部分关键材料与核心部件产业全球竞争情况概览

一、动力电池
       动力电池是指为新能源汽车提供动力的电池,是新能源汽车最核心的部件,占新能源汽车总成本的30%。随着产业技术的不断发展,动力电池还将在以军用电源为代表的特殊应用领域崭露头角。因此,动力电池不仅与我国能源安全、高新技术产业发展息息相关,而且也与国防装备的进步密不可分。
1. 美德日韩在全球竞争格局中加快布局,国际产业协同更加紧密
       当前,美国、德国、日本、韩国是国际上动力电池产业比较发达的国家。美、德两国主要侧重电池材料、电池设计以及系统集成等方面的创新研发,而在电池制造方面则较为薄弱;日、韩两国在动力电池产业布局上则比较全面,研发和制造实力同样雄厚。在产业协同方面,松下和特斯拉的合作更加紧密,二者共同投资兴建的超大型动力电池工厂GIGA Factory已经粗具雏形, 首批匹配Model 3车型、产品能量密度高达300Wh/ kg的21700电芯已经下线。从技术发展趋势看,三元材料因为具有能量密度高、成本相对低的优势,未来3~5年应用于动力电池将成为主流。
2. 我国动力电池产业的材料、工艺与日、韩、美有一定的差距
       日韩企业布局动力电池领域至少比中国早10年。日本最早开展锂电池生产,拥有核心材料的关键技术以及完善的工艺水平,拥有最完善、最先进的锂电池产业链。韩国企业在电池与材料领域迅猛发展,其电池出货量已超过日本,但基础材料领域研究与日本相比还有一定差距,其生产设备领先、产业集中度较高以及规模化生产使产品成本较低。美国的3M公司具有很强的技术研发实力,拥有全球三元材料NCM(111)型号的专有权。相比之下,中国企业虽然在电化学基础理论知识方面较强,但材料、生产工艺的基础研究相对落后。
       我国关键材料研发与产业化滞后,关键核心材料、动力电池生产设备仍依赖进口。目前,我国可以自主生产BMS,但除了继电器等少数元器件能够满足电池技术和市场需求外,其他所需的半导体80%以上(价值占比为90%以上)依赖进口,包括BMS主芯片等重要电子元器件、预充电阻、电流传感器。此外,国产设备的稳定性和可靠性仍需改善,我国动力电池生产设备中仍有部分依赖进口。例如,目前国外200ppm的18650装配线已经很普遍,而国内还不能制造速度大于80ppm的18650装配线;连续制浆系统中,国内无法实现连续定量供料技术,只能使用进口设备等。
3.我国动力电池出货量快速增长,但动力电池产能过剩显现亟待关注
       近两年我国动力电池出货量快速增长,动力电池产能过剩显现。统计数据显示,2016年国内动力电池新增产能是2015年的2.8倍,而产量同比仅增长82%。如果这些产能全部释放,动力电池产能将达到170GWh/年。业内预计,2017年动力电池新增投资规模继续增长,仍将保持在千亿元以上。中汽协预计,2017年我国新能源汽车销量或达80万辆,也有不少分析预测或是60万辆。供给侧产能大肆扩张、应用侧市场增速放缓,动力电池产能出现调整震荡或不可避免。
二、射频识别技术
       射频识别(RFID)技术,又称无线射频识别,是一种通信技术,属于关键性共用技术,辐射和带动作用巨大,广泛应用到物联网、物流业、智能交通、智能电网、环境与安全检测、自动化控制、医疗健康、精细农牧业、金融与服务业、国防军事等多个领域。
1. 欧美日韩加强全球专利布局
       从全球范围看,美国在RFID技术标准建立和相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列、欧洲紧随其后,日、韩政府也高度重视RF1D的研发与应用。目前,RFID产业主要集中在RFID技术应用比较成熟的欧美市场。飞利浦、西门子、ST、TI等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场;IBM、HP、微软、SAP、Sybase、Sun等国际巨头抢占了RFID中间件、系统集成研究的有利位置;Alien、Intermec、Symbol、Transcore、Matrics、Impinj等公司则提供RFID标签、天线、读写器等产品及设备。
