新材料是人類一切社會生活和經濟發展的基礎性要素，一次次推動著技術革命的進步；同樣，在經濟轉型、國產替代需求以及新基建等的推動下，新材料也不斷地發展創新，以滿足經濟社會發展的更高要求。
《2020新材料產業研究報告》正式發布，報告從新材料的定義、特徵、驅動力等方面對新材料進行了介紹，根據應用對新材料進行了梳理，並分析了動力電池材料、3D列印材料、第三代半導體材料和人造肉材料的發展現狀、市場格局以及創新機會。
本文概述了動力電池的發展路徑，分析了特斯拉為代表的新造車勢力在動力鋰電池行業進行的變革，指出動力電池材料需要不斷創新以更好地支持純電動汽車的發展。
Part.1
動力電池發展史——電池材料的性能的決定性
1.鉛酸蓄電池的發明使動力汽車成為可能
動力電池的發展最早可以追溯到19世紀50年代末：1859年，法國物理學家加斯東·普蘭特（Gaston Planté）發明了鉛酸蓄電池。那個時代，蒸汽機的發明引發了第一次工業革命，但由於蒸汽機太過笨重，蒸汽車在那時並沒有大規模普及。
普蘭特發明的鉛酸電池原型，來源：公開資料
那時富人可以擁有私人馬車，其他人只能租賃馬車使用。所以人們亟需一種便宜、簡潔、安全的出行工具，鉛酸電池的發明，提供了這種可能。1881年，法國科學家卡米爾·阿方斯·富爾（Camille Alphonse Faure）改進了電池的設計，第一輛用鉛酸電池為動力的三輪車誕生。這台電動三輪車的動力裝置由一台電動機和六節鉛酸蓄電池組成，加上乘員後的總重量達160公斤，時速僅12公里。
第一輛鉛酸電池電動汽車，來源：公開資料
1884年，英國發明家和實業家托馬斯·帕克（Thomas Parker）用他自己專門設計的高容量可充電電池，在倫敦製造了第一輛實用的電動汽車。
動力電池材料的不斷進步使電池性能不斷提升，電動車的優勢得以凸顯。當時的電動車不僅比燃油車安靜，而且其可靠性要遠高於燃油汽車，並且更易於駕駛，並且價格低廉。
2.車企嘗試不同動力電池裝車，但動力電池材料的性能劣勢限制了電動汽車的發展
隨著道路的逐步擴建和完善，遠距離出行也成為了需求，電動汽車續駛里程短的弊端顯現，當時電動車續航里程普遍在40-65公里範圍，最高時速約在30公里/小時。鉛酸電池因其體積大、質量大、能量密度小、功率密度低等原因，如果使用鉛酸電池驅動家用汽車行駛200km以上，需要將近1噸的電池，無法達到實用，加上早期電力傳動系統的製造成本過高等問題，沒有最終流行。
為了提高車輛的安全性和續駛里程，車企開始嘗試將不同的電池技術應用於電動汽車。20世紀初，歐洲逐步開始電動汽車的研究，標緻106車型廣泛應用於歐洲各國政府部門，其採用的是鎳鎘電池；1996年，世界第一輛現代電動汽車通用EV1開始量產。早期的EV1使用鉛酸電池組，續航僅為96公里。後期車型升級後，續航可以達到160公里。最後使用的鎳合金電池組，續航能夠到達260公里。但總體來看，EV1續航能力仍不足，未被消費者所接受。
通用EV1，來源：公開資料
對於鎳氫電池來說，其具有穩定性高、生產成本低、低溫性能好、回收價值高等優點。但是它的缺點也比較明顯，能量密度較低，並且循環次數也並不太高，因此，純電驅動的車輛採用鎳氫電池並不合適。鎳氫電池目前也基本用於混動汽車上，如豐田普銳斯混動汽車。
豐田普銳斯混動汽車，來源：一汽豐田
比電池汽車晚誕生的燃油汽車，在歐美實業家的努力下，從車廠走向街頭。1885年，戴姆勒和本茨幾乎同時製成了汽油發動機，裝在汽車上，以每小時12公里的速度行駛，獲得了成功。此外，義大利、俄國、美國的發明家也製造出內燃機汽車。1908年，福特開發出T型車，燃油汽車開始進入平民家庭。汽車進入了內燃機時代。而電動汽車受制於電池，並沒有明顯的進步，陷入了長達半個多世紀的停滯。
3.鋰電池的商業化正式開始了新電動車時代
