隨著美國拜登總統的上臺並簽署重返《巴黎協定》的行政令，世界197個《巴黎協定》的簽署國，已經有190個國家完成正式批准程式，協議已達到生效條件，形成了全球最廣泛的應對氣候變化的共識。控制CO2的總排放並將全球氣候變暖控制在1.5℃以下，是《巴黎協定》的核心目標。

隨著中國2030年碳達峰及2060年碳中和的調控目標提出，新能源汽車在未來5-10年的發展空間是可期和巨大的，新能源汽車大發展背後是應用材料的巨大變遷，將引起應用材料市場的革命。本文從材料學角度介紹新能源車背後的使用材料的巨大變化。截止2020年我國汽車保有量已經達到2.81億輛，新能源汽車保有量只有500萬輛，假設未來10年新能源車保有量達到1億輛，即實現30-40%的燃油車的替換，未來10年新能源車的年均複合增長率將達到35%。這將是巨大的新增市場增長空間。

傳動燃油車主要核心技術由油箱，發動機，變速箱及相應的油控系統組成，其中發動機和變速箱是技術核心，我國基本都不掌握關鍵技術。新能源汽車區別於傳統的汽油車的最核心技術是“三電”：驅動電機、動力電池和整車電控，這可以說是新能源汽車的三顆心臟。燃油車和新能源車的外形及內飾，方向控制系統等本質是一致的，差別在於動力源，動力裝置及控制系統。

在發動機方面，燃油車與新能源車使用材料的差別巨大；燃油車發動機主要使用鋁合金或者鑄鐵鑄造而成；而新能源汽車的驅動電機是由轉子和定子組成，其使用材料主要銅線繞組和矽鋼片等組成；銅線是必不可少的，銅的導電率僅次於金，銀，在電動機中，電阻率的提高，只能增加內耗，降低電動機的效率，因此電動機使用的銅線，短期並無可替代材料。除了電動機使用銅線外，新能源汽車所有動力傳輸線及充電設施都不可避免採用銅線，可以預見的未來10年，銅的需求量增速將不低於新能源車的增速，這也是最近銅價及相關銅業股票上漲的一個重要原因。

矽鋼片也是製造電動機必不可缺少的材料，矽鋼片不僅在電動機中使用，在變壓器、風力發電等領域；矽鋼片需要較高的技術含量，日本生產的矽鋼質量最好，國內生產廠家以寶鋼、武鋼為主，這些企業也將未來10年受益於新能源車的普及。但是矽鋼片是並不是不可替代的，最近發展起來的非晶鐵芯材料，有更好的磁導率及低損耗特性，將是未來矽鋼片最強有力的競爭對手!株洲電機採用非晶材料製備電動機的動力轉化效率達到97.2%，而普通矽鋼片製作的電動機，轉換效率一般在90%左右。目前非晶材料工藝還不成熟，大規模推廣仍需要時間，需要密切關注這個領域的發展。

新能源汽車採用電動機型別並不一致，目前應用新能源汽車主要兩類電機，分別交流非同步感應電機 和永磁同步電機。交流非同步感應電機主要以特斯拉為首採用，在 Model S 和 Model X上採用。中國、德國、日本等新能源汽車企業普遍採用永磁同步電機，國內比亞迪，蔚來等造車新勢力都採用這種電機。

交流非同步感應電機需要使用交流電驅動，不需要永磁材料提供磁場，交流非同步感應電機價格比較便宜，成本低，壽命也比較長，技術也比較成熟。工廠採用的電動機一般全部是交流非同步電機，天天運轉，執行5-10年都不成問題。交流非同步電機的最大問題是效率低，而且需要複雜的電控系統。新能源車的能源儲存在電池中，電池只能提供直流電。電池的直流電透過逆變器轉換成電動機的交流電，實現交流非同步電動機控制，比永磁同步電機多一次電源變換。新能源動力電池充電時，是把交流電轉換直流電進行充電，工作時又把直流變換成直流電。電動車使用過程經過交流-直流-交流兩個過程，每次能量變換都會帶來效率損失，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，再考慮交流非同步電動機的能量轉化率90%左右，交流非同步電機能量利用效率在70%左右，能量利用效率低。

永磁同步電機可以直接採用直流電進行驅動，省去一次交直流電源變換，能量利用效率比交流非同步感應電機高。但是永磁同步電機需要永磁材料銣鐵硼提供磁場，銣作為稀土材料，價格非常昂貴，永磁材料成本已經佔到永磁同步電機成本的20-30%,造成永磁同步電機的價格遠高於交流非同步電機。我國的稀土產量佔全球的80%以上，相對於國外更加容易獲得稀土資源，這是中國新能源車企選擇永磁同步電機作為驅動源的一個重要原因，高效能永磁電機是我國車用驅動電機的重要發展方向。稀土在未來10年使用量將劇增，獲得較大的發展。

不管交流非同步感應電機和永磁同步電機，都需要交直流的電源變換；電源變換的核心是半導體材料，特別是功率半導體。電源的變換不僅集中在新能源汽車領域，在手機，光伏，儲能，風電領域都有應用。平時手機，新能源車的充電器是把交流電轉換直流電，交流非同步電機及儲能領域的逆變器是直流電轉換為交流電。交直流變換的核心就是整流二極體（PN接面），用矽片摻雜製備的半導體材料。最近全球因“缺芯”造成新能源汽車停產，就是功率半導體供應緊張。這種功率半導體與電腦及手機晶片不同，不需要先進的製程和複雜的電路，普通產品技術含量並不高，造成供應緊張的原因，華為等企業囤貨，企業都去做高附加值值產品，造成低端半導體供應緊張。功率半導體需要透過較大的電流，有電流就必然存在內耗，造成能量損失，功率半導體向高電壓方向發展是趨勢，這也新能源車的驅動電機的未來發展趨勢。高壓功率半導體及碳化矽基材的半導體是未來功率半導體的發展趨勢。

