北京市新能源领域前沿材料发展现状及对策研究
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新能源材料是在环保理念推出之后引发的对不可再生资源节约利用的一种新的科技理念，新能源材料是指具有能量储存和转换功能的，可以支撑新能源发展的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料具有以下几个特点：新能源材料可以有效进行能量转换；新能源材料可以增加能源利用的新途径。新能源材料的基础仍然是材料科学与工程基于新能源理念的演化与发展，研究的范围涉及金属、陶瓷、高分子材料（如塑料）、半导体以及复合材料。
新能源材料产业是形成的具有同一属性的企业的集合。它建立在新能源材料技术基础之上，开发生产新能源材料产品，包括新能源材料及其相關产品和技术装备，是高新技术产业的重要组成部分。新能源材料对新能源的发展起到了重要作用：①促成新能源系统的诞生，提高了新能源系统的效率；②直接影响着新能源系统的投资与运行成本。
新能源前沿材料主要分为6大类，包括太阳能材料、核材料、风能材料、锂离子电池关键材料、燃料电池材料、储氢材料。经过前期调研分析北京新能源前沿材料发展情况，太阳能材料方面：太阳能材料领域属于能耗较高项目，在北京只有示范性项目的铺设点，在北京发展优势不明显，如能解决能耗及污染等问题可在北京发展布局；核材料方面：北京的基础研究优势明显，北京有研科技集团有限公司（简称“有研科技”）有色金属研究院、核工业北京地质研究院等单位；风能材料方面：风能叶片不好降解，北京环保要求较高，北京优势企业中材科技风电叶片科技有限公司已搬迁至邯郸，因此北京发展风能材料产业困难较大；锂离子电池材料方面：北京在新能源汽车领域发展优势明显，政策上有《中共北京市委、北京市人民政府关于印发加快科技创新构建高精尖经济结构系列文件的通知》中明确有提出发展新能源汽车领域，锂离子电池材料是新能源汽车的重要组成部分，同时北京拥有锂离子电池材料行业领域企业北京当升材料科技股份有限公司，因此锂离子电池材料在北京开展全产业链布局具有较大优势；燃料电池方面：北京一直在新能源汽车领域具有发展优势，根据《北京市加快科技创新发展新材料产业的指导意见》，建议北京可以在房山区布局相关产业；储氢材料方面：储氢材料较其他能源材料相比，污染较少、能耗较低领域，同时北京在该领域基础研究优势明显，包括有研科技、北京科技大学、清华大学等，同时已有北京浩运金能科技有限公司等产业化企业，建议北京可以大力发展储氢材料。
综上，本文基于对北京新能源前沿材料进行梳理分析，并力争寻找到适合北京重点发展的新能源前沿材料发展方向，因此本文将重点介绍较适合北京发展的锂离子电池关键材料、燃料电池材料、储氢材料3个新能源前沿材料方向。
1 锂离子电池关键材料
锂离子电池的性能主要由其所用电池内部材料的结构和性能来决定，包括电解液、正极材料、负极材料和隔膜等。而锂离子电池的正、负极材料的选择和质量直接决定了锂离子电池的性能与价格，正极材料的成本大约占整个电池成本的40%左右。由于目前的碳材料发展比较成熟，一般选用碳材料作为负极材料。而新的负极材料的研究方向是非碳极材料（例如钛酸锂）。制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素是正极材料的开发。对锂离子动力电池尤其如此。在锂离子电池正极材料方面，研究最多的是具有α—NaFeO2型层状结构的LiCoO2、LiNiO2和尖晶石结构的LiMn2O4及它们的掺杂化合物。锂离子电池负极材料方面，商用锂离子电池负极材料碳材料以中间相碳微球（M C M B ）和石墨材料为代表。
1.1 代表企业
北京锂离子电池关键材料的代表企业主要有：
1.1.1 北京神州巨电新能源技术开发有限公司
北京神州巨电新能源技术开发有限公司2007年8月成立于北京中关村高科技园区，注册资金1亿元，是新材料企业的代表之一，具有国际先进、国内领先的高安全单体超大容量、固态聚合物、动力锂电池规模化生产工艺技术。也是国际具有智能动力锂电池产业化生产技术、纯电动汽车（公交车）集成、智能化动态实时能源管理技术、纯电动汽车运营管理商业化模式等全产业链核心技术企业之一。2016年投资25.8亿元建32亿Wh单体大容量、固态聚合物、动力锂电池规模化生产基地。神州巨电首创独特的锂电池产品已成功地应用于国防装备和纯电动汽车、大巴车、移动基站和风能、太阳能储能等领域。
