日本借奥运东风推广材料技术,为我国这两大产业发展敲响警钟!

时间2021-07-26

毫无疑问
东京奥运会
将会成为近年来最为特殊的一届



从5年的备战周期,到疫情防控下的诸多新规诞生,无不证明着这一点。

东京奥运会将于7月23日至8月8日举行,历时17天。在滑板、冲浪、空手道等5个新项加入后,东京奥运共有33个大项,最终产生339枚金牌。由于比赛进程相对漫长,包括足球、垒球等项目已经先于开幕式开赛。

如今,奥运会已不仅仅是一个全球体育盛会,更是一个发展商业、繁荣经济的国际舞台。尽管东京奥运会延期已成定局,但是日本对奥运会的规划和建设早已开始着手实施,仅就材料技术领域而言,其布局重点和用意就十分值得推敲。

在东京奥运会的赞助商中,不乏日本材料技术领域的知名企业,新能源汽车领域的“头号玩家”丰田、通信技术巨头日本电信电话(NTT)等都赫然在列。丰田的新能源汽车、NTT的5G新技术及新应用都是东京奥运会明确向全球展示的重点。不难看出,日本意在借助东京奥运会的国际影响力,实现新能源汽车应用的推广及5G战略的推进。


一、日本欲借奥运会之力抢占全球新能源汽车动力电池市场


电池作为新能源汽车的核心部件,一直以来都是世界各国车企相继竞争的焦点。日本在电池领域拥有深厚的技术积累,并长期扶持核心电池技术研发,以确保其全球领先地位。此次借东京奥运会的契机,日本车企试图通过大规模推广其先进的新能源电池技术,早日占领全球新能源电池市场。

(一)乘奥运会之势,加速固态电池的商用推广

固态电池因具有高安全性、高能量密度等性能优势,有望成为未来电池行业的核心。丰田计划借助“奥运效应”,通过展出搭载最新固态电池技术的新能源汽车,为其固态电池技术的商业化进行前期宣传。

1.日本固态电池技术研究与产业化进程遥遥领先

目前,日本无论在基础研究还是在产业化方面均走在世界前列。尤其在专利布局方面,日本各企业及研究机构在固态电池领域申请的专利数量居全球首位,其专利内容涉及硫化物电解质、负极碳系材料、正极镍钴铝酸锂三元(NCA)材料等众多领域。

日本固态电池的研发主要以企业为主导,丰田、松下、日立等纷纷加入其中。丰田的全固态电池采用硫化物基固态电解质,主流的锂离子电池活性材料作为正极,碳材料作为负极,并通过涂覆正极活性材料(LiNbO3)降低固态电池的内电阻,成功制得了功率密度为2.5kW/L,能量密度为400Wh/Kg的全固态电池,并且已经有了量产计划。日立和松下也在进行硫化物固态电解质的研发。日立使用硫化物类的电解质,并采用自主研发的薄层成膜技术和加压成型技术制备全固态电池,其产品经过400次充放电后的容量保持率达到了96%,目前已经将样品试用于航空航天和汽车应用领域;松下与比利时微电子研究中心(IMEC)于2019年6月合作使用磷酸锂铁作为正极材料,金属锂作为负极材料,并采用独特的制备工艺得到了能量密度高达425Wh/L的低成本、大容量的新型全固体电池。

日本一直在推进固态电池领域的技术创新,2020年3月,三星高等研究院与三星日本研究中心通过在固态电池中引入银碳复合负极和不锈钢(SUS)集电器减少了锂枝晶的生长,并通过对正极层进行涂覆处理改善了界面反应问题,提升了电池系统的库伦效率,最终获得了能量密度为900Wh/L,充放电循环1000次以上以及库伦效率为99.8%的固态电池,促使固态电池技术离产业化更进一步。目前,日本在全固态电池的研发重点已经从电解质材料的探索转移到充放电循环寿命研究、制造工艺的开发以及根据应用组合正负极材料和大规模量产工艺的开发等方面。

