鉅大LARGE | 點擊量：1028次 | 2021年10月14日
國產燃料動力電池催化劑進展緩慢的深層次原因
催化劑作為燃料動力鋰電池核心材料之一，其國產化進展備受行業人士關注。
據高工氫電調研了解，國內很多科研院所都開展了燃料動力鋰電池催化劑相關研究，具備一定的研究基礎。與產業發展結合來看，燃料動力鋰電池催化劑實現量產問題也不大，公司擁有一定的設備投入資金和工藝優化能力就可以實現，但關鍵問題在于產線建成以后，生產出來的產品是否在各項性能指標方面滿足真正的商業化需求。
燃料動力鋰電池催化劑不同于一般的催化劑，對活性、穩定性、耐久性等各項性能指標要求很高，要在不斷使用過程中，經過不斷測試、積累、完善，才能慢慢形成可以規?；a的商用產品。而國內燃料動力鋰電池尚處于起步階段，為了防止風險，下游公司選用催化劑會優先選擇經過實際驗證的進口催化劑，當然也會去測試國產催化劑，但真正放心使用還要一個過程。
整體來看，目前國內燃料動力鋰電池催化劑要么仍然處于實驗室研發階段，要么公司能夠建成產線，但還要較大的運行成本及產出成本，才能真正實現嚴格意義上的良好運行。一些公司已經能夠出產催化劑，可能通過測試用于推廣，但真正能夠被下游批量使用的還有待驗證。
現階段國內重要采用田中貴金屬(TANAKA)、莊信萬豐(JohnsonMatthey)的催化劑，其中田中貴金屬今年在國內市場上升很快，所占市場份額超過了莊信萬豐（后文會詳細分析兩者市場策略及變化原因）。
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業界關心的是，為何國內燃料動力鋰電池催化劑研究多、參與者也多，實際產業化進展卻比較慢？國產催化劑與進口催化劑技術差距到底在哪，為何會形成這種差距？國產催化劑技術發展趨勢及市場前景又如何？
技術差距
眾所周知，目前國內燃料動力鋰電池的首要任務之一是提高功率密度。提高燃料動力鋰電池的功率密度要從提高性能與減小體積兩方面著手。在性能方面，通過分析燃料動力鋰電池極化曲線可知，通過降低活化極化、歐姆極化、傳質極化等多方面入手提高燃料動力鋰電池性能。提高燃料動力鋰電池性能首先要降低活化極化，而活化極化重要與催化劑活性密切相關。
影響催化劑活性的因素有很多，如載體的性能(比表面積、孔結構、表面化學性質等)、催化劑中活性金屬的含量和顆粒大小、活性金屬在載體上的宏觀和微觀分布等。
國內外有關高活性、高穩定性催化劑的解決方法有很多，如何在降低鉑使用量的基礎上提高催化劑性能，非常有難度。目前國內公司研究以鉑炭催化劑為主，同時儲備鉑鈷催化劑（市場應用上則以鉑炭催化劑居多，在外企的推動下，下游公司也開始應用鉑鈷催化劑）。
一名催化劑公司技術總監表示：“有關鉑粒子的大小控制，國內外差距不大，但如何制備出比表面積高、導電性更好、穩定性更好的炭載體會存在差距。”
據了解，目前用于燃料動力鋰電池催化劑的鉑鹽基本從國內購買，但碳粉完全依賴進口。碳粉價格便宜，長期進口不會存在什么問題。但從技術角度來看，國內科研機構有關碳材料的技術研究并不重視，基礎非常薄弱，有關催化劑炭載體的研究制備會有影響。適用于燃料動力鋰電池催化劑的碳粉，如同氣體擴散層的碳紙及儲氫瓶的碳纖維相同，是一個難以攻克的瓶頸問題。
此外，國內一位專注鉑炭催化劑研究的教授告訴高工氫電，鉑能否以納米形式高度分散到炭載體上，國內差距也很明顯。鉑在炭載體上的高度分散是催化劑設計的一個很重要因素，可以提高鉑的利用率、降低鉑的用量，在催化劑設計時必須綜合考慮炭載體的類型、疏水性、表面官能團等因素。在催化劑制備過程中，通常要優化催化劑負載過程，對炭載體結構、表面性質進行處理，這些處理過程都會影響鉑催化劑的分散性。
受限于多方面因素，目前國內鉑炭催化劑活性與國際先進水平存在差距。為了達到商用要求，國內催化劑采用鉑的含量普遍偏高。據了解，豐田Mirai燃料動力鋰電池催化劑Pt含量為0.175g/kW，國內產品好的達0.3g/kW，差的在0.4-0.5g/kW（Pt含量指的是催化劑中陰陽兩級的鉑族金屬總量）。美國DOE設定的2020年催化劑技術指標是鉑族金屬總量（兩極總和）是0.125g/kW，按照國內現有的技術水平，2020年難以達到。