1.1.2 北京创亚动力电池研发有限公司
北京创亚动力电池研发有限公司位于北京中关村科技园区昌平园，是一家专业致力于锂离子电池关键材料的研发、生产和经营的高新技术企业。公司总投资5 000万元，在国内建有2个具有业内先进技术工艺的生产工厂，具有年产锂离子电池负极材料1 500t，电解液1 000t的生产能力。生产的负极材料包括中间相碳微球系列（MBG）、改性天然石墨（GNMG）系列、改性人造石墨系列（GHMG）和人造石墨系列（HSG）等10余个品种。生产的电解液产品包括普通型电解液、功能型电解液、动力型电解液等，能够为锂离子电池生产企业量身设计市场需求的各种功能型电解液：如长寿命、高倍率、铝塑膜包装电池高温防气胀、过充型、阻燃型电解液以及与锂离子动力电池新型正负极材料相匹配的电解液等。
1.1.3 北京当升材料科技股份有限公司
北京当升材料科技股份有限公司（以下简称“当升科技”）是国内锂电正极材料的龙头企业之一，以新能源材料研发和生产为主，率先成为国内出口锂电正极材料的供应商，与全球前6大锂电巨头建立了稳定的合作关系。公司于2010年4月成功登陆创业板，并于后期涉足负极材料领域，成为国内前沿的动力锂电正极材料供应商。
2018年，当升科技新品开发卓有成效，多系列高镍产品全面推向市场。同时，加快高镍多元材料新品开发，形成了高容量、高压实、高电压、单晶形貌且性能稳定的多系列高镍产品体系。目前，公司组织专门团队加大固态锂电材料和富锂锰基材料的开发，并与国内科研机构就上述前瞻性材料的开发建立创新联合体，也为欧、美以及国内等多个具有固态锂电领先技术的国际知名公司和科研机构进行配套开发，目前已完成对国内外多个客户送样，产品性能获得广泛认可，后续将继续开展合作开发，推动科研成果高效产业化。
1.2 发展建议
1.2.1 政府引导资金支持锂离子动力电池技术研究
依托优势单位，支持开展锂离子动力电池共性制备技术研究，以战略需求为导向，开展锂离子动力电池应用性研究与产品开发；以民生和产业需求为导向，开展其他锂离子动力电池应用性研究。
1.2.2 成立锂离子动力电池全产业链联盟
联盟成员将由锂离子动力电池全产业链的上下游科研单位、企业组成，有别于目前国内广泛存在的同领域成员组成的联盟模式。产业链联盟有利于目标一致、减少竞争，利益共享，形成利益捆綁、链条式产业联盟，有益于锂离子动力电池整体推进。
1.2.3 大力发展电池回收市场
锂离子动力电池的电池回收市场规模巨大，而电池置换成本较高，因此建立完善妥善的回收机制，合理的回收定价，同时监管层需注意规范电池回收市场运营，加强配套鼓励行业发展的优惠政策，电池回收市场将得到有效发展。
1.2.4 大力推进全固态电池、锂硫电池等下一代电池技术的产业化进程
全固态电池技术被认为是电池技术的未来，采用全固态电池技术可大幅度提高电池的安全性能，同时提升电池的能量密度，世界各大厂商纷纷布局。宝马公司在2017年2月宣布2026年将公布采用固态电解质的突破性车载电池技术，将有利于降低重量，提高电池安全性。
当前国内锂离子电池关键材料已经基本配套，为我国离子电池产业的更大发展创造了有利条件。
2 燃料电池材料
燃料电池不同于蓄电池，它是直接将燃料中的化学能转化为电能的装置，且所用的燃料清洁无污染。传统的燃料电池的燃料多为氢气，反应后的产物是水，不产生一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等污染性气体。燃料电池根据所用电解质的不同，分为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池。
日韩等汽车巨头在氢能源汽车领域涉足较早，包括现代ix35 FCV、NEXO、本田Clarity、丰田Mirai等。相比纯电动汽车而言，氢燃料电池汽车具有“充氢时间短，续航持久”的特点。未来，韩国、日本也都纷纷对5～10年后的氢燃料电池乘用车做了具体规划与展望。氢能源车产业正吸引越来越多的车企。
