新能源汽车大发展背后的应用材料变革

随着美国拜登总统的上台并签署重返《巴黎协定》的行政令，世界197个《巴黎协定》的签署国，已经有190个国家完成正式批准程序，协议已达到生效条件，形成了全球最广泛的应对气候变化的共识。控制CO2的总排放并将全球气候变暖控制在1.5℃以下，是《巴黎协定》的核心目标。

随着中国2030年碳达峰及2060年碳中和的调控目标提出，新能源汽车在未来5-10年的发展空间是可期和巨大的，新能源汽车大发展背后是应用材料的巨大变迁，将引起应用材料市场的革命。本文从材料学角度介绍新能源车背后的使用材料的巨大变化。截止2020年我国汽车保有量已经达到2.81亿辆，新能源汽车保有量只有500万辆，假设未来10年新能源车保有量达到1亿辆，即实现30-40%的燃油车的替换，未来10年新能源车的年均复合增长率将达到35%。这将是巨大的新增市场增长空间。

传动燃油车主要核心技术由油箱，发动机，变速箱及相应的油控系统组成，其中发动机和变速箱是技术核心，我国基本都不掌握关键技术。新能源汽车区别于传统的汽油车的最核心技术是“三电”：驱动电机、动力电池和整车电控，这可以说是新能源汽车的三颗心脏。燃油车和新能源车的外形及内饰，方向控制系统等本质是一致的，差别在于动力源，动力装置及控制系统。

在发动机方面，燃油车与新能源车使用材料的差别巨大；燃油车发动机主要使用铝合金或者铸铁铸造而成；而新能源汽车的驱动电机是由转子和定子组成，其使用材料主要铜线绕组和硅钢片等组成；铜线是必不可少的，铜的导电率仅次于金，银，在电动机中，电阻率的提高，只能增加内耗，降低电动机的效率，因此电动机使用的铜线，短期并无可替代材料。除了电动机使用铜线外，新能源汽车所有动力传输线及充电设施都不可避免采用铜线，可以预见的未来10年，铜的需求量增速将不低于新能源车的增速，这也是最近铜价及相关铜业股票上涨的一个重要原因。

硅钢片也是制造电动机必不可缺少的材料，硅钢片不仅在电动机中使用，在变压器、风力发电等领域；硅钢片需要较高的技术含量，日本生产的硅钢质量最好，国内生产厂家以宝钢、武钢为主，这些企业也将未来10年受益于新能源车的普及。但是硅钢片是并不是不可替代的，最近发展起来的非晶铁芯材料，有更好的磁导率及低损耗特性，将是未来硅钢片最强有力的竞争对手!株洲电机采用非晶材料制备电动机的动力转化效率达到97.2%，而普通硅钢片制作的电动机，转换效率一般在90%左右。目前非晶材料工艺还不成熟，大规模推广仍需要时间，需要密切关注这个领域的发展。

新能源汽车采用电动机类型并不一致，目前应用新能源汽车主要两类电机，分别交流异步感应电机 和永磁同步电机。交流异步感应电机主要以特斯拉为首采用，在 Model S 和 Model X上采用。中国、德国、日本等新能源汽车企业普遍采用永磁同步电机，国内比亚迪，蔚来等造车新势力都采用这种电机。

交流异步感应电机需要使用交流电驱动，不需要永磁材料提供磁场，交流异步感应电机价格比较便宜，成本低，寿命也比较长，技术也比较成熟。工厂采用的电动机一般全部是交流异步电机，天天运转，运行5-10年都不成问题。交流异步电机的最大问题是效率低，而且需要复杂的电控系统。新能源车的能源存储在电池中，电池只能提供直流电。电池的直流电通过逆变器转换成电动机的交流电，实现交流异步电动机控制，比永磁同步电机多一次电源变换。新能源动力电池充电时，是把交流电转换直流电进行充电，工作时又把直流变换成直流电。电动车使用过程经过交流-直流-交流两个过程，每次能量变换都会带来效率损失，目前交直流变换效率只有90%左右，两次变换的能量利用率只有80%左右，再考虑交流异步电动机的能量转化率90%左右，交流异步电机能量利用效率在70%左右，能量利用效率低。

