隨著美國(guó)拜登總統(tǒng)的上臺(tái)并簽署重返《巴黎協(xié)定》的行政令,，世界197個(gè)《巴黎協(xié)定》的簽署國(guó),，已經(jīng)有190個(gè)國(guó)家完成正式批準(zhǔn)程序，協(xié)議已達(dá)到生效條件,，形成了全球最廣泛的應(yīng)對(duì)氣候變化的共識(shí),?？刂艭O2的總排放并將全球氣候變暖控制在1.5℃以下，是《巴黎協(xié)定》的核心目標(biāo),。

隨著中國(guó)2030年碳達(dá)峰及2060年碳中和的調(diào)控目標(biāo)提出,，新能源汽車在未來(lái)5-10年的發(fā)展空間是可期和巨大的，新能源汽車大發(fā)展背后是應(yīng)用材料的巨大變遷,，將引起應(yīng)用材料市場(chǎng)的革命,。本文從材料學(xué)角度介紹新能源車背后的使用材料的巨大變化。截止2020年我國(guó)汽車保有量已經(jīng)達(dá)到2.81億輛,，新能源汽車保有量只有500萬(wàn)輛,，假設(shè)未來(lái)10年新能源車保有量達(dá)到1億輛，即實(shí)現(xiàn)30-40%的燃油車的替換,，未來(lái)10年新能源車的年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到35%,。這將是巨大的新增市場(chǎng)增長(zhǎng)空間,。

傳動(dòng)燃油車主要核心技術(shù)由油箱,，發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱及相應(yīng)的油控系統(tǒng)組成,，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱是技術(shù)核心,，我國(guó)基本都不掌握關(guān)鍵技術(shù)。新能源汽車區(qū)別于傳統(tǒng)的汽油車的最核心技術(shù)是“三電”：驅(qū)動(dòng)電機(jī),、動(dòng)力電池和整車電控,，這可以說(shuō)是新能源汽車的三顆心臟。燃油車和新能源車的外形及內(nèi)飾,，方向控制系統(tǒng)等本質(zhì)是一致的,，差別在于動(dòng)力源，動(dòng)力裝置及控制系統(tǒng),。

在發(fā)動(dòng)機(jī)方面,，燃油車與新能源車使用材料的差別巨大；燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用鋁合金或者鑄鐵鑄造而成,；而新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是由轉(zhuǎn)子和定子組成,，其使用材料主要銅線繞組和硅鋼片等組成；銅線是必不可少的,，銅的導(dǎo)電率僅次于金,，銀，在電動(dòng)機(jī)中,，電阻率的提高,，只能增加內(nèi)耗，降低電動(dòng)機(jī)的效率,，因此電動(dòng)機(jī)使用的銅線,，短期并無(wú)可替代材料,。除了電動(dòng)機(jī)使用銅線外，新能源汽車所有動(dòng)力傳輸線及充電設(shè)施都不可避免采用銅線,，可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)10年,，銅的需求量增速將不低于新能源車的增速，這也是最近銅價(jià)及相關(guān)銅業(yè)股票上漲的一個(gè)重要原因,。

硅鋼片也是制造電動(dòng)機(jī)必不可缺少的材料,，硅鋼片不僅在電動(dòng)機(jī)中使用，在變壓器,、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域,；硅鋼片需要較高的技術(shù)含量，日本生產(chǎn)的硅鋼質(zhì)量最好,，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家以寶鋼,、武鋼為主，這些企業(yè)也將未來(lái)10年受益于新能源車的普及,。但是硅鋼片是并不是不可替代的,，最近發(fā)展起來(lái)的非晶鐵芯材料，有更好的磁導(dǎo)率及低損耗特性,，將是未來(lái)硅鋼片最強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手!株洲電機(jī)采用非晶材料制備電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化效率達(dá)到97.2%,，而普通硅鋼片制作的電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)換效率一般在90%左右,。目前非晶材料工藝還不成熟,，大規(guī)模推廣仍需要時(shí)間，需要密切關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,。