我国很早就形成了以大学研究院为主体的氢能源燃料电池研发机构，并为汽车应用打下了一定基础。企业中，上汽集团推出了荣威950插电混动燃料汽车，长城汽车此前也收购了上海燃料电池汽车动力系统有限公司51%的股权，并计划在2022年推出首款氢燃料电池汽车；在商用车领域，宇通和福田的氢燃料电池客车已经得到实际应用，中国重汽也研制出了3款氢能源燃料车型。2018年，常州国家高新区引进安泰创明新能源材料项目，签订关于氢燃料电池及氢能利用产业投资合作的框架协议，大力推动常州氢能源产业的发展。2019年西安新建10亿规模氢堆产业基地，是国内首个规模化产业落地项目，总投资 10亿元，可年产5万台氢燃料发动机。
2.1 代表企业
北京燃料电池相关的代表企业主要有：
2.1.1 北京动力电池研究中心
北京动力电池研究中心是北京有色金属研究总院（以下简称“有研总院”）下属二级单位，成立于2010年9月，是由有研总院从事镍氢电池及材料、锂离子电池及材料、燃料电池材料、电池检测技术与装备等研究室组建而成。技术成果实现了产业化，其中锂离子动力电池成果转让后实现产能5亿Wh（约占全国10%），氢氧化镍材料实现产能约占全国50%、贮氢合金材料占全国40%。
2.1.2 北京亿华通科技股份有限公司
北京亿华通科技股份有限公司作为中国氢燃料电池发动机先行者和领导者，自2004年以来，始终专注于氢燃料电池发动机研发与产业化，致力于打造国际最具实力的氢燃料电池发动机制造企业。
2016年，北京亿华通科技股份有限公司在新三板正式挂牌，成为“中国氢能第一股”，实现了中国氢能公司在资本市场的零的突破。氢燃料电池发动机及与之配套的DC/DC、整车控制器、氢系统等。
2.1.3 北京氢璞创能科技有限公司
北京氢璞创能科技有限公司成立于2010年，是一家致力于新能源市场化的创新型企业，是国内在商业运营及技术创新上最成功的燃料电池公司之一。自成立以来，氢璞创能一直致力于水冷燃料电池和甲醇制氢技术的研发和产业化，是为数不多的拥有核心技术自主知识产权及产业化技术的燃料电池厂家，开展水冷燃料电池和甲醇制氢技术的研发和产业化。北京氢璞创能科技有限公司已与国达氢能源科技有限公司签署了价值1.2亿元的500套30kW车用燃料电池电堆订单，并将在2017年底前陆续交货装车。这些燃料电池电堆将被安装在氢璞创能与国内多家一流整车厂共同合作开发的燃料电池客车与燃料电池物流车上，并在多地的公交线路和物流园内运营。
2.2 发展建议
《中国制造2025》提出“到2020年，燃料电池堆寿命达到5 000h，功率密度超过2.5kW/L，整车耐久性到达15万km，续驶里程500km，加氢时间3min，冷启动温度低于-30℃；2025年，燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高，和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力，实现批量生产和市场化推广。”因此，在国家政策影响下，预计未来我国在燃料电池领域具有较广阔发展空间。
2.2.1 立足氢燃料电池汽车发展优势领域
从技术特点来看，纯电动汽车适用于城市、短途、乘用车等领域，而氢燃料电池汽车可能更适用于长途、大型、商用车等领域，因此依托其技术优势，下游应用产业可以聚焦在长途车、大型车及商用车。
2.2.2 完善新能源汽车扶持政策
在政策上对动力电池、燃料电池汽车等研发给予支持，逐步开展智能网联汽车示范试点，加大对新增及更新公交车中新能源汽车比例的考核力度。
2.2.3 加强质子交换膜燃料电池新材料的研发和生产
质子交换膜燃料电池是最接近商业化的一种燃料电池，最有希望作为未来电动汽车的发动机，全球几乎主要的汽车生产商都在致力于燃料电池汽车的开发。仅在小型电源领域，全世界已经有超过15万套燃料电池交付使用，总功率超过了15MW，其中96%是质子交换膜燃料电池。
2.2.4 重点投资燃料电池汽车的研发和生产
