新能源汽车研发中的关键材料解析

国创（淄博）中心，作者：朱盛镭

新能源汽车材料指支撑新能源汽车发展的、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。新能源汽车材料对促进新能源汽车的发展发挥了重要作用，新能源汽车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。

01 材料在新能源汽车产业链中的地位

在世界新一轮科技革命推进下，传统汽车技术由最初的机械动力化演变为当前以能源低碳化、动力电动化、车辆智能化为标志的新能源汽车先进技术体系。新能源汽车是指采用新动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，按其动力系统特点大致可分三类：一是纯电动汽车（EV），采用电力驱动模式；二是插电式混合动力汽车（PHEV），采用电机＋内燃机驱动模式；三是燃料电池汽车（FCEV），可视为“自带氢燃料发电机的电动汽车。因采用新动力系统，新能源汽车要以轻量化、电动化和智能化等特点超越传统汽车，还须在其材料技术上力求突破。轻质高强复合材料在制造业大规模应用将会带来深刻的变革，为中国先进制造提供核心竞争力支撑。高性能纤维与复合材料规模制造与应用为 “卡脖子”提供了支撑：它能够强化产业链各环节，使高端产品水到渠成。中国汽车想要引领全球发展，材料是技术进步与降低成本的关键。例如，运用轻量化材料，满足汽车减少能源消耗、提高性能；运用驱动电机材料促进新能源转化为汽车驱动力；运用动力电池材料保障汽车电力储存、续航时间和安全高效的优势。

在新能源汽车产业链中，材料的作用和地位极其重要。材料涉及的产业链（图1）分为下游的整车、中游的零部件与物料（可统称材料），以及上游的矿资源等三部分。新能源汽车的关键材料几乎贯穿和渗透整个产业链条的各环节。例如，下游的整车，主要是汽车研发与制造，其中包括轻量化材料等。中游的零部件与物料，主要是电池、电机、电控等零部件制造和组装环节，其中的电池产业链相对复杂，由电芯、BMS（电池管理系统）、Pack（电池包）三个环节组成；电芯主要由正极、负极、隔膜以及电解液组成；BMS中最为重要的当属电池热管理系统，直接关系到电池的安全性能。上游的矿产资源，是涉及新能源汽车各系统部件制造的矿资源，主要涉及铬、铝、锗、钴、锡、铁、铟、锌、锰、锆、银、金、镍、铜、镓、稀土、石墨、硒、镁、硅、铂、钛和锂等23种1，其中的锂、钴、镍、铂、稀土、石墨等6种为新能源汽车最关键的矿资源。（图2）

图2 新能源汽车涉及的的矿资源

02   关键材料成为新能源汽车的研发重点

材料在新能源汽车研发中的关键作用引起产业界高度重视。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。

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。

在燃料电池领域，膜电极（包括催化剂、膜和碳纸）的性能及成本是限制燃料电池大规模商业化的瓶颈。日本田中贵金属集团生产的铂催化剂在国际市场份额占有率居于首位，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。日本东丽（Toray）集团、德国西格里（SGL）公司、加拿大巴拉德（Ballard）动力系统公司等生产的碳纸是我国燃料电池领域的主要进口产品，曾经出现过碳纸供应渠道中断的情况，对我国的燃料电池技术安全构成了严重威胁。

（一）动力电池材料

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正极材料、在使用上非水电解质溶液的电池。目前，新能源汽车主流的锂电池有三元锂电池、磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和锰酸锂电池等；负极材料相对稳定，以石墨为主，也有少量以钛酸锂做负极材料；隔膜通常为氧化锆纤维材料。动力电池涉及的矿资源中，稀有金属的应用占有一定的比例。例如，稀土贮金合氢在插电混合动力汽车的镍氢电池领域有广阔市场，在镍氢电池中，镍占到电池成本的 3/5；在锂离子电池中，电解液、正极材料、负极材料和隔膜各占成本的 1/4。燃料电池汽车能量来源的氢，需要铂族金属作为催化剂使之产生。

