甲子光年：2023新能源电池材料发展概览报告（49页）.pdf

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1、出品机构：甲子光年智库发布时间：2023.5目录Part 01新能源与新材料P02Part 02HJT电池新材料发展趋势P06Part 03钙钛矿电池新材料发展趋势P17Part 04锂离子电池新材料发展趋势P28Part 05氢燃料电池新材料发展趋势P41新材料：需要下游行业需求带动下游应用催生多元化新诉求，新材料发展要求“高景气产业+高技术壁垒”。p当前，中国面临着复杂的发展安全问题，同时也处于发展高端制造的战略机遇期。p发展新材料是成为制造业强国的关键，是摆脱关键材料与技术瓶颈的重要途径，也是寻找经济发展新动力的理想突破口。p新材料的发展需要长时间导入周期和高额前期投入，需要经过“材料开

2、发-产业化-客户送样测试-小试-量产”等环节，通常需要10年以上的时间。图：新材料及相关行业的生命周期短期：受上游原材料价格、价格传导、产品结构、竞争格局等波动性因素影响更明显中期：下游需求的景气度对材料应用的影响更明显长期：更关注材料本身性能，匹配产业长期对降本增效的要求新材料发展示意图新能源：发电侧与用电/储能侧“双碳”战略目标下，新能源领域的新材料应用将迎来长久的高景气周期。关注“发电+储能”两侧的新材料应用进展发电侧储能侧（部分）实现双碳目标的过程中，发电量总量逐步提高，同时风电、光伏、核电的占比要稳定提升。当前光伏发电量占比仍然很低，未来三十年发展空间大。58,53112,0206,

3、8674,1782,290火电水电风电核电光伏2022年全国发电量（单位：亿千瓦时）储能电储能氢储能热储能电化学储能机械储能锂离子电池液流电池铅蓄电池抽水蓄能压缩空气储能熔盐储能氢燃料氢燃料电池86.5%11.8%储能环节以抽水蓄能为代表的机械储能仍然是主流。锂离子电池是电化学储能的绝对主力，装机功率占比约为电化学储能技术的99%。p本次报告在发电侧主要关注新型光伏电池片的材料发展，在储能侧主要关注锂电池与氢燃料电池的材料发展。光伏电池新能源新材料：发展前景评估从价值投资的角度看，在材料性能之外，新材料的评估模型需要综合多方面评估。p虽然光伏、锂电、氢燃料电池分属新能源领域的不同赛道，但他们的

4、投资评估逻辑是相通的。p在性能满足发展需求的基础上，再综合考虑材料的市场规模与格局、商业化上量节点、产业发展周期的变化（比如2023Q1的锂价）等其他因素。新材料投资发展前景评估模型新材料发展前景评估材料性能市场规模竞争格局商业化节点产业发展周期新材料相比当前主流材料，针对当前该行业的需求痛点，在哪些方面有突破，会带来哪些好处？对应的材料替代市场规模有多大？未来几年的增速是什么水平？竞争格局现状是什么？是小而美的市场，还是需要卷成本卷规模的市场？先发者是否有优势？不同材料的起量时间不同；中下游对该材料的尝试验证意愿/验证周期不同当前投资是不是好的时间点：整个行业的供需水平？当前时间点是顺周期还

5、是逆周期？目录Part 01新能源与新材料P02Part 02HJT电池新材料发展趋势P06Part 03钙钛矿电池新材料发展趋势P17Part 04锂离子电池新材料发展趋势P28Part 05氢燃料电池新材料发展趋势P41光伏电池片的分类产业正在逼近晶硅电池片的极限，新型材料应用助力突破转换率瓶颈。图：光伏电池的迭代路线-追求更高的光电转换效率光伏电池晶硅电池薄膜电池多晶硅电池单晶硅电池非晶硅电池化合物电池黑硅多晶PERCP型电池N型电池钙钛矿PBSCIGS、CdTETOPConIBCP-PERCHJTHJT/钙钛矿叠层TBCHBC 当前主流：现阶段光伏产业的PERC电池量产技术成熟，已经大