       从全球RFID专利申请情况来看,美国申请量最大,占全球该领域专利申请总量的32.6%;其次是中国,占比20.0%;日本排名第三,占比12.5%;韩国第四,占比10.8%。根据专利查询,美国、韩国、日本、欧洲在RFID技术领域的专利布局较早,并在2006年申请量达到顶峰,而中国的专利布局较晚,在2013年才达到顶峰。中国专利申请中,交通领域占据较大比例。
2. RFID技术将继续保持高速发展的势头,各国积极研发最新产品
       在未来几年,RFID技术将继续保持高速发展的势头。随着关键技术的不断进步,RFID产品的种类将越来越丰富,应用和衍生的增值服务也将越来越广泛。
       当前,各国企业加大新产品的研发。国际上,TI、Intel、Philips、STMicroelectroNIcs、Infineon、NXP、Atmel等集成电路厂商在开发小体积、微功耗、价格低廉的RFID芯片上取得了出色的成果。如Atmel公司研制的UHF无源标签最小RF输入功率可低至16.7μW。在国内,中国集成电路厂商已能自行研发生产低频、高频频段芯片并接近国际先进水平,上海坤锐公司研制的UHF频段QR系列芯片已经通过EPCglobal官方授权认证。
3. 我国RFID技术与产业将迎来快速发展机遇,产业链面临的问题不容小觑
       我国早在2006年发布就发布了《中国RFID政策政策白皮书》。在“中国制造2025”及“互联网+”推动下,物联网、智慧物流等领域迎来爆发机遇。目前,我国是RFID全球最大的生产、加工基地;是RFID销售增长最快的区域;是目前RFID应用创新最多的地区。
       但我国RFID产业链面临的问题不容乐观。RFID主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。我国在RFID技术与产业上处于发展阶段,缺乏关键核心技术,尤其是芯片、中间件等方面,目前还未形成成熟的RFID产业链:RFID芯片以进口为主,读写器主要是组装,中间件开发严重不足,缺乏统一标准。
三、传感器
       传感器是一种检测装置。传感器技术作为信息技术的基础与三大支柱之一,受到世界发达国家的高度关注和竞相追逐研究。
1. 美日发达国家对传感器的重视早于我国,全球主要国家进入智能传感器时代
       美国早在20世纪80年代就成立了国家技术小组(BTG),帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作,美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关。日本把开发和利用传感器技术作为国家重点发展6大核心技术之一。日本科学技术厅制定的上世纪90年代重点科研项目中有70个重点课题,其中有18项是与传感器技术密切相关。我国是在“八五”期间将传感器技术列为国家重点科技攻关项目,建成了“传感器技术国家重点实验室”、“国家传感器工程中心”等研究开发基地。
       目前,最先进的传感器已发展到传感器与微机电系统(MEMS)相结合的阶段。也就是智能传感器阶段,使得传感器以微处理器为核心,具有一定的人工智能。美国已经开发出了名为“智能灰尘”的MEMS传感器。法国将传感器与仿生信息学结合,研制出了模仿人类眼睛的视觉晶片,可以模仿人类眼睛的能力,分辨不同颜色,并观测动作。
2.我国传感器产业发展的环境不断优化
       国家将传感器已上升至国家战略,《中国制造2025》将传感器芯片列入重点发展领域。工业和信息化部先后出台了《物联网“十二五”发展规划》等相关政策,并在积极研究出台支持传感器产业发展的相关政策。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》也明确提出推动智能传感器等领域关键技术的研发和产业化进程。
       我国初步形成多个传感器集群区域和生产基地。比如,以上海、无锡、南京为中心的长三角区域,逐渐形成包括热敏、磁敏、图像、称重、光电、温度、气敏等较为完备的传感器生产体系及产业配套;以深圳为中心的珠三角区域,由附近中小城市的外资企业组成以热敏、磁敏、超声波、称重为主的传感器产业体系;以沈阳、长春、哈尔滨为主的东北地区,主要生产MEMS力敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器等。同时,我国已建成三大传感器基地,分别是安徽基地主要是建立力、光敏规模经济;陕西基地主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标;黑龙江基地主要建立气、湿敏规模经济为主要目标。
