國新能源汽車銷量超120萬輛，位居世界首位，2030年有望達到1500萬輛。鋰離子電池為我國新能源汽車的跨越式發(fā)展和能源安全提供了關鍵支撐。由于具有功率密度高、室溫下快速啟動等優(yōu)點，PEMFC在交通運輸和固定電站領域有著廣泛的應用前景。
五、我國新能源關鍵材料發(fā)展路徑
（一）發(fā)展思路
本文分別從鋰離子電池和燃料電池兩方面來闡述我國新能源關鍵材料今后的發(fā)展思路。
在鋰離子電池方面，支持動力電池關鍵材料與關鍵設備的技術攻關，完善鋰離子電池關鍵材料研發(fā)、測試、應用驗證和分析平臺建設，支撐鋰離子電池產業(yè)與產品升級以及成本降低；持續(xù)支持新型電池體系的創(chuàng)新基礎與技術研究，發(fā)展更高比能量和高安全性、低成本電池技術；推進產業(yè)升級（如發(fā)展先進裝備、強化先進控制與推行先進管理）與產品升級，在國家新能源汽車政策的支持下，保持國內市場高速發(fā)展；重視和促進超大規(guī)模企業(yè)（或企業(yè)聯(lián)合體）的形成與發(fā)展，推動企業(yè)創(chuàng)新技術與產品、知名品牌以及高端人才隊伍的培育與培養(yǎng)，不斷夯實產業(yè)做“強”的基礎。
在燃料電池方面，不斷完善我國燃料電池的技術創(chuàng)新平臺，鼓勵開發(fā)應用質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池等小型實用燃料電池；支持低成本制氫技術與高容量儲氫技術的研究與示范應用，發(fā)展燃料電池本體與材料技術以及燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)技術，降低燃料電池應用成本；拓寬小型燃料電池系統(tǒng)的應用領域，推動燃料電池在電動車上的示范運營，形成完整的應用產業(yè)鏈。
（二）發(fā)展目標與重點任務
1.2025年的發(fā)展目標與重點任務
（1）鋰離子電池
發(fā)展目標為：力爭在2025年前，在動力電池方面實現固液混合鋰離子電池比能量400Wh/kg，循環(huán)1000次，實現在新能源動力系統(tǒng)中的全面應用；金屬鋰負極二次電池比能量500Wh/kg；全固態(tài)金屬鋰電池比能量400Wh/kg，循環(huán)500次。2025年，預計正極材料年產能為2×106t、負極材料年產能為1×106t、隔膜年產能為1.5×1010m2、電解液年產能為6×105t。
重點發(fā)展任務為：重點研發(fā)高鎳低鈷或無鈷三元正極材料、高壓鎳錳尖晶石正極材料、富鋰錳基正極材料、碳/合金等高容量負極材料，研發(fā)陶瓷涂層隔膜等高安全性隔膜、阻燃電解液，研發(fā)耐高壓隔膜和電解液。研發(fā)基于三元/高壓/富鋰正極材料和高容量碳/合金負極材料的高能量密度單體電池，發(fā)展基于模型的極片/電池設計技術，提高電池功率和環(huán)境適應性；開發(fā)高安全性隔膜、電解質和高穩(wěn)定低電阻電極/電解質界面技術，提升動力電池能量密度、功率密度、壽命、安全性以及降低成本等。帶動關鍵材料國產化，實現動力電池規(guī)模制造與品質保證技術的快速升級；提出固態(tài)動力鋰電池的設計原理和材料體系，闡明循環(huán)過程中動力學特性及結構演化規(guī)律，形成固態(tài)電池系統(tǒng)自主技術，開展在新能源汽車等方面的應用推廣。開展鋰離子動力電池的回收再利用技術研究，降低動力電池體系全生命周期成本，建立綠色全生命周期設計優(yōu)化評估，增強材料的綠色度和對環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。
（2）燃料電池