6、规模流入市场 短期：TOPCon电池得益于与PERC电池类似的产线，已于2023年进入扩产阶段 中长期：HJT与钙钛矿进入产线投产、量产验证与试生产周期光伏电池技术迭代方向单结电池组合电池光伏技术迭代路线HJT与钙钛矿电池是光伏中长期的技术发展路线，关注相关材料迭代机遇。图：光伏电池的迭代路线-追求更高的光电转换效率 量产PERC即将达到理论最高值 TOPCon电池步入量产 HJT与钙钛矿电池处于导入期，且二者结合的叠层电池理论转换效率可达43%，是未来远期的重点发展方向阶段一：BSF铝背场已经基本被淘汰阶段二：PERC电池当前产业主流，量产转化效率23%，即将达到极限阶段三：TOPCon、H

7、JT理论效率能达到27-28%，目前量产达到24.5%，仍有上升空间阶段四：HJT+PBS叠层叠层理论效率超43%，当前中试线的效率近30%，潜力可观2010年2016年2020年2025年2030年组合技术单结晶硅43%27%23%叠层电池的理论极限晶硅电池的量产极限当前主流水平技术演进，降本增效本次报告光伏领域重点关注尚处导入期的：HJT异质结电池 钙钛矿电池HJT电池的优势结合晶硅与非晶硅薄膜优势，HJT异质结电池将是光伏未来中期的路线选择。p根据光伏龙头隆基绿能的公告，其自主研发的HJT电池实验室已经能够达到26.81%，通威股份在25.67%，结合更精简的工艺产线和低能耗，HJT的综

8、合优势开始显现。pHJT工艺不同，生产线与传统PERC/TOPCon也大不相同，在规模未放量之前，不具备成本优势。性能比较PERCTOPConHJT理论效率极限24.5%28.2%27.5%量产产品效率23.5%24.5%24.5%工艺成熟度/产线兼容度非常成熟比较成熟，高度复用PERC产线技术爬坡中，需要新建产线主要工序数量9-1212（与PERC类似）4-6（工序很少）电池成本0.84元/W0.91元/W1.08元/W优劣势比较当前成本最低，但转换效率难以提升效率提升，但工序复杂，非硅成本高效率高，生产工艺温度低，但产线设备投资大转换效率高晶硅薄片化工艺简单大尺寸低光性能好抗PID性能好图

9、1：HJT电池的性能优势 HJT电池预计在2023年进入试生产；HJT电池预计在2024年开始上量，到2030年渗透率预计可达30%以上。图2：性能优势将推动HJT的渗透率上升HJT电池结构与成本构成对于采用低温丝网印刷工艺的HJT而言，硅片与银浆是材料成本的主要组成部分。p由于HJT电池工艺和结构的不同，是双面对称结构，叠加电池制备需要低温工艺，银浆的成本要显著高于传统P型电池和TOPCon电池。p从降本提效的角度看，如何降低整体硅耗和金属化过程中的浆料成本，是从材料方面推动HJT晶硅电池规模化的主要途径。电极P-layeri-layerN型晶硅基体TCOi-layerP-layerTCO电

10、极清洗制绒非晶硅沉积TCO沉积丝网印刷图：HJT的制备工艺情况图：HJT电池片生产成本硅片47%银浆24%靶材5%折旧6%其他18%组件成本：1.08元/WHJT电池产业发展现状多家厂商在规划10GW级别产线，上游的材料厂商也在积极配合。HJT产业链HJT薄硅片浆料上游原材料厂商中游电池片厂商024681012141618爱康科技东方日升华晟新能源华润电力华耀光电海泰新能腾辉光伏明阳智能水发能源国晟能源太一光伏三五互联金刚光伏国润能源宝鑫科技隆基绿能赛维能源合计HJT产能规划：114GW图：目前国内HJT新建与规划产能（不完全统计）预计2023年HJT出货量：15GW下游应用场景高测股份上机数

