为新能源车保驾护航，新材料业界准备好了吗？
——“2017中国（义马）锂电池材料产业与技术发展论坛”专题报道
■ 本刊记者 唐茵 魏坤
“十二五”以来，我国新能源汽车产业，在新技术开发、核心技术突破、市场推广等方面取得了重要进展，锂电池产业正迎来巨大的市场机遇，同时也面临更多挑战。更安全、高能量密度、低成本等发展趋势对与锂电池配套的正负极材料、隔膜材料、电池电解液等产品提出了新的要求。5月23~24日，由中国化工信息中心与义马市人民政府共同主办的“2017中国（义马）锂电池材料产业与技术发展论坛”在河南省义马市召开，近200名与会专家和代表共同探讨了当前我国锂电池产业发展战略、锂电池及相关材料需要关注的热点创新方向等话题。
新能源汽车健康发展需突破核心技术
上海市汽车工程学会秘书长梁元聪认为，未来5年我国汽车市场容量将保持5%的增长率，至2020年，汽车销量将达到3250万辆。然而，能源短缺、交通拥堵等问题日趋严峻，若不能及时解决这些问题，将在一定程度上限制汽车销量的增长。因此，业界保守估计，到2020年后，汽车销量或将封顶于3000万辆。同时，梁元聪指出，尽管我国新能源汽车鼓励政策频出，但新能源汽车产业发展仍存在诸多隐忧。其中，新能源汽车市场对国家鼓励政策过于依赖，例如受一线城市限行、限购及补贴政策推动，新能源汽车增速迅猛，2015~2016年近3/4的新能源汽车销量集中在实行限行、限购的城市；其次，关键技术短板有待全面关注，相关电池技术未实质性突破，汽车级控制系统关键芯片与功率器件几乎空白，电驱动单元（EDU）标准缺失；再次，电动车续航能力弱导致消费者普遍有里程焦虑，种种瓶颈问题影响消费者购买意愿等。
梁元聪提出，发展新能源汽车要明确发展目标——发展非传统燃油的低碳清洁能源汽车，通过创新储能技术、创新能量补充方式推动有利于长期发展的关键核心技术进步。
动力锂电池的未来在于“四升一降”
近年来，随着新能源汽车的快速发展，我国动力锂电池的发展取得了有目共睹的成绩。中国化工信息中心副主任揭玉斌在致辞中表示，尽管市场前景向好，但我们也应看到，目前锂动力电池在性能、质量、成本等方面仍然不能满足新能源汽车推广普及方面的需求，需要进一步提升。尤其是在锂电池基础关键材料：正极、负极、隔膜、电解液等方面，系统集成技术、制造装备和工艺等方面与国际先进水平也有较大差距。
成都雅俊新能源汽车科技股份有限公司储能部副部长陈柯宇指出，新能源汽车动力电池在使用过程中面临电池价格偏高、充电时间过长、续航里程较短、环境通用性较差、使用寿命短等问题。因此，新能源汽车对锂电池提出了“四升一降”的发展需求：一是提高高温、低温、充电、放电的一致性。二是通过电池设计以及材料改进实现高充电倍率。三是提高能量密度，主要通过基于现有高容量材料体系、优化电极结构、提高活性物质负载量；应用新型材料体系、提高电池工作电压；优化新型材料体系，使用新型电池结构等途径来实现。四是提高安全性，特别是在极端条件下的安全性。五是降低成本。此外，还应注重锂电池二次回收利用。
中国化学与物理电源行业协会秘书长刘彦龙表示，未来五年，新能源汽车用锂离子电池市场年平均增长率在50%左右。锂离子电池技术进步，主要来自关键电池材料创新研究与应用进展，通过新材料的开发进一步提高电池性能，提高质量、降低成本、改善安全性。
刘彦龙指出，锂离子电池电解液和隔膜对提升电池性能与安全越来越重要，电解液添加剂和隔膜涂层是配合锂离子电池提升电压（提升能量密度）、维持寿命和保障安全的关键因素。在电池电解液领域，技术攻关应重点围绕着功能电解液展开，添加剂的选择是焦点所在，尤其以新型电解质体系（含溶剂、溶质与添加剂）为重点。涂覆型（或复合型）隔膜则是当今隔膜应用发展的趋势所在，隔膜表面采用涂覆层，一是可以提高隔膜的热稳定性；二是可以提高隔膜对电解液的浸润性，有利于电池内阻降低、放电功率提升；三是可阻止或降低隔膜氧化，有利于配合高电压正极的操作以及延长电池循环寿命等。
锂电池材料发展应理清思路
——国产膜呼唤国产料