發(fā)展目標為：2025年，實現加氫站現場制氫、儲氫模式的標準化和推廣應用；突破燃料電池關鍵技術，初步建立起燃料電池材料、部件和系統(tǒng)的產業(yè)鏈。2025年鉑基電催化劑產能達到3t/a，滿足10萬套車用PEMFC系統(tǒng)的需要；酸性離子交換膜年產能為2×106m2；碳紙年產能為4×106m2，膜電極年產能達到2×106m2。
重點發(fā)展任務為：立足于我國燃料電池產業(yè)現狀，重點突破低鉑燃料電池技術、超薄酸性離子交換膜技術、高性能碳紙制備技術、廉價金屬雙極板技術以及高性能長壽命膜電極制備技術。從基礎材料出發(fā)，一方面在催化方面創(chuàng)新理論，從合金到核殼再到單原子催化，不斷提高鉑有效利用率降低鉑載量；另一方面升級技術，對超薄復合膜的單體制備、基膜合成及超薄復合膜成型工藝進行深入研究，并擴大生產。對碳紙的制備理論、工藝、質量控制等利用跨學科的綜合優(yōu)勢進行協(xié)力攻關；開發(fā)電極制備新工藝，在靜電噴涂、紡絲等工藝基礎上，開發(fā)穩(wěn)定可靠的薄層有序高性能膜電極的規(guī)模放大工藝。以燃料電池關鍵核心材料的突破為基礎，突破燃料電池全產業(yè)鏈需要的技術和設備，包括空壓機、回流泵、先進控制器設計集成、輕質化系統(tǒng)、抗震性以及低溫環(huán)境適應設備設施等，完善輔助系統(tǒng)與燃料電池電堆的一體化設計，從關鍵材料、核心部件與輔助系統(tǒng)全方位降低成本、提高使用壽命，強化系統(tǒng)耐久性、可靠性和適應性。
2.2035年的發(fā)展目標與重點任務
（1）鋰離子電池
發(fā)展目標為：2035年前，金屬鋰負極二次電池比能量500Wh/kg，循環(huán)1500次，實現在新能源汽車和特殊領域的規(guī)模應用；全固態(tài)金屬鋰電池比能量600Wh/kg，循環(huán)1000次，全產業(yè)鏈成熟；新型電池比能量800Wh/kg，循環(huán)100次。2035年擴產后正極材料年產能為1×107t，負極材料年產能為3×106t，隔膜年產能為5×1010m2，電解液年產能為1.2×106t。
重點發(fā)展任務為：面向電動汽車產業(yè)化，需要持續(xù)提升磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元等正極材料和硬碳、硅基等負極材料的先進制備技術和工藝，攻關功能電解液、高安全性隔膜等高性能動力電池的關鍵技術，支持鋰離子電池材料行業(yè)的技術進步，開發(fā)高水平原位表征測量、無損檢測、高空間分辨率三維成像和高速檢測技術等。建立動力電池工藝技術裝備的研發(fā)和服務平臺，組織全行業(yè)力量進行攻關，建立與我國現階段制造業(yè)比較優(yōu)勢相適應的動力電池制造工藝/裝備和標準，采用物聯(lián)網、大數據和新一代人工智能技術，解決動力電池及其關鍵材料制造的質量、效率和成本等問題。組織國內優(yōu)勢研發(fā)機構，跨領域聯(lián)合開展新一代高容量鋰離子正負極材料和以鋰聚合物電池、鋰硫、鋰空氣、鈉空氣、全固態(tài)電池為代表的新型體系電池的深度的基礎研究和制造技術工藝研究開發(fā)，在下一代電池和材料發(fā)展過程中形成我國的高價值專利技術。
（2）燃料電池
發(fā)展目標為：2035年，實現大規(guī)模制氫、儲氫、運氫、用氫一體化，實現加氫站現場儲氫、制氫模式的標準化和推廣應用；自主掌握燃料電池核心技術，建立完備的燃料電池產業(yè)鏈，大規(guī)模推廣應用氫能和燃料電池，創(chuàng)造突破萬億元人民幣的市場價值，氫能汽車占動力車輛總量的10%~15%，并承擔10%以上的能源需求。2035年擴產后的低鉑催化劑能夠保障500萬套燃料電池系統(tǒng)對電催化劑的需要，產能達到50t/a，同時非鉑催化劑能夠行車試驗；離子交換膜能夠保障500萬套燃料電池系統(tǒng)的需要，年產能達到7.5×107m2，膜電極年產能達到7.5×107m2。