11、控TCL中环国晟能源国立科技三五互联金刚光伏苏州固锝帝科股份聚合材料华晟新能源东方日升光伏电站商用光伏光伏道路厂房屋顶通信基站HJT光伏组件的材料发展方向HJT电池片新材料应当关注“2减1加”。pHJT电池片制备工艺的最大区别在于温度：因为TCO薄膜等非晶硅导电层的加入，如果烧结温度大于250，材料会向晶体转变，使电池失效。p低温工艺无需顾虑高温烧结过程导致的硅片翘曲，因此HJT电池也有较大的硅片薄化潜力，为降低成本提供更多可能性。减硅降低硅料用量与成本主要通过硅片薄化实现减银HJT电池需要低温制备使用国产低温银浆或使用银包铜粉降本增光吸杂工艺改良封装膜，TCO薄膜HJT电池片降本增效类目PE

12、RCTOPConHJT工艺过程烧结硼扩烧结温度85090032%拟建设钙钛矿/HJT电池项目规划2023年完成中试线搭建，产能100MW，目标效率28%钙钛矿电池厂商协鑫光电任烁光能10MW全钙钛矿研发线已经跑通，预计5年内建设数条GW级产线同时部署光伏幕墙等建筑光伏解决方案10MW全钙钛矿研发线已经跑通钙钛矿+HJT叠层钙钛矿叠层：更便宜的成本目录Part 01新能源与新材料P02Part 02HJT电池新材料发展趋势P06Part 03钙钛矿电池新材料发展趋势P17Part 04锂离子电池新材料发展趋势P28Part 05氢燃料电池新材料发展趋势P41新能源汽车与储能应用为锂电池长期需求筑

13、基储能与新能源汽车迸发超级需求，储能/动力电池前景广阔。p虽然补贴正在退坡，但得益于续航里程的不断突破，以及驾乘体验的稳定进步，新能源汽车的渗透率不断增长，动力电池装机量大增。p储能方面，风力发电与光伏发电的建设如火如荼，总发电量不断增长，但风光发电因其间歇性、周期性以及随机性的特点，会对电网整体的安全性和供电稳定性造成威胁，因此需要配备储能系统，以解决电力的就地存储，在国家层面提升绿色能源占比。图1：动力电池与储能电池装机量（GWh）图2：新能源汽车销量（万辆）126 121 137 352 689 4%4%5%12%26%0%5%10%15%20%25%30%010020030040050

14、060070080020182019202020212022销量渗透率56.962.288.5139.520031.332.435.64359.405010015020025020182019202020212022动力电池储能电池锂电池仍是未来中长期的主流选择对比其他常见二次电池，锂离子电池综合性能仍具备比较优势。p相较此前常见的可充电电电池，锂离子电池有着工作电压高、能量密度大、循环寿命长、可高功率放电等性能特点。p电池充电时，正极材料中的锂脱出来，穿过隔膜进入到负极石墨中；电池放电时，锂离子又从负极石墨中脱出来，穿过隔膜回到正极材料中。p从材料成本上看，当前锂电池的正极材料占比最高，但随

15、着2023Q1的碳酸锂价格下跌，正极材料成本占比有所下降。图表：锂离子电池vs其他二次电池图：锂电池的工作原理与成本结构锂电池铅酸电池镍镉电池镍氢电池工作电压3.2-3.82.01.21.2能量密度100-2001000300500500优点可快速充电、高功率放电价格低，技术成熟支持快充，价格便宜支持快充，能量密度较高，循环寿命较长缺点价格偏高不可快充，能量密度低，体积大有记忆效应，能量密度低有记忆效应，充放电效率差正极50%负极20%隔膜10%电解液8%其他12%锂价波动，变化明显动力电池的技术发展路线材料与化学体系的持续更新迭代，向“高能量密度”与“高性价比”发力。p新能源汽车等下游市场需

16、求的放量增长，对电池的能量密度与量产价格提出了高要求，而若想满足不断精进的市场需求，需要电池厂商和上游原材料厂商在材料体系和电池结构等方面做出针对性的革新。p高能量密度代表着未来的发展方向，而高性价比意味着更快的商业化进度。20162017201820192020202120222023202420252030时间能量密度180Wh/kg180-200Wh/kg220-260Wh/kg240-280Wh/kg280-350Wh/kg220-230Wh/kg230-260Wh/kg400Wh/kg中国动力电池技术路线发展图300-500400-700700续航里程：km高压三元正极+石墨负极高镍