新能源汽車采用電動(dòng)機(jī)類型并不一致,，目前應(yīng)用新能源汽車主要兩類電機(jī)，分別交流異步感應(yīng)電機(jī) 和永磁同步電機(jī),。交流異步感應(yīng)電機(jī)主要以特斯拉為首采用,，在 Model S 和 Model X上采用。中國(guó),、德國(guó),、日本等新能源汽車企業(yè)普遍采用永磁同步電機(jī)，國(guó)內(nèi)比亞迪,，蔚來(lái)等造車新勢(shì)力都采用這種電機(jī),。

交流異步感應(yīng)電機(jī)需要使用交流電驅(qū)動(dòng)，不需要永磁材料提供磁場(chǎng),，交流異步感應(yīng)電機(jī)價(jià)格比較便宜,，成本低，壽命也比較長(zhǎng),，技術(shù)也比較成熟,。工廠采用的電動(dòng)機(jī)一般全部是交流異步電機(jī),，天天運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行5-10年都不成問(wèn)題,。交流異步電機(jī)的最大問(wèn)題是效率低,，而且需要復(fù)雜的電控系統(tǒng)。新能源車的能源存儲(chǔ)在電池中,，電池只能提供直流電,。電池的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)的交流電，實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)控制,，比永磁同步電機(jī)多一次電源變換,。新能源動(dòng)力電池充電時(shí)，是把交流電轉(zhuǎn)換直流電進(jìn)行充電,，工作時(shí)又把直流變換成直流電,。電動(dòng)車使用過(guò)程經(jīng)過(guò)交流-直流-交流兩個(gè)過(guò)程，每次能量變換都會(huì)帶來(lái)效率損失,，目前交直流變換效率只有90%左右,，兩次變換的能量利用率只有80%左右，再考慮交流異步電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化率90%左右,，交流異步電機(jī)能量利用效率在70%左右,，能量利用效率低。

永磁同步電機(jī)可以直接采用直流電進(jìn)行驅(qū)動(dòng),，省去一次交直流電源變換，能量利用效率比交流異步感應(yīng)電機(jī)高,。但是永磁同步電機(jī)需要永磁材料銣鐵硼提供磁場(chǎng),，銣作為稀土材料，價(jià)格非常昂貴,，永磁材料成本已經(jīng)占到永磁同步電機(jī)成本的20-30%,造成永磁同步電機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)高于交流異步電機(jī),。我國(guó)的稀土產(chǎn)量占全球的80%以上，相對(duì)于國(guó)外更加容易獲得稀土資源,，這是中國(guó)新能源車企選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的一個(gè)重要原因,，高性能永磁電機(jī)是我國(guó)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重要發(fā)展方向。稀土在未來(lái)10年使用量將劇增,，獲得較大的發(fā)展,。

不管交流異步感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，都需要交直流的電源變換,；電源變換的核心是半導(dǎo)體材料,，特別是功率半導(dǎo)體。電源的變換不僅集中在新能源汽車領(lǐng)域,，在手機(jī),，光伏,，儲(chǔ)能，風(fēng)電領(lǐng)域都有應(yīng)用,。平時(shí)手機(jī),，新能源車的充電器是把交流電轉(zhuǎn)換直流電，交流異步電機(jī)及儲(chǔ)能領(lǐng)域的逆變器是直流電轉(zhuǎn)換為交流電,。交直流變換的核心就是整流二極管（PN結(jié)）,，用硅片摻雜制備的半導(dǎo)體材料。最近全球因“缺芯”造成新能源汽車停產(chǎn),，就是功率半導(dǎo)體供應(yīng)緊張,。這種功率半導(dǎo)體與電腦及手機(jī)芯片不同，不需要先進(jìn)的制程和復(fù)雜的電路,，普通產(chǎn)品技術(shù)含量并不高,，造成供應(yīng)緊張的原因，華為等企業(yè)囤貨,，企業(yè)都去做高附加值值產(chǎn)品,，造成低端半導(dǎo)體供應(yīng)緊張。功率半導(dǎo)體需要通過(guò)較大的電流,，有電流就必然存在內(nèi)耗,，造成能量損失，功率半導(dǎo)體向高電壓方向發(fā)展是趨勢(shì),，這也新能源車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),。高壓功率半導(dǎo)體及碳化硅基材的半導(dǎo)體是未來(lái)功率半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì)。