2.国内固态电池核心技术有待突破,产业化之路尚远

国内关于固态电池的研究热度也不断攀升,以清陶能源、宁德时代、赣锋锂业等为代表的企业开始在固态电池领域进行技术和产业化布局。清陶能源的技术研发涵盖了氧化物电解质材料、功能型离子导体陶瓷复合隔膜、复合正负极等多个方面,并率先量产了能量密度在400Wh/Kg以上的氧化物体系的固态电池,目前已成功应用在高端数码等领域,但尚不能应用于汽车领域。

赣锋锂业同样采用氧化物路线,开发出的第一代固态锂电池的单体容量达到10Ah,能量密度超过240Wh/Kg,1000次循环后容量保持率仍大于90%。赣锋锂业旗下的浙江锋锂也开始了混合固液电解质锂电池以及全固态电池的研究开发,其研发的第二代混合固液电解质锂电池,能量密度超过300Wh/Kg,正处于试产阶段,目前在进行基于金属锂负极的第三代全固态电池的前沿技术探索。

宁德时代以聚合物和硫化物基固态电池为主要研究方向开展相关研究并取得了初步进展。通过对钴酸锂正极材料进行包覆改性,解决了正极材料与固态电解质的界面反应问题,并采用热压方式降低了电解质与电极材料之间的界面电阻。目前,宁德时代已经制备出单体容量为325mAh,能量密度达到300Wh/Kg,300次循环后容量剩余82%的聚合物锂金属固态电池。

虽然我国对固态电池的研究起步较早,并取得了一些研究进展,但是对于固态电池领域的正负极材料改性、固态电解质和电极的界面处理以及固体电解质的加工等关键技术并未完全突破,导致固态电池产品性能与产业化方面与日本存在很大差距。首先,在产品性能方面,日本固态电池的能量密度可以达到400Wh/Kg以上,充放电循环能达到1000次以上,并且库伦效率接近100%,而国内车用固态电池的能量密度在300Wh/Kg左右,循环次数虽然也能达到1000次以上,但库伦效率远不能达到100%。产业化方面,国外企业在车用固态电池领域已有量产计划,但国内大部分企业仍处于规划布局阶段,明显落后于国外企业。未来,国内固态电池的产业化仍有很长一段路要走。

(二)日本氢燃料电池技术在东京奥运会迎来展示良机

1.日本燃料电池技术成熟,车企形成自给供应链体系

日本东京奥运会将大规模应用丰田提供的氢燃料电池汽车(MIRAI)、燃料电池公交车(SORA)。日本借助奥运会契机推广燃料电池汽车本质上是其前沿燃料技术实力的展示及其潜在商业化应用的预热。

丰田供东京奥运会用的第二代燃料电池汽车“MIRAI”电堆功率密度为3.1kW/L,最大功率为114kW,氢气的储存容量为122.41L,续航里程约650km,相比第一代增加了30%;丰田展示的燃料电池公交车“SORA”采用的是丰田为MIRAI开发的燃料电池系统(TFCS),驱动结构采用的则是传统的镍氢电池,续航里程可达200km。在“MIRAI”电堆技术的基础上,丰田不断丰富其燃料电池车型,2020年3月,丰田与日野汽车共同研发了一款重型燃料电池卡车,续航里程约为600km。此外,丰田与我国北汽福田、北京亿华通、一汽股份等多家企业达成燃料电池技术合作。作为日本氢燃料电池汽车的另一领导品牌,本田于2016年开发出燃料电池汽车“Clarity”,续航里程可达750km,其燃料电池电堆已历经3代技术研发,“Clarity”通过小型化和集成化工艺,使本田的氢燃料电池车型与纯电动车型、插电式混合动力车型可以共用同一新能源汽车平台。