17、三元正极+石墨负极高镍三元正极+硅基负极固态电池高镍三元/富锂锰基正极+金属锂磷酸铁锂正极无钴材料无磷酸锰铁锂追求高能量密度追求高性价比市场需求与锂电池的发展方向随着下游应用面不断开拓，市场对锂电池不断提出新的要求。p随着锂电在新能源汽车动力电池、风光储能电池方面的应用不断加深，多元化的应用场景也对锂电池的性能提出更高、更多元的需求。p主要体现在锂电池的能量密度、安全性能、使用寿命/循环次数、高压快充匹配、材料经济性等方面。图：新能源汽车与储能锂电池的发展需要新材料的补足成本高昂续航里程短充电时间长安全性不足使用寿命有限现存问题发展方向更具经济性提升能量密度高压大电流适配短路过热保护增加循环次

18、数新材料示例钠离子电池、复合集流体高镍三元材料、硅基负极、补锂剂硅基负极、磷酸锰铁锂、单晶三元材料复合铜箔、粘结剂导电炭黑、碳纳米管正极材料负极材料电解液隔膜其他钴酸锂锰酸锂镍酸锂磷酸铁锂碳酸锂三元材料溶剂六氟磷酸锂铜箔铝箔导电剂极耳锂离子电池碳材料石墨材料钛酸锂硅基材料聚丙烯PP聚乙烯PE锂电新材料的发展前景需要考虑商业化节点随着下游应用面不断开拓，市场也不断对锂电池提出新的要求。p随着锂电在新能源汽车动力电池、风光储能电池方面的应用不断加深，多元化的应用场景也对锂电池的性能提出更高、更多元的需求。p主要体现在锂电池的能量密度、安全性能、使用寿命/循环次数、高压快充匹配、材料经济性等方面。图

19、：新材料投资发展前景评估模型新材料发展前景评估材料性能市场规模竞争格局商业化节点产业发展周期材料相比当前主流材料在哪些方面有突破，会带来哪些好处（提升能量密度、效率、安全性、高电压、快充、成本？）对应的市场规模有多大？未来几年的增速是什么水平？竞争格局现状是什么？是小而美的市场，还是需要卷成本卷规模的市场？先发者是否有优势？不同材料的起量时间不同；中下游对该材料的尝试验证意愿/验证周期不同当前投资是不是好的时间点：整个行业的供需情况与估值水平？当前投资是顺周期还是逆周期？锂离子电池的新材料梳理近年来锂电行业涌现了众多新型材料，从多角度尝试破局现存桎梏。p通过全面梳理锂电池各部分生产制备过程中用

20、到的各种材料和辅材，挖掘未来锂电池产业链中的潜力新型材料。p若想取代已经成熟量产的主流材料，需要至少在能量密度、高压工作、稳定性、经济性等方面有一项有突出优势，方有取代潜力。图表：锂电池新材料性能要匹配市场需求痛点（部分）新材料材料相对优势能量密度改良高压工作环境稳定性改良经济性改良应用场景正极材料磷酸锰铁锂LMFP比三元更好的热稳定性、化学稳定性和经济性，且能量密度高于磷酸铁锂；高度复用磷酸铁锂产线车用动力电池、两轮电动车、储能超高镍三元9系活性物质镍的含量更高，提升能量密度，同时通过低钴控制成本；瓦时成本正不断走低；对制备工艺有高要求，形成技术壁垒用于一线品牌高端汽车电池单晶中镍NCM6系

21、毛利与能量密度基本追平8系，加工难度稍弱于高镍三元，优异的高电压循环稳定性和安全性能汽车电池、3C、储能钠离子电池大幅降低原材料成本，适用于储能及其他低端场景储能、消费电子负极材料硅碳负极材料容量超高，充放电倍率更高，工作电压更高，适配快充技术高端汽车动力电池隔膜材料湿法涂覆隔膜其他材料碳纳米粉提升硅基负极材料的稳定性、导电性硅基负极制作复合集流体相比铜箔成本降低40%，安全性高负极集流体材料正极新材料：高镍三元的优势三元继续高镍化趋势，9系超高镍或在2024年落地。p高镍三元正极材料具有更高的能量密度与较低的综合成本，是高端新能源汽车的理想选择。随着特斯拉4680电池和宁德时代麒麟电池量产，