永磁同步电机可以直接采用直流电进行驱动，省去一次交直流电源变换，能量利用效率比交流异步感应电机高。但是永磁同步电机需要永磁材料铷铁硼提供磁场，铷作为稀土材料，价格非常昂贵，永磁材料成本已经占到永磁同步电机成本的20-30%,造成永磁同步电机的价格远高于交流异步电机。我国的稀土产量占全球的80%以上，相对于国外更加容易获得稀土资源，这是中国新能源车企选择永磁同步电机作为驱动源的一个重要原因，高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。稀土在未来10年使用量将剧增，获得较大的发展。

不管交流异步感应电机和永磁同步电机，都需要交直流的电源变换；电源变换的核心是半导体材料，特别是功率半导体。电源的变换不仅集中在新能源汽车领域，在手机，光伏，储能，风电领域都有应用。平时手机，新能源车的充电器是把交流电转换直流电，交流异步电机及储能领域的逆变器是直流电转换为交流电。交直流变换的核心就是整流二极管（PN结），用硅片掺杂制备的半导体材料。最近全球因“缺芯”造成新能源汽车停产，就是功率半导体供应紧张。这种功率半导体与电脑及手机芯片不同，不需要先进的制程和复杂的电路，普通产品技术含量并不高，造成供应紧张的原因，华为等企业囤货，企业都去做高附加值值产品，造成低端半导体供应紧张。功率半导体需要通过较大的电流，有电流就必然存在内耗，造成能量损失，功率半导体向高电压方向发展是趋势，这也新能源车的驱动电机的未来发展趋势。高压功率半导体及碳化硅基材的半导体是未来功率半导体的发展趋势。

新能源车除了电动机不同外，另外一个巨大区别就是锂电池了。燃油车采用油箱存储能量，制造成本很低，而新能源车采用锂电池存储能量，锂电池价格高昂，是造成新能源车价格居高不下的根本原因。锂电池类型很多，主要由正极材料，负极材料，电解液及隔膜组成。

锂电池负极材料目前大部分是天然石墨，人造石墨逐步取代天然石墨作为负极，硅或者硅碳复合材料作为负极材料，目前仍然处于研发阶段，未来是发展趋势。锂电池负极材料成本只占总成本的5-20%，石墨的理论存储容量达到372mAh/g,也不是制约锂电池的成本及容量的主要原因。

锂电池根据电解质不同，可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池，主要区别在于电解质的不同，液态锂离子电池使用液体电解质，聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物凝胶电解质。聚合物电池更加安全，可以做成任何形状，但是成本也更高。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，只是电解质不同而已。

锂电池正极材料差别巨大，锂电池50-60%的成本集中在正极材料中，也是造成锂电池成本高昂的一个重要原因。锂电池的正极材料千遍万化，避不开锂（Li）、镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）四种元素。锂电池正极材料主要可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂及三元（镍，钴，锰或铝）锂电池材料。各正极材料的性能情况如下表所示。

电池类型	钴酸锂	锰酸锂	磷酸铁锂	钛酸锂	三元镍钴锰NCM	三元镍钴铝NCA
标准电压	3.6V	3.7V	3.2V	2.4V	3.6V	3.6V
能量密度Wh/kg	150-200	100-150	90-120	50-80	150-220	200-260
循环寿命	500-1000	300-700	1000-2000	3000-7000	1000-2000	500-700
热失控温度	150°C	250°C	270°C	不限	210°C	150°C
工作温度/℃	-30-60	-30-60	-20-65	-40-60	-30-60	-30-60
充电/放电C率	0.7-1C/1C	0.7-1C/1C	1C/1C	1-5C/10-30C	0.7-1C/1C	0.7C/1C
电池造价	高	低	低	最低	中	中
应用领域 及企业	手机，笔记本 等设备	电动工具等	电动车，比亚迪及储能领域	公交车 及储能	电动车，手机 特斯拉	电动车 特斯拉
主要特点	比能量高， 价格贵	寿命短，价格便宜	寿命长，便宜，安全	比能量低，寿命长，安全	比能量高， 寿命长	比能量高， 寿命短

