国内外新能源材料技术发展现状与趋势- 工业快报

一、“双碳”目标与能源的消耗

　　2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上提出，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”(以下简称“双碳”目标)。根据我国不同行业碳排放数据，发电及供热、工业、交通是我国二氧化碳排放量前三的行业，因此实现“双碳”目标的适当措施包括扩大可再生能源比重和脱碳交通工具的使用。

　　在众多可再生能源中，太阳能以其清洁、安全、储量无限等显著优势，已成为发展最快的绿色能源。其中，晶硅太阳能电池在光伏领域中一直占据绝对优势地位(~90%)，是当前国际新能源竞争中的重要领域，在我国可再生能源战略中扮演着极其重要的角色。汽车电动化和智能化变革为大势所趋，新能源汽车的高速发展和大规模应用将大幅度降低燃油的消耗。2020年11月，国务院办公厅印发了《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》，提出推动新能源汽车产业高质量发展，加快建设汽车强国；计划到2025年新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20% 左右；到2035年，纯电动汽车成为新销售车辆的主流，公共领域用车实现全面电动化。目前，我国能源消费结构中化石能源占比仍高达80% 以上，未来在“双碳”目标引领下，太阳能和风能发电将占据越来越重要的地位。而高安全性的锌电池储能技术能够解决风能、太阳能间歇性和波动性等缺点，将促进太阳能和风能发电技术的发展与大规模应用，实现技术互补，相互促进。

　　汽车电动化需要绿色电力才能助力“双碳”目标的实现，光伏发电和储能技术是主要的解决方案，“光—储—配—用”绿色电力全链条一体化是“双碳”目标实现的关键。我国在光伏、新能源汽车、储能等领域实现了弯道超车，这主要归因于基础工业水平的提高、国内外巨大的市场空间、不断完善的供应链、研发技术的进步、设备国产化率提升等，所有这些变革大幅降低了上述领域的生产成本。但是，在高效晶硅太阳能电池、锂离子动力电池、锌基储能电池等领域的关键材料方面还需继续发力，以实现更大的突破，更好地服务于能源革命和“双碳”目标。

二、国内外新能源材料技术发展现状与趋势

（一）光伏发电――晶硅太阳能电池

　　经过20余年的发展，光伏产业已成为我国少有的具有国际竞争优势的战略性新兴产业，也是推动我国能源革命的重要引擎。目前，我国光伏产业实现了硅料、硅片、电池片、组件、发电系统全产业链的布局，在制造业规模、产业化技术水平、产业体系建设等方面均位居全球首位。

　　2020年全球光伏产品产能、产量及中国产品在全球的占比

　　在政策的扶持下我国光伏产业突飞猛进，在产能方面已实现了对世界发达国家的赶超，为世界光伏发电度电成本的降低作出了巨大的贡献，但仍然存在原始创新不足、主要技术依赖国外等瓶颈。以技术驱动属性最强的电池片环节为例，目前主流的发射极和背面钝化电池(PERC)技术，以及下一代隧道氧化层钝化接触电池(TOPCon)、异质结电池(HJT)、背接触电池(IBC)等高效电池的结构设计及制作工艺均源自国外。其中，最为热门的HJT具有量产效率高、生产工序短等显著优势，早于1990年由日本三洋公司所开发，直到2015年三洋公司的HJT专利保护失效才开始在我国被大力发展和推广。这些高效电池技术在推广初期，相应的制造、检测核心设备均依靠进口，甚至关键的辅材(如添加剂、浆料等)也严重依赖进口，国产的技术开发更多的是模仿。随着我国光伏产业的飞速发展，自主技术的市场需求日益强劲；在消化吸收的基础上，部分龙头企业正在加大研发投入，推动技术升级换代。基于目前我国位居主导地位的光伏产业规模，我国迎来了原创性技术开发及产业应用的良机。因此，探索高效的产学研联合开发模式具有十分重要的意义。我国光伏产业界若能紧抓“双碳”目标带来的新能源发展机遇，通过原始创新打造出自主技术体系，不断提升我国光伏产品的竞争力优势，则必将在国际上引领光伏技术的发展。

　　晶硅组件价格、效率和功率的发展

　　电池的技术趋势

（二）锂离子动力电池

　　20世纪90年代初，锂电池实现产业化，并凭借其工作电压高、能量密度高、循环寿命长、充电速度快、放电功率高、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等突出优势，而实现迅猛发展。根据应用场景的不同，全球锂电池可分为动力、消费和储能三大细分市场。其中，动力锂电池主要应用于新能源汽车、电动自行车、电动工具、专用车等场景。