三元锂电池正极材料有镍钴锰酸锂（Li(NiCoMn)O2），其中主要以镍、钴、锰三种材料为主，增加镍含量可以提高电池的续航，增加钴含量可以提升电池的稳定性，增加锰含量则可以增强电池的安全性；负极材料主要以石墨为主，石墨是多层结构，可以容纳锂电池的锂原子。

磷酸铁锂电池的正极材料是磷酸铁锂（LiFePO4），这一正极材料呈橄榄石结构，化学性质非常稳定，所以磷酸铁锂电池的安全性很高；负极材料与三元锂电池一样，负极材料都是以石墨为主，用以容纳锂原子。

钴酸锂电池的正极材料有氧化锂钴LiCoO2，外观呈灰黑色粉末，具有成本高、能量密度高、安全性差等特点；负极材料主要是软碳、硬碳，与电解液的相容性好，输出电压较低，无明显的充放电平台电位。

锰酸锂电池的正极材料是锰酸锂LiMn2O4，通常为黑灰色粉末，易溶于水，具有价格低、无污染、安全性高等优点；负极材料主要是石墨，这种材料具有良好的导电性，且有着适合锂原子嵌入和脱嵌的层状架构。

（二） 驱动电机材料

稀土元素对新能源汽车驱动电机而言,是必不可少的，且需求量较大。为保证新能源汽车的续航能力，要求其驱动电机具备高功率密度、高效率和强可靠性。稀土永磁同步电机是当前的主流技术，主要材料为钕铁硼，通常情况下还会混合少量的镓和稀土元素中的镝、镨、铽，以保证永磁电机的耐热性。电子电力系统实现的直流电和交流电转化，需要一定的钯、金、锗、铟和银等金属来实现。目前，钕铁硼是全球范围内磁性最优的永磁体，而稀土中的钕元素恰好是用来制造高功率轻质磁铁——钕铁硼永磁体的关键性材料之一。 

（三）轻量化材料 

轻量化材料技术是新能源汽车研发与创新必须突破的关键环节。新型纤维复合材料、镁铝合金、含铬的高强度钢、钛合金以及一些非金属基复合材料等，在新能源汽车的轻量化和安全性方面有巨大的应用潜力。有研究指出：汽车轻量化最佳可降低 1/2 能源消耗。铝合金在新能源汽车轻量化设计中的应用，可使整车减重效果达 20%；镁合金可应用于座椅骨架、仪表盘、方向盘等，具有质量轻、比强度高、易加工等特点。

各种改性塑料、复合材料以及轻质合金材料运用日趋成熟，不仅在传统汽车发动机周边，而且在新能源汽车的动力电池上，都有各种塑料的应用。但这些塑料在阻燃这个安全问题上的表现其实并不理想，阻燃及其相关产业伴随“汽车轻量化”一起成为汽车行业的热点。

目前，用于汽车零部件的常见阻燃材料类型有PP、PA、PU、PC、ABS材料，以及由它们组成的各种改性材料和复合材料。单台新能源车电池组模块工程塑料的使用量约30kg，新能源车塑料壳体目前主要使用改性PP，以及改性PPS、PPO等耐高温塑料。

（四）矿产资源

和新能源汽车相关的矿产原材料，由于具备高度稀缺性和垄断性，全球经济体已经开始新一轮的国际资源战略。将来用于战略性新兴产业的稀有矿产资源，需求会大幅增加；各主要经济体，特别是工业大国之间，对稀有矿产资源的争夺将日益激烈。

说到战略性资源，大家首先想到的石油、天然气之类，在工业历史上经常引起资源冲突的矿物燃料。随着新能源新产业的兴起，使得一批矿产的地位一下子重要起来。

从这个战略性矿产资源的定义来看，用三个特征来描述比较合适：

1.具有经济和战略重要性

2.具有对工业生态系统的重要意义，我们今天讲的就是和新能源汽车产业有关的部分。

3.具有较高的进口依赖度、较低的替代性和较高的供应风险。

未来几十年，电动汽车的发展成了必由之路，所必需的矿产资源，需要大幅增加才能实现全球产业发展目标，这就让这些关键矿物未来具有类似石油一样重要战略意义，类似锂资源有白色石油的说法。