22、高镍三元电池批量上车，进入快速发展期。p在富锂锰基、半固态电池材料规模商业化之前，三元正极材料的高镍化趋势有强确定性，未来9系超高镍将进一步提升高端动力电池性能。图：高镍化发展，追求更高的能量密度图：高镍三元需求量持续升高三元材料NCM333NCM523NCM622NCM811能量密度150Wh/kg165Wh/kg180Wh/kg200Wh/kg安全性良好较好较好达标瓦时成本高低中低优点倍率性能好安全性好综合性能好工艺成熟容量相对较高容量高、循环性能较好缺点能量密度低成本较高能量密度低成本较高工艺复杂加工难度大电池产品安全性较好，但容量较低且成本较高，目前用量较少性能、成本、量产性上有较好平

23、衡，广泛用于数码和车用电池能量密度较高但成本较高，应用于高端车用电池具有最高的能量密度、较低的综合成本，对电池企业的生产技术和设备要求较高，用于高端车用电池追求更高的能量密度：从中低镍（5系以下）到高镍（8系），再到未来的超高镍（9系）6088105155196244969108156202120222023E2024E2025E新能源车销量三元正极需求量高镍三元正极需求量正极新材料：高镍三元的市场格局9系三元是当前8系的迭代演进，主要企业均在部署超高镍研发。p目前NCM811已经进入规模量产并批量上车的时间点，而厂商也在延续着高镍化路线，向超高镍（Ni90及以上）的三元产品演化。p高镍三元的

24、生产制备对三元正极产线提出更高要求，技术壁垒较高，高镍三元正极的头部企业有先发优势。容百科技,34.10%天津巴莫,22.30%贝特瑞,12.10%广东邦普,6.70%贵州振华,6.40%长远锂科,5.50%当升科技,5.30%其他,7.60%图1：国内高镍三元市场格局（2021）超高镍三元的研发进度（不完全统计）三元正极企业研发与生产进度容百科技Ni90体系进入批量生产，超高镍工艺定性并通过部分客户验证当升科技Ni90实现海外出口，Ni95完成部分客户验证，继续开展Ni98研发巴莫科技NCM9系和NCMA进入批量生产前驱体企业研发与生产进度格林美Ni90及以上的高镍产品销售占比提升正极新材料

25、：富锂锰基三元材料之后，或是层状结构正极的下一代选择，但当前尚无商业化基础。p新能源汽车等下游应用对锂电池的容量密度提出了更高要求，高比容量和更高电压的正极材料正在成为正极的发展方向；p富锂锰基材料以廉价的锰为主要过渡金属元素，放电比容量可以达到250mAh/g以上，如果能够现存问题，将能够替代三元正极材料与部分铁锂正极，进而被广泛应用在新能源汽车与3C电子领域，潜力巨大。图表：富锂锰基正极材料的性能优势图：头部对富锂锰基的布局评价指标富锂锰基正极三元正极磷酸铁锂克容量250mAh/g以上150-220160左右工作电压3.7-4.63.73.2循环寿命1000-60001000-300030

26、00以上优点比容量高，高压平台，成本低廉能量密度较高，高电压平台寿命长，成本低，安全性好缺点倍率性能差，循环过程中的电压衰减明显，首次不可逆容量损失大循环性能一般，成本高能量密度略低，低温性能不好国轩高科蜂巢能源宁德时代当升科技长远锂科天津巴莫一体化布局企业正极材料企业富锂材料还处于研发的初期，很多产业问题并没有解决，商业化节点仍远除了CATL等头部锂电池生产销售企业之外，碳酸锂、三元等正极材料企业也进行了一些专利储备负极新材料-硅碳负极硅基材料的掺杂可以大幅提升电池负极的锂离子嵌入潜力，有效提升电池容量。p特斯拉4680电池的量产开始带动硅基负极材料的需求量激增，2022年出货量已经达到1.