根据中汽协对外公布的数据，2018年上半年新能源汽车產销量分别完成41.3万辆和41.2万辆，比上年同期分别增长94.9%和111.5%，新能源汽车市场发展态势持续向好。随着大气环境问题的日趋严重及能源替代品需求的不断上涨，国家及相关政府部门继续保持对新能源汽车行业的扶持力度，长期来看整个行业发展仍处于快速成长期。虽然短时间内难以大规模商业化，但我国在燃料电池技术开发上仍然拥有一定的优势，因此，应当结合外国先进的汽车制造技术，尽快将燃料电池汽车推向市场。
3 储氢材料
氢气已被认为是最低碳环保的能源之一，而且反应产物无公害，但是由于传统的储藏方法不能安全的存储和运输来满足未来的需要，因此研究安全、经济、便携的储氢材料从而实现氢气高效的存储一直是世界各国的能源开发者们的研究热点（见表1）。储氢材料（见表2）的研究和应用已走过半个世纪的历程，过去近50年的研究发展不仅使储氢材料的种类不断增加、性能不断提高，也使储氢材料得到越来越广泛的应用，产生了越来越广泛的社会影响和经济作用。其应用领域已涉及可充电电池、混合动力汽车、燃料电池、热泵、氢分离、核能等技术领域。
3.1 代表企业
北京储氢材料的代表企业主要有：
3.1.1 北京浩运金能科技有限公司
北京浩运金能科技有限公司成立于2000年，是注册中关村科技园区海淀园的国家高新技术企业，多年来一直致力于新型能源转换材料的研发和产业化工作，专注于镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等新型电池和相关的能源转换材料及氢制备、储存和应用相关产品的研发。北京浩运金能通过自建和合建生产线，已经实现年产3 000t储氢合金材料。目前，浩运金能储氢合金材料的容量已超过350mAh/g，电池放电倍率已可以达到30C，可以在-40～80℃的温度下使用。
3.2.2 有研科技集团有限公司
有研科技集团有限公司创建于1952年，是我国有色金属行业以创新为引领的综合性工程技术研究开发和高新技术产业培育实体，主要从事微电子与光电子材料、新能源材料、有色金属特殊功能材料、有色金属结构材料与制备加工技术、有色金属粉末及粉末冶金、有色金属选矿冶金技术、特种装备研制、有色金属材料分析与测试、有色金属科技情报与软科学、材料计算与模拟仿真等领域的工程化技术研究开发、服务和产业化。在半导体材料、有色金属复合材料、稀土材料、生物冶金、材料制备加工、分析测试、新能源材料等领域拥有16个国家级研究中心和实验室。作为国内最早开展储氢材料与技术研究的单位之一，有研总院在高性能固态储氢材料与技术领域掌握了金属氢化物储氢材料与装置核心关键技术，研究成果在氢原子钟、燃料电池电动车、燃料电池备用电源、半导体生产、磁控溅射、红外光谱分析、陀螺仪、真空电子管等众多领域中得到了应用，研究实力居国内领先水平。
3.2 发展建议
储氢材料的研究和应用已走过半个世纪的历程，过去近50年的研究发展不仅使储氢材料的种类不断增加、性能不断提高，也使储氢材料得到越来越广泛的应用，产生了越来越广泛的社会影响和经济作用。其应用领域已涉及可充电电池、混合动力汽车、燃料电池、热泵、氢分离、核能等技术领域。目前储氢材料主要朝2个方向发展：
3.2.1 满足车载动力要求的储氢材料
即能够实现用氢取代传统的汽油等燃料的工作要求。我国目前的汽车保有量已超过1.2亿辆，各类机动车超过2亿辆，机动车排放污染是我国空气污染的重要来源，采用氢燃料电池对减少汽车污染排放作用巨大。2017年11月，全国首个高效液体有机储氢材料生产基地落户宜都。
3.2.2 应用于智能电网系统中的储能和分布式发电
即通过电解制氢将电网用电低谷的剩余电能储存起来，在用电高峰并网使用，或是与太阳能、风能等配合，形成分布式能源供应系统。大规模使用智能能源网技术，对于节能减排意义重大。这种技术如果大规模使用，对储氢材料的需求不言而喻。
4 结语
随着石化能源的减少和环保的要求，对洁净能源的需求越来越大，以太阳能材料、锂离子电池关键材料、核材料、燃料电池材料、储氢材料和风能材料为代表的新能源材料产业有望成为拉动经济增长的新兴战略型产业，符合人类减少对地球资源过度消耗和环保的需求，拥有巨大的市场前景，新能源可以分散形成很大的产业链，从而创造更多的就业，新能源材料产业已进入前所未有的发展阶段。
致谢：
该文章得到北京市经济与信息化局软课题《北京市新能源领域前沿材料产业现状及发展对策研究》支持。