由于矿产资源一般具有不可再生性、和地理分布不均衡性的特点，目前全球主要经济体已经开始重新制定相应的全球资源战略。关键矿产的萃取、加工、精炼和应用的竞争将愈演愈烈。

对中国涉及新能源汽车制造的6种关键矿产资源情况，根据的2017年消费量，预测2030 年新能源汽车对其需求量见（表1） ；根据各矿产资源的需求量、产量、对外依存度等因素进行预测和分析，将其中的锂、钴、镍、铂列为短缺矿产，稀土、石墨列为优势矿产（图3）。

03   新能源汽车产业竞争点前移至关键材料

新能源汽车作为一个新兴领域，其技术研发和应用还处于初级阶段。而新材料，尤其是关键材料的应用，往往标志着新能源汽车研发与创新实现突破性发展。各国逐渐将新能源汽车关键材料技术看作是产业竞争的制高点。为此，我国政府、产业界、科技界与相关行业也在联袂合作，积极探索，促进新材料与新能源汽车发展的深度融合。

（一）政府规划战略的推进

政府的规划战略尤为重要，3月16日，国家发改委发布《绿色产业指导目录（2023年版）》（征求意见稿）。

重点产业领域主要内容：

新能源汽车关键零部件制造。包括新能源汽车电池、电机及其控制系统、电附件、插电式混合动力专用发动机、机电耦合系统及能量回收系统等新能源汽车关键核心零部件装备制造。新能源汽车电池、电动汽车用驱动电机系统、电附件、电动汽车安全等需符合相关标准规范要求。

充电、换电和加气设施建设和运营。包括分布式交流充电桩、集中式快速充电站、非车载充电机、换电设施、汽车和船舶天然气加注站、城市公共充电设施、城际快速充电网络等基础设施建设和运营。需符合相关国家、地方、行业相关标准规范要求。

燃料电池装备制造。包括质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池等制造。

新型储能装备制造。能量型储能技术装备及系统集成包括压缩空气、锂离子电池、铅碳电池、液流电池技术装备及系统集成，钠离子电池、固态锂离子电池、水系电池等新一代高性能储能技术装备及系统集成，储热蓄冷技术装备及系统集成。功率型储能技术装备及系统集成包括超导、电介质电容器等电磁储能技术装备及系统集成，超级电容器、飞轮储能技术装备及系统集成。辅助技术装备包括电池管理系统、能量智能管理系统、安全预警与系统防护技术装备、先进冷却与消防技术装备等。

氢能“制储输用”全链条装备制造。包括用于可再生能源制氢的碱性电解槽、PEM电解槽、SOEC电解槽、AEM电解槽、质子交换膜、双极板等装备，以及高压气态、低温液态、固态、深冷高压、有机液体等形态的氢储运所需铝内胆碳纤维全缠绕气瓶、塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶、长管拖车和管束式集装箱、管道、氢气阀门等装备制造。

相比于2019年版，《征求意见稿》更加细化和具体，新增新能源汽车、充换电设施等领域的标准规范要求，将新型储能细分为能量型、功率型和辅助技术装备等三部分，增加和细化氢能全产业链装备制造领域等，对相关领域发展具有很大指导作用。《目录》正式修订发布后，各地方和部门将根据发展重点，出台投资、价格、金融、税收等方面政策措施，逐步建立绿色产业认定机制，从政策、组织、制度等方面指导绿色产业发展。

（二）产业竞争重心前移

全球科技格局的新变化是，基础研究在抢占国际竞争制高点中的地位凸显。国外新能源汽车产业界也已意识到基础研究的重要性。从趋势看，在科技革命和产业变革促动下，新能源汽车产业竞争的重心已前移至研发链条的前端，进而前移至产业链的上游材料领域，即关键材料的研发、生产环节。