27、5万吨。p硅基材料的应用，在能量密度外，主要还是针对石墨负极在快充场景产生的锂枝晶问题：高压大电流充电过程中容易发生锂沉积、析出，形成锂枝晶，可能会刺穿隔膜，危害电池安全。图：硅基负极材料出货量快速增长，渗透率待提升0.050.150.250.50.61.11.50.42%1.01%1.30%1.85%1.62%1.53%0.0%1.0%2.0%3.0%4.0%5.0%00.20.40.60.811.21.41.62016201720182019202020212022出货量（万吨）渗透率图表：硅基vs石墨负极性能对比类型硅基负极石墨负极理论容量4000mAh/g310-360mAh/g倍率性

28、较好一般成本较高较低膨胀率300%以上12-25%安全性良好一般快充良好一般优点能量密度高膨胀可控，循环性能好缺点材料会膨胀，首次效率较低，循环性能不佳能量密度低，加工性能不好负极材料龙头布局贝特瑞杉杉弄份璞泰来星城石墨国内的硅基负极龙头已进入松下-特斯拉供应链正拓能源隔膜新材料-涂覆改性膜基膜+涂覆一体化的企业更能迎合产业对高性能薄膜的需求。p固态电池是未来锂电的发展方向，但它的商业化节点预计将在10年之后。在此之前，产业对隔膜的需求将维持高位。p隔膜行业的竞争壁垒高，强调前期的重资产投入与客户资源，对应的产品毛利率也比较高，恩捷的隔膜毛利可达50%。p头部基膜企业已经纷纷布局涂覆工艺，涂覆

29、一体化的战略布局将为这些企业打造第二增长曲线，在基膜的基础之上，继续消化涂覆的高利润，以继续保持隔膜厂在锂电产业链中的高议价能力。壹石通璞泰来恩捷股份沧州明珠星源材质涂覆代工企业基膜+涂覆一体化美联新材涂覆改性薄膜厂商的不同模式浆料+涂覆一体化同时部署石墨负极材料勃姆石龙头企业当前隔膜基膜的主要生产商，离客户需求最近保持隔膜厂商的议价能力隔膜涂覆的重要性日益显现颗粒溶剂无机材料有机材料勃姆石、氧化铝芳纶、PVDF水性油性乙醇、丙三醇丙酮、NMP涂覆改性，满足电池厂对隔膜的多种性能需求：降低热收缩率提升抗穿刺强度提升导电性基膜涂覆的毛利水平：45%固态&半固态电池：未来趋势所向固态电池优势明显，

30、但技术瓶颈有待突破，商业化阶段尚未到来。p相较传统液态锂离子电池，固态电池的理论能量密度更高（高能密度的正负极材料），安全性能更高（机械强度更好，热稳定性更强），电池重量和体积降低（不再需要电解液和隔膜）；p理想很丰满，但固态电池技术尚未成熟，界面阻抗与锂离子迁移率问题尚需解决，距离量产商业化仍有较长的距离，未来大概率沿“液态-半固态-固态”的路线循序渐进。图：固态电池量产路阻且长，半固态是中间过渡阶段规模商业化节点锂离子电池形态负极制作材料电池能量密度电池工作温度2023半固态上车2025准固态2030固态量产石墨负极负极预锂化富锂锰基金属锂负极液态凝胶半固态准固态固态25%10%5%1%0

31、%液体重量含量：5580150250-300350400500能量密度：Wh/kg能量密度高安全性能高电池重量低目录Part 01新能源与新材料P02Part 02HJT电池新材料发展趋势P06Part 03钙钛矿电池新材料发展趋势P17Part 04锂离子电池新材料发展趋势P28Part 05氢燃料电池新材料发展趋势P41氢燃料电池的市场需求客车和重卡为代表的交通运输领域是氢燃料电池的重点应用场景。p随着双碳目标的确定，氢能产业在实现碳中和路径中发挥至关重要的作用。p按照氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）规划，到2025年氢燃料电池车辆保有量约10万辆，到2035年突破100万辆

32、。p氢燃料电池汽车领域将率先实现产业化应用与运行，氢燃料电池客车、物流车、重卡等细分赛道，有望于2030年左右实现与纯电动车型相当的全生命周期经济性。300025%40%10.0%15.0%75.0%12.0%2025E2035E2050E保有量（万辆）客车渗透率（%）物流车渗透率（%）重卡渗透率（%）乘用车渗透率（%）氢燃料电池汽车保有量（万辆）及各细分赛道渗透率氢燃料电池电堆产业链氢燃料电池是中国能源结构转型的重点，燃料电池汽车是重要的下游基础。p电堆是燃料电池的核心组成部分，成本占燃料电池整体的65%；膜电极则是电堆的最关键部件，成本占电堆成本的64%。p膜电极不仅是氢燃料电池降本增效的