1976年，英國的科學家M.Stanley Whittingham，造出了可以充放電的鋰電池，電壓超過2V，但是安全性上還有很大問題；四年後，美國的JohnB. Goodenough研究出了鈷酸鋰電池，電壓達到4V；1985年，日本吉野彰（Akira Yoshino）在Goodenough成果基礎上，用更安全的鋰離子替代了純鋰，發明了採用碳材料做負極的鋰離子電池，從而讓鋰電池獲得了更高的穩定性，確立了現代鋰離子電池的基本框架。這三位諾貝爾化學獎獲得者的努力，推動了鋰離子電池的誕生和應用，電池進展就此加快。1997年，John B. Goodenough又開發出低成本的磷酸鐵鋰正極材料，加快了鋰離子電池的商業化。這三位也因為在鋰電池上的卓越貢獻成為了2019年諾貝爾化學獎的獲得者。
鋰離子電池以容量大，電壓高，循環性能好等優越性能脫穎而出，成為最理想最有前途的電池。鋰離子電池顯然比鉛酸、鎳氫更適合作為車輛動力。
世界上第一輛鋰電池汽車是Prairie Joy EV。1996年，日產成功製造出汽車世界上第一輛使用圓柱鋰離子電池的電動車Prairie Joy EV。這款車最高時速120公里/小時，每次充電行駛里程超過200公里，並且鋰電池使用的是日產自研的專用於汽車的鋰電池。自此，鋰離子電池汽車正式登上舞台。
隨後，各路電池企業開始將電動汽車鋰電池的研發提上日程，如LG化學等公司。雖然各路企業都開始了研發，但都不敢冒風險進行將鋰電池進行純電動汽車的商業化。第一個吃螃蟹的，就是如今市值第一的車企——特斯拉。
馬丁·艾伯哈德與馬克·塔彭寧這兩位創始人對電池並沒有自研和生產的能力，唯一的選擇就是去市場上選取合適的電池。松下當時研發出了正極材料為鎳鈷鋁酸鋰的18650電池，相比鎳鈷錳酸鋰電池性能更好，電量更足，正滿足特斯拉對電池的需求。特斯拉創造性啟用6,831節松下製造的18650三元鋰電池，並基於其極為先進的電池管理系統（BMS），組成動力鋰電池，從而令電動車鹹魚翻身。2008 年，特斯拉Roadster跑車面世。這是鋰電池首次進入商用純電動汽車。雖然18650電池是電子產品常用電池，其散熱和安全性並不是為汽車產品設計的，但特斯拉運用了號稱世界上最頂級的電池管理系統，來保證電池的穩定性。
Roadster，來源：Tesla
隨著特斯拉Model S、Model X、Model 3的成功，以及世界各國開始逐漸對傳統燃油汽車帶來的污染和能源問題的逐漸重視，全世界開始颳起純電動汽車熱潮。傳統電池企業和新造車勢力一起推動純電動汽車極速前進。
現在，動力電池的研發開始以汽車的需求出發，要求電池企業配合實現。在決定發力新能源汽車後，大眾、寶馬、戴姆勒、現代等企業不約而同向上游布局動力電池。他們很多都建立了電池研發中心，有的設立獨資或合資企業生產電池。他們起手的標準，自然而然地，就是引用車規級零部件的要求，做車規級動力電池。
中國將新能源汽車作為戰略新興產業，投入巨大資源。中國的動力電池企業也較早實現裝車並商用化，也開始了車規級動力電池的探索。其中代表的企業是比亞迪和寧德時代。比亞迪在F3DM之後，也在2011年開始推出純電動車型，並且從電動大巴、電動計程車切入，逐漸擴展到私人電動汽車產品。比亞迪既產汽車，又產電池，在應用層面走在前列。比亞迪長期是全球第一大電動汽車生產商，如今雖然被特斯拉超越，但仍然是領先企業之一，在動力電池上，也一直按照汽車需求在改進提升。
寧德時代成立於2011年，其前身是消費電池巨頭ATL。寧德時代第一個動力電池業務就是與華晨寶馬合作。寶馬集團曾向寧德時代提供了800多頁紙的動力電池生產標準。最終，寧德時代的動力電池裝載到了寶馬多款電動、插電式混動上，目前已經是寶馬第一大動力電池供應商。由於寶馬的「認證」效應，其他車企紛紛採購。2018年起，寧德時代就成為全球第一大動力電池供應商。特斯拉逐步開始國產化後，也與寧德時代達成了協議，後續為特斯拉部分車型提供動力電池。
目前，從全球範圍來看，目前車載鋰離子動力電池的競爭主要集中在中、日、韓三國。日本的松下，韓國的三星、SK、LG，以及中國的寧德時代、比亞迪被認為是目前全球電動汽車動力電池的龍頭企業，占據著主要的市場份額。根據SNE Research發布的2018年全球動鋰電池出貨數據顯示，日本松下的動力鋰電池出貨量成為全球動力鋰電池出貨量第一的企業，出貨量達到13.38GWh，而我國寧德時代以出貨量11.07GWh位居第二。前10名中，有6家企業來自中國。
Part.2
特斯拉不斷改變著動力鋰電池行業規則，推動動力鋰電池行業的變革