新能源車除了電動(dòng)機(jī)不同外,，另外一個(gè)巨大區(qū)別就是鋰電池了,。燃油車采用油箱存儲(chǔ)能量，制造成本很低,，而新能源車采用鋰電池存儲(chǔ)能量,，鋰電池價(jià)格高昂，是造成新能源車價(jià)格居高不下的根本原因,。鋰電池類型很多,，主要由正極材料，負(fù)極材料,，電解液及隔膜組成,。

鋰電池負(fù)極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為負(fù)極,，硅或者硅碳復(fù)合材料作為負(fù)極材料,，目前仍然處于研發(fā)階段，未來(lái)是發(fā)展趨勢(shì),。鋰電池負(fù)極材料成本只占總成本的5-20%,，石墨的理論存儲(chǔ)容量達(dá)到372mAh/g,也不是制約鋰電池的成本及容量的主要原因,。

鋰電池根據(jù)電解質(zhì)不同，可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池,，主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同,，液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì)，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來(lái)代替,，這種聚合物可以是“干態(tài)”的,，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物凝膠電解質(zhì),。聚合物電池更加安全,，可以做成任何形狀，但是成本也更高,。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的,，只是電解質(zhì)不同而已。

鋰電池正極材料差別巨大,，鋰電池50-60%的成本集中在正極材料中,，也是造成鋰電池成本高昂的一個(gè)重要原因。鋰電池的正極材料千遍萬(wàn)化,，避不開(kāi)鋰（Li）,、鎳（Ni）、鈷（Co）,、錳（Mn）四種元素,。鋰電池正極材料主要可以分為鈷酸鋰、錳酸鋰,、磷酸鐵鋰,、鈦酸鋰及三元（鎳，鈷,，錳或鋁）鋰電池材料。各正極材料的性能情況如下表所示,。

除了鋰元素之外，金屬價(jià)格按照以下順序依次降低,，鈷（Co）(約39萬(wàn)/噸)＞鎳（Ni）(13萬(wàn)/噸)＞錳（Mn）(約1.6萬(wàn)元/噸）,。最早投入使用的鈷酸鋰，在早期鋰電池大量應(yīng)用,，但是由于鈷元素價(jià)格上漲較快,，造成電池造價(jià)比較昂貴，因此逐步開(kāi)發(fā)其他類型鋰電池,。錳酸鋰雖然價(jià)格便宜,，但是壽命短，比容量低,，現(xiàn)在逐步被三元鋰電池代替,。鈦酸鋰的能量密度最低，電池笨重,，但是價(jià)格便宜,，使用壽命高，充電速度快,。珠海銀隆從美國(guó)引進(jìn)技術(shù),，目前在公交車及儲(chǔ)能領(lǐng)域有應(yīng)用，未來(lái)在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用空間巨大,。