值得注意的是，燃料動力鋰電池在反應過程中，由于氧還原反應（ORR）的交換電流密度遠低于氫氧化反應（HOR），一般極化損失重要來自于陰極側（空氣側）。比較來看，陽極側催化劑研發制備相對簡單，鉑用量已經降到比較低的程度，而陰極側催化劑活性提高難度大，其鉑用量通常比陽極側催化劑每千瓦多出5-6倍。
所以，當前業界的研究重點是如何提高陰極側催化劑的活性。
公司策略
從全球燃料動力鋰電池催化劑市場來看，豐田燃料動力鋰電池汽車用自己旗下公司的催化劑；現代燃料動力鋰電池汽車用韓國公司的催化劑，該韓國公司已被優美科收購；本田燃料動力鋰電池汽車用田中貴金屬的催化劑；從我國市場來看，田中貴金屬與莊信萬豐在國內的市場拓展走在前列。這重要得益于兩家公司在催化劑領域的長期積累與公司策略。
資料顯示，田中貴金屬從1985年展開燃料動力鋰電池催化劑研究，集結長年培育的貴金屬催化劑技術及電化學技術，開發了PEFC的陰極（空氣極）用高活性白金催化劑，以及陽極（燃料極）用耐一氧化碳（CO）毒害特性的優良白金合金催化劑。
2018年，田中貴金屬投資約40億日元擴大位于神奈川縣的開發制造燃料動力鋰電池用電極催化劑的FC催化劑開發中心。在毗鄰田中貴金屬工業湘南廠內原有的FC催化劑開發中處，增設總建筑面積約3000平方米的制造出貨大樓和存放倉庫大樓，將生產量力提高約7倍。
一名知情人士表示：“田中很早開始研發燃料動力鋰電池催化劑，與日本重視發展燃料動力鋰電池有關。田中擴充產量意味著對未來市場的看好，目前我國客戶占田中的業務份額比較大，也應該是其接下來比較看重的市場。田中的燃料動力鋰電池催化劑產品系列非常多，還可以根據客戶要求開發定制化產品，這是其他廠商難以比肩的?！?/p>
莊信萬豐于1817年在倫敦設立，是一家全球性專用化學品公司，致力于發展催化劑、貴金屬和專用化學品核心技術。早在上個世紀60年代美國上用的催化劑產品，就由莊信萬豐供應，在燃料動力鋰電池催化劑上的研究與生產也非常早。在我國市場，無論是公司還是科研機構購買莊信萬豐催化劑產品的非常多。
值得一提的是，目前莊信萬豐賣給我國市場的催化劑產品是經過市場驗證的早期產品，生產基地在北美。由于燃料動力鋰電池催化劑整體市場容量并不大，有關公司的利潤貢獻小，莊信萬豐的業務重心更多放在膜電極上，其膜電極產品上的催化劑技術更為先進。前段時間億華通公布的科創板招股說明書上顯示，公司膜電極產品就采購自莊信萬豐。
高工氫電了解到，莊信萬豐早在2000年就在英國設立了膜電極廠。多年以來，莊信萬豐膜電極業務一直在持續開展，并未因市場波動而停滯，目前北美及歐洲多家量產燃料動力鋰電池公司都是其客戶。在國內，莊信萬豐與巴拉德膜電極漸漸形成PK之勢。
比較田中貴金屬與莊信萬豐，國內公司大多于近幾年才開始展開燃料動力鋰電池催化劑的研發，積累顯然嚴重不足。而作為一款車用產品，必須符合車用標準，也必須在車上經過反復不斷驗證才算獲得真正的認可，這一點是國產催化劑最缺乏的。
一名資深業內人士表示：“比較國內外公司，最大的不同在于，我國公司基本都圍繞政策轉，很少公司有自己的可持續發展的戰略。國外公司涉足者沒那么多，僅少數幾家堅定看好未來發展前景，自負盈虧搞研發，即便在沒有市場的情況下，也在持續地長期投入。也正是因為長期的堅持，才能在燃料動力鋰電池風起時占據技術高地。”
業界都希望催化劑能夠盡快批量國產化，不然對整個燃料動力鋰電池行業發展都不利。只不過，在國內基礎材料研發薄弱、政策導向強、公司商業化宣傳濃厚的環境下，行業顯得比較浮躁。
“國內催化劑不是做不起來，假如能腳踏實地做事情，同時公司人員、設備、資金投入能跟上，與終端應用緊密結合，相信能較快地做出性能指標還不錯的產品?！鄙鲜鲑Y深業內人士說，當然由于當前整個燃料動力鋰電池市場容量并不大，這其中存在很多的不確定性，很可能要等進口產品應用成熟穩定了，國產才慢慢進入。