日本在燃料电池汽车商业化应用方面占据了全球引领地位,得益于以丰田为代表的企业深耕燃料电池产业,形成集核心电堆技术、燃料电池控制系统、整车集成与控制于一体的本土供应链自循环体系,带动上游核心材料技术的更新升级。从燃料电池核心材料来看,日本已在各细分材料领域占据主导地位,以日本旭化成和旭硝子为代表的全氟磺酸质子交换膜生产、以日本株式会社科特拉(Cataler)为代表的Pt-Co/C合金碳载催化剂生产、以日本东丽(Toray)为代表的气体扩散层生产、以日本丰田代表的金属双极板的设计和加工技术,在日本实现燃料电池汽车产业化的道路上,都扮演着不可替代的角色和分量。

2.中国燃料电池技术有待发展,关键材料缺少批量生产技术

我国积极部署氢燃料电池产业发展,国内燃料电池汽车产业发展正逐渐起步,代表性企业包括新源动力、上海重塑、北京亿华通、广东国鸿氢能、雄韬股份、南通百应能源等,在众多企业的努力下,我国已初步掌握燃料电池电堆技术。2020年1月15日,海马集团发布其生产的7X氢燃料电池汽车,该车搭载了120kW高功率燃料电池和70MPa的高压储氢罐,车底配备3个容量为60L的储氢罐,最多可装载7.25kg氢气,续航可达800km。另外,北汽福田汽车股份有限公司生产的燃料电池客车,最大续航里程也达到了650km。

从燃料电池产业关键材料角度分析,在质子交换膜、催化剂、气体扩散层及双极板方面,国内公司虽涉及相关材料的生产,但在可靠性和耐用性方面与国际先进水平还有很大的差距,基本没有成熟产品,多数关键材料和部件仍然依赖进口。质子交换膜方面,日本的旭化成和旭硝子的全氟磺酸质子交换膜已实现产业化且可批量供应。国内只有东岳集团一家公司对外宣布可以生产全氟质子交换膜,但其产品性能与国际先进水平存在较大差距,原因之一是国内在制膜所需的高端氟材料方面还不能做到自给自足;燃料电池催化剂方面,日本已经实现批量生产且性能稳定,日本株式会社科特拉(Cataler)生产的Pt-Co/C合金碳载催化剂,Pt含量约为0.175g/kW。国内虽已实现铂纳米催化剂产品的量产,但产品稳定性欠佳。此外,碳支撑材料对于催化剂性能的发挥至关重要,而国内的高性能纳米多孔碳材料仍需依赖进口;气体扩散层是支撑催化剂层和收集电流的重要结构,其核心工艺主要是碳纸选材及技术,目前全球的碳纸、碳布材料供应商有日本东丽、加拿大巴拉德(Ballard)及德国西格里碳素公司(SGL Carbon)三家,其中日本东丽占据最大的市场份额。国内虽已具备了相关产品的研发能力,但是产业化进程停滞不前;燃料电池双极板方面,日本丰田掌握金属双极板的设计和加工技术,产品性能优良。国内上海治臻尚处于小规模开发阶段,还未实现国产化批量生产。



二、日本瞄准2020奥运会契机推进5G战略 我国5G发展仍面临考验

(一)日本通过国际合作实现5G商业化应用,本土企业掌握关键材料自主权

日本的5G规模化商用以东京奥运会为首要目标,计划到2024年实现全国覆盖。NTT DOCOMO作为日本最大的电信运营商,目前已与爱立信、富士通、NEC、诺基亚和三星等多家供应商建立合作关系,并开展了一系列5G试验。为顺利在东京奥运会部署5G技术,NTT DOCOMO与英特尔达成合作,共同将东京奥运会打造成为5G技术的全新试炼场。

5G的创新和发展促使电子材料及组件需求倍增,包括滤波器、印刷电路板、天线材料(液晶聚合物(LCP))等。就材料而言,日本企业在天线材料领域占据着绝对优势。LCP是一种新型的高分子材料,类似于半结晶聚合物,可加工做成高度结晶的,固有阻燃的,热致(熔体取向)热塑性塑料,是目前工程塑料领域介电损耗最低的材料。随着5G时代高频高速应用趋势的兴起,LCP将作为天线的主流材料,在未来基站端和手机端都将得到广泛使用。