33、核心部件，也是当前材料科技含量最高的环节，是氢燃料电池当之无愧的“心脏”。p催化剂、质子交换膜主要来源于进口，国产化程度很低，是未来氢燃料电池国产替代的主要环节。质子交换膜Pt/C催化剂气体扩散层双极板集流板密封圈端板膜电极燃料电池电堆燃料电池燃料电池汽车图：氢燃料电池电堆产业链铂碳粉莹石硫酸全氟磺酸树脂碳纤维聚四氟乙烯导点炭黑无氟质子膜全氟质子膜复合质子膜支撑层防水剂电堆65%成本膜电极64%成本氢燃料电池内部构造与成本膜电极是氢燃料电池的核心部件，膜电极的材料发展与国产化值得关注。p氢燃料电池能够将氢气和氧气的化学能直接转换成电能，是电解水的逆反应。基本原理是把氢和氧分别供到氢燃料电池的阳

34、极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子，再通过外部的负载到达阴极。p电堆是氢燃料电池的核心，成本占比65%；膜电极则是电堆的核心，成本占比64%。因此，膜电极相关的材料发展将很大程度上决定氢燃料电池的产业化进度。电堆65%空压机12%加湿器5%水泵4%其他14%催化剂36%双极板23%质子交换膜16%气体扩散层12%其他13%图2：氢燃料电池与电堆成本拆分氢燃料电池的生产成本主要集中于电堆，占比高达65%；电堆成本中，膜电极（催化剂、质子交换膜、气体扩散层）为主要成本项，占比64%。图1：氢燃料电池的内部构造氢燃料电池相关新材料梳理国产替代是国内质子交换膜和催化剂的主要机遇。

35、p质子交换膜：以全氟磺酸型膜为主，其他的复合膜、高选择性膜、石墨烯改性膜、碱性膜还处在研发阶段。p催化剂：催化剂以铂基为主，目前主流的催化层是铂碳催化剂，即将铂负载到活性炭上的一种载体催化剂。但由于铂是贵金属，资源稀缺，成本高昂，因此处于降本的考虑，发展低铂催化剂、无铂非贵金属催化剂被认为是膜电极企业未来的重点攻关方向。图：膜电极的材料体系发展膜电极质子交换膜催化剂热稳定交换膜全氟磺酸膜石墨烯改性膜高选择性渗透膜有机聚合物膜气体扩散层铂合金催化剂铂碳催化剂其他贵金属催化剂纳米结构催化剂核-壳类催化剂铂族金属催化剂非铂族金属催化剂非铂族金属催化剂聚合物催化剂多种膜电极关键材料仍处于早期研发阶段，

36、当前国内产业机会主要是对全氟磺酸膜、铂碳催化剂的国产替代。材料选择1：质子交换膜-瞄准国产替代质子交换膜的重点机会在于全氟磺酸质子交换膜的国产替代。p得益于在热稳定性、化学稳定性、较高的力学强度方面的相对优势，全氟磺酸膜将在未来5-10年继续保持产业主导地位。p目前国内可自主生产全氟磺酸质子交换膜的企业极少，市场长期由美国Gore公司占主导，国产替代率仅10%左右，主要原因是国产膜在厚度、厚度一致性、容胀率等方面与国外产品仍有差距。p质子交换膜的生产成本主要在技术工艺上，设备工艺成本占比高达85%，所以全氟磺酸质子膜的减薄工艺和复合膜生产工艺的突破重点发展方向。序号指标国内国外1产能50000