除了锂元素之外，金属价格按照以下顺序依次降低，钴（Co）(约39万/吨)＞镍（Ni）(13万/吨)＞锰（Mn）(约1.6万元/吨）。最早投入使用的钴酸锂，在早期锂电池大量应用，但是由于钴元素价格上涨较快，造成电池造价比较昂贵，因此逐步开发其他类型锂电池。锰酸锂虽然价格便宜，但是寿命短，比容量低，现在逐步被三元锂电池代替。钛酸锂的能量密度最低，电池笨重，但是价格便宜，使用寿命高，充电速度快。珠海银隆从美国引进技术，目前在公交车及储能领域有应用，未来在储能领域应用空间巨大。

在新能源车领域，由于汽车需要背着电池行走，电池能量密度太低，在经济上不合适的，将严重降低汽车的续航里程。钴酸锂，锰酸锂，钛酸锂能在乘用车领域应用优势并不明显。目前新能源车主要是三元锂电池和磷酸铁锂电池之间进行竞争。三元锂电池在能量密度上占优势，但是价格比较昂贵，以特斯拉为首新能车采用这种电池。三元锂电池最近几年通过工艺调整，镍占比不断提高，逐步降低钴含量，成本也逐步降低。宁德时代生产的811电池（Ni：Co:Mn=8:1:1）能量密度达到220wh/kg,循环寿命达到6000次，镍占比的提高，Co含量的下降，降本空间巨大，在新能源车领域显示旺盛的生命力。目前三元锂电池的新能源车的市场份额逐步扩大。 随着三元锂电池技术的进步，能量密度有进一步提高空间。

磷酸铁锂电池未采用贵重Ni、Co元素，价格比较便宜，安全性也比较高，但是磷酸铁锂电池能量密度偏低，造成新能源车续航能力差。磷酸铁锂能量密度的工艺进步提高空间并不大，未来发展潜力有限，在未来低端电动车，储能，换电等领域还有一定的优势及发展空间。比亚迪主要采用磷酸铁锂电池，比亚迪的混动技术一定程度弥补了里程焦虑，从燃油车到电动车的变革，必然有混动汽车的一席之地。

新能源车与燃油车在控制系统差别也很大，燃油车主要控制油门、变速箱，方向盘进行控制，本质是机械控制为主。润滑油是必可缺少的日常维护设备。电动车主要控制电压，电流进行控制，需要复杂电路控制系统，电控系统使用材料以半导体材料及导线（以铜为主）组成。新能源车采用电控制，响应快，操控性能好，未来在智能化有巨大优势。

当然，随着燃油车的比例降低，必然造成原有产业的没落，比如润滑油，发动机、石油、机修等行业的衰退，不过这将是漫长的过程。新能源车含有大量的贵重材料资源，新能源车的回收价值及资产保值性大，未来新能源车的回收领域将出现知名的企业。

目前新能源车普及存在主要障碍在于价格昂贵，驾驶里程短，充电设施少，锂电池寿命短，低温性能差等问题，这些问题随着充电桩的逐步普及，“换电”新模式的成熟，回收产业链的完善，电池比密度的提高，固态电池的成熟，必将进入快速发展的新车道。

新能源车所需的铜、锂、钴、镍、稀土、石墨、半导体等资源，我国都占据巨大的储量优势，有众多相关企业在相关领域耕耘，掌握着全流程的产业链及原材料的控制权，发展新能源汽车不仅对我国摆脱石油依赖，实现及“碳达峰”及“碳中和”意义重大，而且将快速带动中国经济的发展。目前，市场上对上述重点的材料都已经进行轮番炒作，上涨过快的原材料价格，对于新能源的普及是不利的，投资者应该理性对待，目光着眼长远发展。