LCP天线产业链的核心为膜级树脂及薄膜成型,而日本企业掌握着成熟的产业化技术。全球范围内,LCP树脂及薄膜基本被以村田制作所、可乐丽、住友化学为代表的日本企业垄断。村田制作所一直以来都是LCP领域的霸主,如今已成为iPhone LCP天线的主要供应商;住友化学开发出了介电可控、低损耗、易成型的LCP材料,并在2019年国际橡塑展上展出其面向5G时代的全新高/低介电材料SUMKASUPER Special DK LCP;同时,宝理塑料也展示了其用于5G通信的低介电LCP材料产品;可乐丽采用其特有的分子取向控制技术开发了具有低传输损耗特性的LCP薄膜VECSTAR,并计划在2020年实现“用于高速传输的柔性印刷电路板的LCP薄膜生产线”大规模量产(180m2/年)的目标。此外,村田制作所和住友电工均已推出兼有天线传输线功能的LCP天线。可见,日本还在进一步加快向具有与现有技术不同的低损耗、高频特性出色的LCP组件的商业化迈进的步伐。

(二)国内LCP企业处于突破及验证阶段,国产化进程有待加速

受益于5G加速建设,LCP市场快速增长,应用前景广阔。由于中国LCP产品长期依赖进口,为早日实现国产材料的崛起,国家出台多项政策及文件,大力推动LCP新材料产业发展,企业也积极开展研发和技术布局工作。但国内的LCP材料技术发展面临着树脂合成和薄膜成膜两大环节的技术壁垒。其一,LCP树脂因聚合工艺特殊,且对杂质、分子量以及生产设备的要求都很高,加之需要绕开国外巨头建立的技术路线专利门槛,国内企业开发合成技术的突破难度倍增。其二,树脂企业和薄膜企业之间早已形成了封闭供应链,导致新入者难以获得高品质、稳定的上游供应,而且薄膜制备过程中,热处理和涂覆工艺也存在许多关键技术参数。

尽管困难重重,中国企业仍然凭借自主创新取得了一定的成果。目前,国内LCP主要生产商沃特股份,金发科技、普利特、宁波聚嘉等均已逐步进入LCP树脂市场。沃特股份的薄膜级LCP树脂得到下游客户的认可,顺利进入测试验证阶段;普利特建立了从树脂聚合到复合改性的完整技术与生产体系,成功开发出超高流动、超低翘曲、高强度、抗静电等一系列高性能LCP树脂材料,LCP薄膜正处于研发过程中;金发科技生产的薄膜级树脂已开始小批量出口,同时其天线产品也在积极研发中;宁波聚嘉采用一种全新的跨界高效催化剂,攻克了膜级LCP纯树脂制备技术,开发出薄膜级树脂并获得国内厂商的高度认可,其LCP薄膜开始进入中试阶段。鉴于各企业在LCP树脂及薄膜产品方面取得的突破和进展,国内LCP材料基本进入产业化准备阶段,随着国内企业持续的研发投入和工艺完善,国内企业有望突破技术壁垒,实现5G天线用LCP树脂及薄膜的大规模量产。

除了LCP材料,我国5G产业链上其他环节也存在着不同程度的进口依赖,例如高端射频芯片、滤波器、覆铜板等,国内5G产业发展依然任重道远。



三、日本借奥运东风推广材料技术 为我国相应产业发展敲响警钟

(一)日本借机占领新能源汽车市场,国内新能源电池企业的研发和产业化将面临更加严峻挑战

日本借东京奥运会之机向全球展示其新能源电池汽车前沿技术,毋庸置疑,这一举措将加速日本在全球新能源汽车市场的渗透。新能源汽车产业是我国战略性新兴产业重点发展的方向之一,国内企业积极部署新能源汽车的研发和产业化工作,并逐渐发展成为我国的支柱产业之一。电池是新能源电池汽车的核心技术,也是制约我国新能源汽车技术商业化发展的重要因素之一。在全固态电池领域,国内电池核心技术专利布局少,而丰田在固体电解质、正负极材料等方面的布局全球第一。在燃料电池领域,我国尚处于起步阶段,而丰田布局的专利涵盖电堆、核心材料、电池控制系统等方面,布局十分全面。未来,国内新能源汽车企业在全固态电池和燃料电池技术研发过程中面临着突出的专利限制,由于尚未掌握专利主导权,电池企业供应商可能会沦为国外电池企业的“代工厂”,这将严重影响我国电池行业的竞争力。