新能源車除了電動機不同外，另外一個巨大區別就是鋰電池了。燃油車採用油箱儲存能量，製造成本很低，而新能源車採用鋰電池儲存能量，鋰電池價格高昂，是造成新能源車價格居高不下的根本原因。鋰電池型別很多，主要由正極材料，負極材料，電解液及隔膜組成。

鋰電池負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極，矽或者矽碳複合材料作為負極材料，目前仍然處於研發階段，未來是發展趨勢。鋰電池負極材料成本只佔總成本的5-20%，石墨的理論儲存容量達到372mAh/g,也不是制約鋰電池的成本及容量的主要原因。

鋰電池根據電解質不同，可以分為液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，主要區別在於電解質的不同，液態鋰離子電池使用液體電解質，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替，這種聚合物可以是“幹態”的，也可以是“膠態”的，目前大部分採用聚合物凝膠電解質。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極材料與液態鋰離子都是相同的，只是電解質不同而已。

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重要原因。鋰電池的正極材料千遍萬化，避不開鋰（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。各正極材料的效能情況如下表所示。

除了鋰元素之外，金屬價格按照以下順序依次降低，鈷（Co）(約39萬/噸)＞鎳（Ni）(13萬/噸)＞錳（Mn）(約1.6萬元/噸）。最早投入使用的鈷酸鋰，在早期鋰電池大量應用，但是由於鈷元素價格上漲較快，造成電池造價比較昂貴，因此逐步開發其他型別鋰電池。錳酸鋰雖然價格便宜，但是壽命短，比容量低，現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，但是價格便宜，使用壽命高，充電速度快。珠海銀隆從美國引進技術，目前在公交車及儲能領域有應用，未來在儲能領域應用空間巨大。

在新能源車領域，由於汽車需要揹著電池行走，電池能量密度太低，在經濟上不合適的，將嚴重降低汽車的續航里程。鈷酸鋰，錳酸鋰，鈦酸鋰能在乘用車領域應用優勢並不明顯。目前新能源車主要是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池之間進行競爭。三元鋰電池在能量密度上佔優勢，但是價格比較昂貴，以特斯拉為首新能車採用這種電池。三元鋰電池最近幾年透過工藝調整，鎳佔比不斷提高，逐步降低鈷含量，成本也逐步降低。寧德時代生產的811電池（Ni：Co:Mn=8:1:1）能量密度達到220wh/kg,迴圈壽命達到6000次，鎳佔比的提高，Co含量的下降，降本空間巨大，在新能源車領域顯示旺盛的生命力。目前三元鋰電池的新能源車的市場份額逐步擴大。 隨著三元鋰電池技術的進步，能量密度有進一步提高空間。

磷酸鐵鋰電池未採用貴重Ni、Co元素，價格比較便宜，安全性也比較高，但是磷酸鐵鋰電池能量密度偏低，造成新能源車續航能力差。磷酸鐵鋰能量密度的工藝進步提高空間並不大，未來發展潛力有限，在未來低端電動車，儲能，換電等領域還有一定的優勢及發展空間。比亞迪主要採用磷酸鐵鋰電池，比亞迪的混動技術一定程度彌補了里程焦慮，從燃油車到電動車的變革，必然有混動汽車的一席之地。

新能源車與燃油車在控制系統差別也很大，燃油車主要控制油門、變速箱，方向盤進行控制，本質是機械控制為主。潤滑油是必可缺少的日常維護裝置。電動車主要控制電壓，電流進行控制，需要複雜電路控制系統，電控系統使用材料以半導體材料及導線（以銅為主）組成。新能源車採用電控制，響應快，操控效能好，未來在智慧化有巨大優勢。

當然，隨著燃油車的比例降低，必然造成原有產業的沒落，比如潤滑油，發動機、石油、機修等行業的衰退，不過這將是漫長的過程。新能源車含有大量的貴重材料資源，新能源車的回收價值及資產保值性大，未來新能源車的回收領域將出現知名的企業。

目前新能源車普及存在主要障礙在於價格昂貴，駕駛里程短，充電設施少，鋰電池壽命短，低溫效能差等問題，這些問題隨著充電樁的逐步普及，“換電”新模式的成熟，回收產業鏈的完善，電池比密度的提高，固態電池的成熟，必將進入快速發展的新車道。

新能源車所需的銅、鋰、鈷、鎳、稀土、石墨、半導體等資源，我國都佔據巨大的儲量優勢，有眾多相關企業在相關領域耕耘，掌握著全流程的產業鏈及原材料的控制權，發展新能源汽車不僅對我國擺脫石油依賴，實現及“碳達峰”及“碳中和”意義重大，而且將快速帶動中國經濟的發展。目前，市場上對上述重點的材料都已經進行輪番炒作，上漲過快的原材料價格，對於新能源的普及是不利的，投資者應該理性對待，目光著眼長遠發展。