　　2020年，全球新能源汽车年销量达到了324万辆，同比增长43%；全球锂离子电池市场规模约为535亿美元，同比增长19%。2021年全球新能源汽车销量约650万辆，同比大幅增长超100%。2021年我国动力电池产量累计219.7 GWh，同比累计增长163.4%。受益于各国新能源汽车发展计划，动力电池也迎来了最为确定的市场，预计2025年全球锂离子电池将进入TWh时代，全球锂离子电池市场规模预计将超过1 000亿美元。若按照单一国家市场计算，中国是全球最大的新能源汽车市场。

　2015—2020年全球锂离子电池产业规模

　　锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液和电池外壳5个部分组成。正极材料在锂电池材料成本中所占的比例达30%—40%，其成本直接决定了电池整体成本的高低。动力电池领域作为未来10年锂离子电池最大的应用领域，其正极材料技术的发展主要分为3代：

①第一代：以锰酸锂为代表。锰酸锂标称电压在3.7 V，因成本低、安全性高、低温性能好，而被广泛应用在轻型车市场。

②第二代：以磷酸铁锂和镍钴锰(铝)酸锂(三元)为代表。磷酸铁锂电池标称电压为3.2 V，具有成本低、安全性好、环境友好和耐高温等特点，但其能量密度较低、低温性能较差。由于其常用的高容量正极材料层状结构的钴酸锂和镍钴锰酸锂材料成本高，且钴资源匮乏，面临可持续发展的问题。

③第三代：以高电压镍锰酸锂和高容量低钴/无钴层状正极材料为代表。高电压镍锰酸锂电池标称电压达到4.5 V，具有高能量密度、宽工作温度范围、高安全性、最低锂当量、低成本等优点。

Mauler等预测，先进的高电压或高容量材料潜在电池成本最低可降至84美元/kWh。但是在高电压条件下，镍锰酸锂材料与电解液之间剧烈的副反应及副产物对整个电池体系的破坏是限制其商业化应用的最大障碍。解决该问题的关键是构造稳定的正极材料、电解液界面膜及耐高压电池体系。此项瓶颈技术若能取得突破，将能够很好地兼顾人们对高能量密度的期望，以及对低成本的需求。同时，其稳固的尖晶石结构和三维锂离子扩散通道，确保了其较高的安全性能，以及优异的倍率和低温性能；与目前最主流的磷酸铁锂动力电池相比，其能量密度提升40% 以上，耐低温工作温度范围拓宽20℃；从原材料成本方面分析，消耗同等质量的碳酸锂，高电压镍锰酸锂电池电能产出比磷酸铁锂电池提升约35%，电池总成本可降低约30%。镍锰酸锂材料是最具潜力商业化的下一代锂离子电池正极材料。松山湖材料实验室现已完成该材料的中试，开始向产业化应用推进。

　历代正极材料催生动力电池迭代

（三）锌基储能电池

　　“双碳”目标的提出，势必加快清洁能源的发展，而这离不开储能技术对电力系统的保障。以清洁、安全、储量无限等为特点的光伏发电和风能发电在新的能源格局中的地位会越来越重，而大规模电化学储能技术也会迎来新的春天。作为大规模电化学储能技术，有3个基本要求必须满足：高安全性，在生命周期内具有高性价比，以及生命周期内的环境负荷低。目前，技术成熟度较高的锂离子电池和铅酸电池等电化学储能技术都基本实现了市场运营。随着能源格局的迭代，电化学储能技术也发生演变，传统的铅酸电池市场逐渐被新的二次电池抢占。二次锌电池采用水系电解液，具有独特的优势，如绿色环保无毒、高容量(819 mAh/g)、充放电快、超高安全性和成本低的特点，因而得到了广泛关注。但是，水系锌离子电池在产业化的发展过程中，国外技术相对成熟，已经推出了商业化产品，而国内的技术水平还有待进一步提高。例如，美国Zincfive公司的锌锰电池和镍锌电池已经达到商业化的效果；法国Sunergy公司的产品寿命可以达到2 000次左右。国内的二次锌电池技术还处于研发阶段。例如，松山湖材料实验室研发的二次锌电池开始走近了商业化的道路，逐步推出新的产品。由于极高的安全性，锌电池未来可用于对安全性要求严苛的场景，且与锂电池和铅酸相比的优势比较明显。