由于全固态电池企业目前处于布局阶段,燃料电池汽车处于小规模示范应用阶段,加之新能源电池技术研发不足,核心技术掌握在以丰田为代表的日本企业手中,日本的新能源汽车若借助东京奥运会契机率先进军市场,会在全球视野上占据先机,并在消费端市场夺得有利地位,在植入日本新一代新能源汽车领先概念的同时,为其进一步打开国际消费市场,拓展国际合作奠定了基础,而这将对我新能源电池企业的研发和产业化带来巨大冲击,可能造成锂电及燃料电池制造企业、下游车企及相关材料配套企业的进一步洗牌。未来,国内新能源汽车企业市场准入门槛变高,将面临更加严峻的竞争。

(二)日本绕开华为推进5G商用,或使中国企业在国际市场陷入不利境地

东京奥运会无疑是展示5G商用成果的良机,若日本借助此次契机通过日美联盟(NTT和英特尔)的形式成功地将5G的强大应用场景展示于世,这将成为否定华为参与全球5G建设必要性的实例,为世界各国提供脱离中国建设5G的“示范教材”。而且日本在推行5G战略的过程中,明确自身5G技术发展的不足和迟滞,已将本国的技术研发重点转向下一代通信技术,并通过合作的方式借助他国之力促进本土5G商业化应用。日本与美国、瑞典、芬兰等具备5G技术优势的国家均建立了合作关系,日本如此注重国际合作却唯独将华为排除在外,表现出了与美国一贯宣传的封禁华为高度一致的排华态度。

日本在奥运会的国际舞台将“去中国化”的5G商用成果示众,对于我国5G产业的发展将造成多重负面影响。其一,被日本排除在5G供应商名单以外,无缘日本为5G建设投入1812亿元的市场“蛋糕”对于中国企业是直接的利益损失。其二,失去市场的同时也意味着失去一次技术广泛实践、验证、反馈及优化的机会,不利于技术的及时升级和迅速成熟。其三,全球5G竞争异常激烈,国际市场认可度需要逐渐积累,日本作为技术强国,其选择对于其他国家极可能具有一定的导向性。日本此举展示给世界各国的“站队”表态和示范效应,很可能导致中国企业的国际市场开拓更加举步维艰。



四、聚焦关键战略领域发展 全面提升我国材料产业综合实力

(一)加速新一代电池核心技术突破,增强国内产业链竞争力

固态电池和氢燃料电池作为全新一代电池发展的重要方向已成为全球共识,国内外企业纷纷加快布局,试图在新一代电池领域掌握话语权。为进一步促进我国下一代电池技术的全面发展,应从技术路线、专利布局、产业配套等多方面入手,协同突破,争取早日打造一批具有国际竞争力的电池产业链。

针对固态电池产业的发展,一方面,我国应加强政策引导,如设立国家重点研发计划、创新项目等,加大对固态电池相关技术的财政资金投入,加快突破界面阻抗过大、离子电导率低、循环稳定性差等技术难题,同时做好整体的专利布局规划;另一方面,我国还需强化国内固态电池领域的资源整合,建立产业联盟,健全产业创新体系,积极推动高校、科研院所与企业的合作,重点关注短途家用车等下游市场的应用推广,加快国内固态电池领域科研成果的产业化和市场化。

同样,对于氢燃料电池产业,我国也应加强统筹谋划,组织科研力量尽快攻克碳纸、双极板、膜电极、催化剂、质子交换膜等关键材料和核心技术难关,多方发力推动充电、加氢等基础设施建设,提高基础设施的安全标准与检测认证能力。另外,我国还需不断拓展氢燃料电池的使用场景,推进科研成果转化,优先在城市公交和物流车等领域推广应用,以点带面,加速国内氢燃料电池行业的自主化进程。