中国塑料加工工业协会副秘书长、中国塑协电池隔膜专委会秘书长孙冬泉指出，作为世界上最大的锂电池生产国，中国对隔膜的需求日益增加。近几年，国内隔膜市场需求的增长率总体低于国产隔膜的增长率，说明国产隔膜所占市场份额不断上升，隔膜国产化是大势所趋。
然而，当前我国锂电隔膜低端市场产能过剩，产品价格不断下降，账期加长，但新的投资项目仍在源源不断地上马，无序竞争加剧。虽然高端产品进口在缩小，但国内隔膜企业与国外领先企业差距还很大。预计2017~2018年国内高端市场的国产化替代将出现高潮，2019年除少量进口外，80%以上的隔膜将实现国产化。孙冬泉指出，PP或PE树脂等原料的性能指标对隔膜性能影响巨大。国内隔膜企业在材料方面还缺乏真正能够满足需求的稳定隔膜专用料供应来源，产品开发任重道远。干法专用料方面，中石化北京化工研究院开发出国产锂电池隔膜专用料，已经在隔膜企业投入应用；湿法专用料方面，中石化上海石油化工研究院正在开发湿法锂电池隔膜专用料，今后也将进行推广试用。
在改进隔膜性能方面，目前有三种思路： 一是在PP膜和PE膜的基础上增加功能性涂层，以满足对高温特性等特殊需求；二是开发无机或有机材料共混PE、PP膜；三是彻底改变基体材料，如采用聚酰亚胺等材料代替传统的PP和PE材料。
中国石化化工销售有限公司华中分公司客户经理曾松军指出，中国PP膜料年需求总量约360万吨，电工膜与包装膜相比虽然数量不大，但是对于一种高技术含量产品来说却十分可观。国内许多企业曾研发和生产低端电工膜原料，但随着下游用户对电池、电容等的要求越来越高，低端产品的需求量已降至20%左右，很多企业因技术和市场容量等原因，逐步放弃了对PP电容膜原料的研发和生产。湿法隔膜一直以来由于采用超高分子量聚乙烯作为原料，厚度更薄（已可低至5微米）、强度更高，更适用于高能量密度电池。但实际上相关企业也可在PP原料方面进行考虑，使干法隔膜也可在保证较高强度的同时，更轻更薄，更安全。
——电极材料设计考虑综合因素
中南大学冶金与环境学院轻金属及工业电化学研究所所长胡国荣教授指出，正极材料的研发成为制约该类材料大规模推广应用的关键。2000年以前钴酸锂独领风骚，几乎占市场的100%。2000年以后，锰酸锂、三元、磷酸铁锂正极材料开始发展，目前钴酸锂约占市场的40%，三元系约占35%，其余是锰酸锂，磷酸铁锂和二元系。未来需要进一步开发的材料主要有富锂锰基固溶体材料、磷酸锰锂、磷酸锰铁锂、磷酸铁锂石墨烯复合材料。
三元材料市场前景看好，将占领正极材料最大的市场份额。但由于三元系NCA、NCM受镍钴资源限制，必须解决三元材料电池中的镍钴回收问题。
——电解质重点解决五大问题
中国石油大学(北京)新能源研究院孙晖博士指出，动力电池电解液开发需重点关注寿命和安全性两个特性。相对于3C 电池电解液，动力电池电解液对原料的纯度要求更为苛刻，如溶剂纯度一般要求大于99.99%。对于添加剂的选择，可考虑改善电池寿命的成膜添加剂、降低电池内阻的添加剂、提高电池安全性的过充及阻燃添加剂。目前，动力电池电解液市场上主要有锰酸锂电池电解液、磷酸铁锂电池电解液、镍钴锰（NCM） 电池电解液和钛酸锂电池电解液四大产品系列，产品应用涵盖电动自行车、纯电动汽车、混合动力汽车、电动巴士及多种工程车。
孙晖指出，锂离子电池电解质未来发展需要重点解决以下问题：
一是电解液和电池的安全性。可以通过离子液体、氟代碳酸酯、加入过充添加剂、阻燃剂、采用高稳定性锂盐来解决。
二是提高电解液的工作电压。可以通过提纯溶剂、采用离子液体、氟代碳酸酯、添加正极表面膜添加剂等来解决。
三是拓宽工作温度范围。低温电解质体系需要采用熔点较低的醚、腈类体系；高温需要采用离子液体（熔融盐）、新锂盐、氟代酯醚来提高。
四是延长电池寿命。需要精确调控固体电解质界面膜（SEI 膜）的组成与结构，主要通过SEI 膜成膜添加剂、游离过渡金属离子捕获剂等来实现。
五是降低成本。需要降低锂盐和溶剂的成本，解决锂盐和溶剂纯度较低时如何提高电池性能的技术问题，这方面目前仍需要深入研究。