從選擇18650電池讓鋰電池正式在純電動車上商用開始，特斯拉通過卓越的電池管理系統（BMS）和對電池的自研滲透，不斷改變著動力鋰電池的行業規則。
1.先進的BMS使三元鋰電池成為主流
2008 年特斯拉首次使用松下的18650三元鋰電池電芯作為車輛的動力電池，並且在 Roadster 上試驗過之後，開始在Model S上大規模使用。
藉助三元鋰電池在能量密度上的優勢，特斯拉Model S的續航能力大幅領先同年份使用磷酸鐵鋰、錳酸鋰作為動力電池的純電動汽車。而當時普遍認為三元鋰電池不過是消費電子中使用的電池，並不符合車規的需求，並且在循環壽命上遠低於磷酸鐵鋰電池。但是特斯拉巧妙地通過先進的BMS管理好了這 6,000 多節電池，而大幅提升的續航能力也規避了三元鋰電池在循環壽命上的短板。
特斯拉通過技術手段，成功地利用了三元鋰電池的優點，規避了缺點。在特斯拉率先嘗試了三元鋰電池之後，整個行業對三元鋰電池的看法逐漸開始發生轉變，而中國新能源補貼政策中能量密度的門檻也在不斷提升，通過政策的手段引導車企放棄磷酸鐵鋰，換用三元鋰電池。這是特斯拉第一次引導整個行業技術路線的轉變。
來源：容百科技招股書，公開信息，睿獸分析
註：鋰電池根據正極材料的不同，可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元鋰（NCM/NCA）電池，材料不同決定了性能各不相同。
2.升「鎳」去「鈷」，進一步提升能量密度、降低成本
特斯拉也在不斷探索能增效降本的鋰電池材料。
2016年，這一年特斯拉推出了全新的2170三元鋰電池，正極材料中「鎳」的比例大幅提升，「鈷」的比例大幅下降，正極材料中「鎳」的比例達到了90%，而 2016年行業的主流水平只有 40%。
更高比例的「鎳」可以提高電芯的能量密度，但是帶來的弊端是更差的熱穩定性，極低的「鈷」含量可以大幅降低電芯的物料成本，但是帶來的弊端是更低的快充速度。
但是從結果來看，特斯拉成功地利用了高能量密度以及低成本的優勢，通過在Pack中布置更長的液冷管路、預留泄壓孔、單個電芯設置熔斷保護裝置等方式克服了高能量密度2170電芯的缺點。
這又是一個通過技術手段，規避缺點利用優點的案例。而現在乘用車動力電池發展方向也是通過提高「鎳」的比例來提高電池能量密度，做到更長的續航。
特斯拉一直在打破這個行業的物理認知，引領行業的發展，自從特斯拉使用磷酸鐵鋰電池的計劃曝光之後，已經有廠家在打算從三元鋰換到磷酸鐵鋰，這種影響力不可謂不大。
3.不斷提高自研比例，保持動力鋰電池的持續領先
在Model S上，特斯拉採用了松下的18650電芯，Pack的封裝為特斯拉獨立完成。
到Model 3上，不僅Pack的封裝技術是特斯拉的，採用的 2170 電芯也是特斯拉與松下共同研發，並且在特斯拉Gigafactory 1生產的。
2016年與Jeff Dahn研究小組達成5年合作。Jeff Dahn研究小組2008年開始研究儲能材料的物理和化學性質（主要是在鋰離子電池領域），他們的目標就是提高電池的能量密度、提升電池安全性、降低成本並提高電池的循環壽命，從而降低汽車和儲能應用的成本。
2019 年2月特斯拉宣布以溢價55%的價格收購了Maxwell公司，這家公司掌握的兩項核心技術分別為乾電極技術和超級電容技術。其中乾電極技術帶來的好處是可以提升10% 的電池能量密度，並降低10%的成本，同時還可以提高電池的生產效率。
特斯拉也開始了自產電池的計劃。據Electrek 報導，特斯拉在Fremont工廠建設了一條電芯的試生產線，這是特斯拉的一個秘密項目，代號Roadrunner，該項目的目標是應用「機器製造機器」的策略來大規模生產便宜的電池。
Part.3
動力電池材料和技術的創新是純電動汽車發展的強大驅動力
特斯拉在動力電池材料、技術等方面的持續創新和突破是其保持持續領先的重要原因。動力電池作為純電動汽車的核心部件，對電池的技術話語權決定了純電動車企推動產業發展的能力，也決定了未來產業的發展走向。如果沒有足夠研發投入，產品的上限只能取決於供應商的能力。這也是蘋果自研晶片進一步整合生態的決定要素之一。