未来,我国应继续坚持开放合作的姿态,充分利用全球资源,不断提升合作水平。2019年6月,丰田宣布与我国宁德时代、比亚迪合作,加快电动汽车的转向步伐。我国企业应抓住类似机遇,通过与国外领先企业的技术研发合作,吸收国外先进电池技术,推动国内电池产业发展,借助现有电池产业、新能源汽车产业的基础,加强与海外中高端客户的合作,推广先进自有技术的市场验证,着力打造以宁德时代为代表的世界级先进电池企业,不断提高我国电池领域龙头企业的技术水平与国际竞争力。

(二)提升关键材料国产化程度,推动中国5G产业国际化进程

我国的5G发展虽然已经走在世界前列,但在LCP等5G关键材料领域尚无法摆脱进口依赖,技术发展受到国际巨头技术壁垒的限制。为避免因关键材料国产化不足拖慢5G全产业发展步伐,首先,从材料技术发展角度,中国急需在自主研发攻坚克难的道路上充分发挥自主创新,汇聚资金投入和智力资源,布局高端产品研发,进行核心技术突破,不断提升产品性能、质量及规模化生产稳定性,加速关键材料及产品的国产化进程。其次,在产业发展层面,需立足全产业优化产业格局,调整中低端产业结构比例,促进产能重点向高端产业转移,针对产业链故障点建立产业基金,重点扶持产业链缺失环节相关企业,着力打造自给自足的5G完整产业链。最后,在全球市场开拓方面,建议始终以积极的态度对待5G技术国际合作,将关注重点放在提升自身5G产业核心竞争力,持续参与和推动相关标准的国际化进程,才能使我国企业在全球5G竞争中掌握更多主导权,有能力有资本赢得更多的国际市场青睐。这也是对他国别有用心的所作所为最有力的回击。

(三)提升国际地位,打造“中国智造”品牌影响力

1.加强对外技术合作与攻关,夯实科技研究基础。新生事物的发展离不开科技创新,在新一轮科技革命和产业变革重构全球创新版图、全球经济结构的大背景下,要实现“料要成材、材要成器”,关键技术的突破及材料创新尤为迫切。在加强自主创新、壮大技术研究力量和人才队伍的基础上,梳理我国技术发展弱点及断点,有重点地积极参与国际技术交流与合作,开展联合攻关项目,创新科学研究体制机制,在学习海外优势经验及创新思路的同时,有效提升我国科技研究水平及影响力,推动技术研究实现从跟跑并跑到引领开拓的转变。

2.积极开拓海外应用端市场,赢得先进技术及产品验证的市场先机。在技术创新领域,我国面临的最大问题是如何验证“器要好用”。技术成果是否能够早日“走”向产业化需要经过持续不断的积累与改进,需要应用市场的支持和反馈。在海外优势技术产品的激烈竞争态势下,我国更应注重国际应用端市场的开发,积极促进科技成果在应用市场的小批量试验,扩大产品验证市场分布范围,提高市场反馈的可信度,紧跟行业国际标准,积极跟进问题解决与技术更新,提高“中国智造”的国际信任度,为我国创新产品迈向国际市场产业化赢得先机。

3.借助国际舞台推广新材料技术及产品产业链,提升“中国智造”实力水平。材料作为制造业发展的支撑,其性能和技术水平最终体现在应用产品上。经过长期的技术研究和市场验证,推广新技术产品及应用成为引领行业发展必不可少的一环。借助奥运会、国际博览会、工博会等国际大型活动契机,利用5G、人工智能等新型基础设施建设风口,以“产业链”打包的形式向市场推广普及新技术、新产品,在国际舞台上为终端产品打出民族标签,同步促进产业链各环节新材料、新技术的市场认可度和知名度,助力国内产业链建设及国际市场的拓展。