锂电池相关前沿材料的研究也成为会议上的热门话题。中国工程院院士、大连理工大学教授蹇锡高作了题为“新型杂环高性能聚合物及其加工应用研发进展”的报告，与参会代表探讨了杂原子可控的多孔聚合物材料制备及在超级电容器电极上的应用、电池隔膜用聚醚醚酮（PPEK）电纺膜的制备的研究成果。研究发现，采用聚醚砜酮（PPESK）系列聚芳醚耐高温高性能树脂，通过调控静电纺丝工艺参数，可以制备直径分布均匀的微纳米纤维的多孔膜。为提高PPEK电纺膜的力学性能，采用PPEK溶液中添加少量PVDF进行共混纺丝，而后通过热处理使结晶性PVDF熔融再结晶形成物理交联。
园区化发展促产业和地方双赢
三门峡矿产资源丰富，黄金、铝、煤炭是三大优势矿产资源，是河南省乃至全国重要的贵金属和能源开发基地，形成了煤炭、电力、黄金、煤化工、铝工业五大产业链。三门峡市人民政府副市长李琳在致辞中介绍，作为资源型城市，三门峡一直谋求转型发展，其中锂电池材料产业就是重要的突破口和着力点。义马市委书记、市政协主席杨彤也表示，当前，义马提出了“决战二次创业、加快转型发展”的总体思路，明确了以新材料和电子信息产业为突破口和着力点，全力打造全省新型工业化的创新区、努力实现综合经济实力重回全省第一方阵的奋斗目标。能否实现这一目标，关键在于能否把以义腾为核心的锂电池材料产业做大做强。锂电池产业的创新发展，需要从技术理论、生产实践、市场需求等多个方面进行突破；义马的锂电池材料产业也迫切需要在规模、技术、产品上进行创新升级。
义马市人民政府副市长吴鹏斐在介绍义马市市情、产业集聚区情况发展情况时指出，在巩固传统优势产业的同时，大力建设锂电池材料产业基地、动力锂电池产业园，推动义马经济转型升级，将做好以下四项工作：一是依托新材料及电子信息产业园，打造企业孵化器；二是依托义腾新能源等企业，打造义马锂电材料产业基地和动力锂电池产业园；三是依托康平光电等企业，做大做强电子信息产业；四是依托北京利尔等企业，发展壮大新材料产业。
本次大会上，义马市人民政府分别与中国化工信息中心、上海市汽车工程学会，义腾新能源和吉林大学电化学储能技术产业化工程实验室签订了战略合作协议。
新材料产业三大瓶颈待破
工信部原材料司石化处罗其明在出席“2017中国（义马）锂电池材料产业与技术发展论坛”时指出，锂电池材料是重要的化工新材料门类，在新材料范畴也是重点之一。一直以来，我国高度重视新材料产业发展，出台了一系列推动新材料产业发展的政策措施。“十二五”期间，我国新材料产业总产值由2010年的6500亿元增加到2015年的近2万亿元，增长2倍多，年均增速超过24%。然而，新材料产业仍有三大瓶颈亟待突破。
一是材料未先行。材料是工业的基础，没有质量过硬、性能高超的材料，再先进的设计和构想，都难以实现。如新型电池材料决定着新能源汽车的续航能力和快充实效，高性能高铁材料支撑着高速铁路的质量和安全。材料不突破，产业发展都是空中楼阁。发达国家往往实行“研发一批、储备一批、应用一批”的材料先行战略。但在我国，材料发展却总是处于从属地位，重大装备、重大工程往往最后才确定材料方案，加上我们的创新能力不强，材料滞后于装备的现象非常突出。
二是推广应用难。一些新材料产品的研发和应用脱节问题很突出，材料的开发、测试、评价、接受、推广都要耗费大量的人力物力和时间成本。用户出于时间和风险考虑，往往不愿使用，得不到用户的应用验证，无法对材料进行优化完善。比较典型的就是电子化学品和碳纤维这两个领域，集成电路、平板显示用电子化工新材料大量依赖进口，部分国内产品已达到国际水平，但即使通过了用户的性能验证，仍然得不到用户的最终采购。
三是人才配套缺。新材料是个跨学科、跨领域深度交叉的高技术领域，但这方面我国学科建设、人才积累非常薄弱，许多企业不得不大量引进国外高端人才，有些甚至完全依靠外籍团队。人才已成为新材料发展的主要瓶颈。在支撑体系方面，新材料标准、牌号、检测评价、数据库等产业技术基础尚未形成体系，尤其是检测评价体系还很不健全，资源也很分散。