新能源汽车市场的高增长，倒逼整个产业链水涨船高，尤其显现上中游原材料产业成为新能源汽车发展的制约环节。例如，动力电池产业链的上游为原材料资源的开采和加工，主要有锂资源、镍资源、钴资源和石墨等等；中游是正极材料、负极材料、隔膜、电解液等材料的生产和加工；下游的电芯及电池包供应商将中游的各种材料组装成电芯后进行制造和封装。如没有上游的矿资源、中游的材料与零部件，下游的产品再努力也不会奏效。因此，谁把控了上中游资源，谁就掌握了稳定的原材料供给，也就赢得在新能源汽车产业链中的竞争优势。

（三）企业发展战略的嬗变

新能源汽车材料产业在高速发展同时，出现的一些不平衡、不协调的问题，需要整个产业链上、中、下游各企业共同应对，加速创新发展的升级。

由于锂资源等原材料价格的大幅上升，作为电动汽车核心部件的动力电池成本骤增。特斯拉首席执行官马斯克近期在推特上说：“锂的价格已经到了疯狂的水平，虽然锂元素本身并不短缺，地球上几乎无处不在，但开采和提炼锂的速度很慢”。目前，国内很多电池制造企业与四川、青海、江西等锂资源储量丰富的地区进行合作，打造依托资源开采、加工、电池生产及回收的一系列产业集群。除了建立牢固、长久、稳定的合作关系外，还利用资本深入上游产业链之中，或是直接控制矿产资源，或是参股材料生产企业，或是建立合资材料公司，或是自建材料工厂。例如，宁德时代、比亚迪、亿纬锂能、蜂巢能源、欣旺达等电池企业在通过收购、入股、长协或合作等形式参与国内锂矿、盐湖锂资源的开发。2022年8月18日，赣锋锂业公告，其与广汽埃安新能源汽车有限公司于近日签署《战略合作协议》。双方同意建立长期的战略合作关系，从新能源动力电池最上游材料端展开合作，持续探讨在锂资源开发、中游锂盐深加工及废旧电池综合回收利用各层面的深入合作。

下游企业与上、中游企业的战略合作也频见媒体。例如，上汽集团不断完善在新能源汽车上游材料的布局，为持续领跑新能源赛道提供新动能。2022年2月21日，上汽集团和青山实业共同宣布，将进一步充分发挥各自在新能源汽车领域的产业优势，以资本为纽带，在全球范围内，合作开发新能源上游的镍、钴、锂、锰等相关资源项目，协同促进新能源电池技术和应用市场开发；2022年3月24日，上汽集团和青山集团合资成立的赛克瑞浦和瑞浦赛克年产20GWh动力电池电芯及系统项目合作和投资协议在广西柳州正式签署。2022年9月21日，由上汽集团全资子公司上海汽车集团投资管理有限公司、宁德时代、中国石油、中国石化等共同持股的上海捷能智电新能源科技有限公司成立，经营范围包含电池租赁、销售，电动汽车充电基础设施运营以及集中式快速充电站等业务。

但再看今年，据上海钢联发布数据显示，2023年3月23日，电池级碳酸锂跌10000元/吨，均价报28万元/吨，工业级碳酸锂跌10000元/吨，均价报24万元/吨；氢氧化锂跌4000~5000元/吨；镍豆跌300元/吨。

对比2021年11月历史最高59万元/吨，暴跌49.15%，这几乎是腰斩的节奏。按照这速度，大部分机构对于今年底跌至20万元/吨的预测，有可能在二季度提前到来。

想必大家都还记得，2022年广汽董事长曾庆洪在公开场合曾吐槽“现在车企是在给电池厂打工。”新能源汽车上成本最高的就是动力电池，在部分车型上甚至超过了整车成本的50%。电池原材料价格的下降，对于新能源车企来说是一个利好消息。市场共识是，动力电池价格降低之后，电动车的成本也必然会下探。这也给企业带来更多的调价空间。