37、10000002厚度12-1583厚度一致性214容胀率2%-5%2%5强度（MPa）30306综合耐久性600060007成膜聚合物当量质量700-1100700-1100图：国内外质子交换膜市场占比与性能对比7.50%11.61%92.50%88.39%20202021燃料电池市场中：Gore的质子交换膜占据主要市场东岳、科润等国内厂商开始起量，兑现国产替代空间更薄的质子交换膜燃料电池多用复合膜，在两层全氟磺酸膜之间夹一层以提升机械性能；Gore已量产8m，而国内仅可小批量生产15m，制备工艺差距明显。寻求下游验证测试过往多使用进口产品，替换国产产品需要进行整个材料体系调整，催化剂和扩散层

38、都需要变更，这需要下游膜电极厂家配合生产规模快速增长在获得足够的匹配验证数据后，下游膜电极和电堆厂商方有可能更换供应商图：国产替代过程中的突破点单纯从市场角度看，目前没有替代进口产品的实际需求，需要政策推动第一批量产装车达成后，增长速度会快很多材料选择1：质子交换膜国产质子交换膜尚处于起步阶段，相关企业需要具备全氟磺酸树脂制备技术。p技术、资质、环保和资金构筑了较高的行业壁垒，新玩家入场比较难，多数国内玩家需要运用在化工、氢能产业链中的资源来发展壮大。p东岳未来氢能背靠东岳集团强大的氟化工能力打造技术壁垒，而武汉绿动科技则通过国家电投的强大影响力高效打通下游，已经在北京冬奥会200辆氢能大巴上

39、得到应用。膜电极电堆/电池系统质子交换膜全氟磺酸树脂上游原材料东岳未来氢能（东岳集团）武汉绿动科技（国家电投）浙江汉丞科润新材料东材新材（东材科技）50万平方米（在建）30万平方米（在建）30万平方米150万平方米；开始批量生产30万平方米图：质子交换膜的行业壁垒与主要氢燃料电池质子交换膜厂商 氟化工重污染、高能耗，环评通过难度较高（广东艾蒙特因此注销）生产车间和设备有高要求，整体投入资金较高 下游准入要求严格，鉴定指标多而繁琐 比如AFCC认证 全氟磺酸树脂制备难 树脂的性能和综合制造成本需要满足下游需求技术壁垒资质壁垒环保壁垒资金壁垒材料选择2：催化剂-国产替代的机遇燃料电池催化剂的铂载量

40、决定国产催化剂的商业化进度。p催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素，也是整个电堆成本中占比最高的核心材料，降低铂族金属的载量，提高铂金属的利用效率，是当前催化剂材料发展的主要方向。p当前国产催化剂和进口催化剂在性能上仍有较大差距，铂族金属的载量更高，导致成本高企，市场竞争力不强。p通过新材料与制备工艺的提升，在保证材料性能的前提下压缩生产制备成本，在增量市场中兑现国产替代的机遇。纳米结构催化剂燃料电池催化剂铂催化剂低铂催化剂非铂催化剂Pt/C催化剂Pt合金催化剂核-壳其他贵金属催化剂非金属催化剂目前进展性能指标国外国内铂金属载量(g/kW)0.060.3铂金属载量(0.35mg/cm)0.

41、350.16衰减情况3万次5%以内3000次86%80%20%图1：量产燃料电池催化剂国内外对比图2：铂碳催化剂是目前批量出货主流国外：TKK、JM、Umicore国内：氢电中科、济平新能源、中科科创未来方向材料选择2：催化剂-国产替代降本国产氢燃料电池催化剂开始进入验证、小批量出货阶段。p对于多数贵金属催化剂厂商而言，氢燃料电池催化剂均为新近发展的产品业务，于近两年刚刚起步，多处于研发验证测试与小批量出货装车阶段。p从商业模式上看，多数企业专注铂族贵金属催化剂的生产研发，不仅用于质子交换膜燃料电池，部分大型企业进行由贵金属开采到催化剂生产的一体化布局。应用场景内燃机尾气净化，质子交换膜催化，化工氢燃料电池质子交换膜催化铂、铂合金催化剂贵金属开采、前驱体生产、催化剂铂基催化剂贵金属原材料南京东焱膜电极新动力氢电中科贵研铂业济平新能源氢能与燃料电池催化剂一站式解决方案图：国内主要铂碳催化剂生产厂商（部分）高载量铂催化剂中科科创小批量出货装车小批量出货装车小批量出货装车测试测试动力系统高载量铂催化剂喜马拉雅