在新能源車領(lǐng)域,，由于汽車需要背著電池行走，電池能量密度太低,，在經(jīng)濟(jì)上不合適的,，將嚴(yán)重降低汽車的續(xù)航里程。鈷酸鋰,，錳酸鋰,，鈦酸鋰能在乘用車領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)并不明顯。目前新能源車主要是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池之間進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng),。三元鋰電池在能量密度上占優(yōu)勢(shì),，但是價(jià)格比較昂貴，以特斯拉為首新能車采用這種電池,。三元鋰電池最近幾年通過(guò)工藝調(diào)整,，鎳占比不斷提高，逐步降低鈷含量,，成本也逐步降低,。寧德時(shí)代生產(chǎn)的811電池（Ni：Co:Mn=8:1:1）能量密度達(dá)到220wh/kg,循環(huán)壽命達(dá)到6000次，鎳占比的提高，Co含量的下降,，降本空間巨大,，在新能源車領(lǐng)域顯示旺盛的生命力。目前三元鋰電池的新能源車的市場(chǎng)份額逐步擴(kuò)大,。 隨著三元鋰電池技術(shù)的進(jìn)步,，能量密度有進(jìn)一步提高空間。

磷酸鐵鋰電池未采用貴重Ni,、Co元素,，價(jià)格比較便宜，安全性也比較高,，但是磷酸鐵鋰電池能量密度偏低,，造成新能源車?yán)m(xù)航能力差。磷酸鐵鋰能量密度的工藝進(jìn)步提高空間并不大,，未來(lái)發(fā)展?jié)摿τ邢?，在未?lái)低端電動(dòng)車，儲(chǔ)能,，換電等領(lǐng)域還有一定的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展空間,。比亞迪主要采用磷酸鐵鋰電池，比亞迪的混動(dòng)技術(shù)一定程度彌補(bǔ)了里程焦慮,，從燃油車到電動(dòng)車的變革,，必然有混動(dòng)汽車的一席之地。

新能源車與燃油車在控制系統(tǒng)差別也很大,，燃油車主要控制油門,、變速箱，方向盤進(jìn)行控制,，本質(zhì)是機(jī)械控制為主,。潤(rùn)滑油是必可缺少的日常維護(hù)設(shè)備。電動(dòng)車主要控制電壓,，電流進(jìn)行控制,，需要復(fù)雜電路控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)使用材料以半導(dǎo)體材料及導(dǎo)線（以銅為主）組成,。新能源車采用電控制,，響應(yīng)快，操控性能好,，未來(lái)在智能化有巨大優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然,，隨著燃油車的比例降低,，必然造成原有產(chǎn)業(yè)的沒(méi)落，比如潤(rùn)滑油,，發(fā)動(dòng)機(jī),、石油,、機(jī)修等行業(yè)的衰退，不過(guò)這將是漫長(zhǎng)的過(guò)程,。新能源車含有大量的貴重材料資源,，新能源車的回收價(jià)值及資產(chǎn)保值性大，未來(lái)新能源車的回收領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)知名的企業(yè),。

目前新能源車普及存在主要障礙在于價(jià)格昂貴,，駕駛里程短，充電設(shè)施少,，鋰電池壽命短,，低溫性能差等問(wèn)題，這些問(wèn)題隨著充電樁的逐步普及,，“換電”新模式的成熟,，回收產(chǎn)業(yè)鏈的完善，電池比密度的提高,，固態(tài)電池的成熟,，必將進(jìn)入快速發(fā)展的新車道。

新能源車所需的銅,、鋰,、鈷、鎳,、稀土,、石墨、半導(dǎo)體等資源,，我國(guó)都占據(jù)巨大的儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì),，有眾多相關(guān)企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域耕耘，掌握著全流程的產(chǎn)業(yè)鏈及原材料的控制權(quán),，發(fā)展新能源汽車不僅對(duì)我國(guó)擺脫石油依賴,，實(shí)現(xiàn)及“碳達(dá)峰”及“碳中和”意義重大，而且將快速帶動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,。目前,，市場(chǎng)上對(duì)上述重點(diǎn)的材料都已經(jīng)進(jìn)行輪番炒作，上漲過(guò)快的原材料價(jià)格,，對(duì)于新能源的普及是不利的,，投資者應(yīng)該理性對(duì)待，目光著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展,。