重點發(fā)展任務為：瞄準國際前沿，繼續(xù)保持我國在低成本堿性膜燃料電池研究方面的優(yōu)勢。在基礎材料方面重點開發(fā)新型高活性密度長壽命的非貴金屬催化劑，以過渡金屬Fe、Co及氮雜碳為立足點，創(chuàng)新催化理論，提出高體積活性密度的新型非貴金屬催化劑結構，并加速放大及推向市場；繼續(xù)保持在堿性離子交換膜上的理論、設計和工藝創(chuàng)新，提出綠色環(huán)保的高性能長壽命堿性膜制備新工藝。在制備工藝以及燃料電池過程機理研究方面，借鑒酸性膜電極制備經驗研制堿性膜電極，重點開發(fā)堿性膜電極的環(huán)境空氣適應性和水管理過程控制，為發(fā)展下一代廉價材料體系的高性能長壽命燃料電池奠定基礎。
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六、對策建議
（一）頂層布局，加大政策支持力度
完善頂層設計和規(guī)劃，加強科技支撐，完善相關體系標準規(guī)范，加強能力建設，實現戰(zhàn)略協(xié)同發(fā)展。充分發(fā)揮企業(yè)和科研院所的作用，建立創(chuàng)新良性的協(xié)作模式，提高研究成果對企業(yè)生產技術提升的推動作用，加強核心技術的專利布局。引導行業(yè)建立產品標準，規(guī)范市場，營造良好的發(fā)展環(huán)境。同時，在國家層面上持續(xù)加強對立項科研項目的資助，支持新能源材料相關技術的發(fā)展，重點關注關鍵技術薄弱環(huán)節(jié)，出臺相關政策措施，激勵材料企業(yè)加大研發(fā)投入彌補技術短板，積極面對國際市場的競爭。
（二）實施創(chuàng)新驅動，培育優(yōu)勢企業(yè)
實施創(chuàng)新驅動，集中行業(yè)優(yōu)勢資源協(xié)同攻關，發(fā)揮材料企業(yè)主體作用，加大先進材料的技術研發(fā)，持續(xù)提升材料性能，增加材料設備研發(fā)投入，提高生產工藝的精度、一致性和可靠性，進一步降低成本，提高產業(yè)全球競爭優(yōu)勢。同時，加快新能源材料產業(yè)結構調整、組織結構設計、技術結構優(yōu)化，培育一批技術雄厚、品質優(yōu)良、行業(yè)引領的新能源材料企業(yè)，持續(xù)推進產融結合，實現跨越發(fā)展。
（三）協(xié)同聯(lián)動，開展示范平臺建設
加強對科技創(chuàng)新的金融支持力度，通過各類產業(yè)投資基金等渠道，加速建設創(chuàng)新中心；通過國家科技計劃（專項、基金等）鼓勵前沿技術、共性核心技術的攻關；加大海外技術合作與引進。另外，在國家重點領域開展生產應用示范平臺建設，有序推進產業(yè)轉型升級，重點完善應用開發(fā)軟硬件條件，突破關鍵領域共性應用技術，實現新能源材料與終端產品同設計、系統(tǒng)驗證、批量應用等的協(xié)同聯(lián)動。
（四）柔性用才，加強人才隊伍建設
凝聚產業(yè)高端人才，強化人才梯隊建設；加強科技領軍人才、緊缺人才培養(yǎng)，鼓勵企業(yè)加大相關投入；實施海外人才引進政策，促進人才開展國際交流。通過柔性用才匯聚創(chuàng)新發(fā)展動力，激發(fā)人才發(fā)展活力，提高國際競爭力，形成國際化、人才集聚規(guī)?；娜瞬鸥窬?。
作者：黃學杰，趙文武，邵志剛，陳立泉中國工程院院刊
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