所以不斷地在電池材料和技術等方面進行創新，從而提升電池性能，才能持續推動純電動汽車產業的發展。掌握了電池核心技術的企業也掌握了產業的話語權，能進一步造成產業的質變，為電動汽車行業帶來新的增長動能。
動力電池領域仍存在大量的創新機會，正負極材料、固態電解質材料、BMS等都有巨大的創新潛力。以下羅列了世界部分動力電池創新企業，相信它們會和各車企和傳統電池企業一道，共同創造純電動汽車的未來。
Part.4
《新材料研究報告》其他內容概述
新材料的「新」在於性能新、工藝新、應用新、需求新
新材料定義：應用在傳統行業或新興行業中，基於新工藝技術而生產的出具有高壁壘和難替代性的，使傳統材料性能明顯提升、或擁有傳統材料不具備的優異性能或特殊性能的材料，從而滿足原有產業需求升級或新需求。
新材料與人類生產生活的發展相輔相成
新材料是人類一切社會生活和經濟發展的基礎性要素，一次次推動著技術革命的進步；反過來，滿足社會發展的需求是材料不斷創新與發展的源動力。
我國新材料行業規模2019年占全球22.8%；已開發國家新材料行業整體領先，我國在細分領域已取得優勢突破
已開發國家在國際新材料產業中占領先主導地位。龍頭企業集中在歐美、日本。巨頭憑藉其技術開發、資金和人才等優勢在高技術含量、高附加值的新材料產品中占主導地位，並加速全球新材料產業的壟斷。例如，英國鋁業、杜邦、拜耳、GE塑料、陶氏化學、日本帝人、日本TORAY、韓國LG等大型跨國公司．正加速對全球新材料產業的壟斷。
亞太地區尤其是中國，新材料產業憑藉政策、資金等扶植處在一個快速發展的階段，產業鏈日趨完善。中國已在新材料細分領域取得優勢性突破，如半導體照明、稀土永磁材料、人工晶體材料等領域。
新材料應用梳理
本報告根據新材料主要需求，將下游應用分為智能製造、電子通信、晶片半導體、新能源、大交通輕量化和消費五大板塊。
從中，挑選出3D列印材料、第三代半導體、動力電池材料和人造肉四個細分行業進行分析。
3D列印材料
根據所用材料的不同，3D列印可分類為金屬材料和非金屬材料3D列印。
3D列印原材料：低端非金屬材料產能充足，高端產能受限。
一般來說，各種非金屬材料，在工業領域和消費領域都有應用；在消費領域由於技術要求相對較低，目前供應已比較充足，但高端的、應用於特定工業或醫療的原材料，供應能力尚顯不足。
金屬原材料由於比較昂貴，故多用於工業領域。通常用於3D列印的金屬原材料為金屬粉末，金屬材料的純凈度、顆粒度、均勻度、球化度、含氧量等指標都對最終的列印產品性能影響極大。而獲得高品質金屬粉末材料的技術要求和成本都很高，最終導致產量不足。
材料的開發是我國3D列印行業發展的重中之重，結合行業的需求存在極大的創新創業機會
第三代半導體材料
第三代半導體材料主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度≥2.3電子伏特(eV)，又被稱為寬禁帶半導體材料。在第三代半導體材料中，目前發展較為成熟的是碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN），這兩種材料是當下規模化商用最主要的選擇。
GaN、SiC的主要產品和應用
GaN器件主要包括射頻器件、電力電子功率器件、以及光電器件三類。
SiC主要應用於功率器件。SiC能大大降低功率轉換中的開關損耗，因此具有更好的能源轉換效率，更容易實現模塊的小型化，更耐高溫。
5G建設推動GaN射頻市場高速增長
新能源汽車等應用推動GaN和SiC功率市場高速發展
人造肉材料
人造肉按照產品開發的模式，可以分為植物基人造肉和實驗室細胞培養人造肉。目前，植物肉的商業化程度又遠高於培養肉。
健康優勢、營養靈活性、動物福利思潮和環保因素使人造肉存在巨大市場空間。
傳統素肉公司的創新。目前中國傳統素肉公司的企業只有三家是真正涉及人造肉產品，分別是寧波素蓮食品、深圳齊善食品和江蘇鴻昶食品，成立均超過10年。
休閒食品等輕食用方式的創新：百草味和金字火腿。
人造肉創業企業，星期零、珍肉通過各自的拓展模式進入市場
擬真程度是人造肉壁壘，原材料穩定供應是保障
我國新材料創新創業機會和成熟企業發展建議