3. 主要国家标准体系完善、加强全球专利布局,我国在专利、标准、研发等领域任重道远
       传感器、MEMS和物联网感知层都有自己的标准体系,但三者有所不同,MEMS并不等同于传感器,传感器也不都应用在物联网感知层,所以三者是互相交叉的关系。目前,我国传感器相关标准总体上缺失严重,尤其是高端传感器。在传感器技术专利中,专利申请实力最强的是日本,占到原创技术份额的44%。在全球的专利申请人中,排名前16位的专利申请人拥有了19%的总专利申请,其中日本的企业更是遥遥领先,日本松下、日本东芝、日本佳能、日本三菱、日本日立占据了全球前5名的位置。
      目前,我国有1700多家从事传感器生产和研发的企业。但企业规模小、研发能力弱、规模效益差。而传感器具有很强的规模效应,国内企业出货量上不去,导致整个产业链。例如前端流片等环节加工能力薄弱,一致性、生产重复性都不能满足设计加工工艺要求。
四、高温合金
       高温合金又称超合金或耐热合金,是指在760~1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料。高温合金已成为军用及民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。
1. 美欧日几乎垄断了全球高温合金行业
       美国在高温合金研发以及应用方面一直处于世界领先地位,年产量约为5万吨,其中近60%用于民用工业。美国有多家独立的高温合金公司,包括能够生产航空发动机所用高温合金的公司,如通用电气公司(GE)、普特拉-惠特尼公司(PW),以及其他能生产特钢和高温合金的公司,如汉因斯-斯泰特公司、佳能-穆斯克贡公司、因科国际公司、特殊金属公司、卡彭特公司等。
       欧盟国家中,英、德、法是世界上主要的高温合金生产和研发代表。英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家之一。英国的铸造合金技术世界领先,代表性的是国际镍公司(Mond Nickel company)的 Nimocast 合金。
       日本在镍基单晶高温合金、镍基超塑性高温合金和氧化物晶粒弥散强化高温合金方面取得较大的成功。近年来致力于开发新型耐高温合金,并成功开发出在 1200℃高温下依然能保持足够强度的新合金。日本主要的高温合金生产企业包括 IHI corporation、JFE、新日铁和神户制钢公司。
       由于高温合金技术复杂、成材率低、生产周期长,具有极高的技术壁垒。同时,该行业无论是军品还是民品均涉及到产品认证问题,特别是军品的认证,审核严、跨度长,耗时费力,为该行业构筑了天然的进入壁垒。此外,还有市场先入壁垒等。
2. 我国高温合金已基本形成自己的体系和研制生产基地
       目前,我国高温合金牌号和品种很多,变形高温合金有50多个牌号,铸造高温合金有40多个牌号。我国高性能新型高温合金材料取得突破,并形成一定的供货能力。自上世纪 90 年中期起,国内高温合金新材料的开发取得了长足的进步,钢研院、航材院和沈阳金属所等科研院所已经开发并应用一批新工艺,研制和生产了一系列高性能、高档次的新型高温合金材料。如单晶高温合金叶片(DD402、 DD406)已经达到第二代,第三代产品也在开发;粉末高温合金涡轮盘材料(FGH95、 FGH97)也形成了批量供货能力;氧化物弥散强化 ODS 高温合金和钛铝等金属间化合物高温合金材料从无到有,也都形成了一定的供货能力。
3. 中国高温合金产业发展面临的问题
       虽然经过多年的发展,无论是研制还是生产,我国的高温合金产业都形成了一定的规模和水平,但产业发展面临的问题亟待关注:
(1)研制、仿制多,应用少。在变形高温合金50多个牌号和铸造高温合金40多个牌号中,获得应用的不足70%。
(2)材料的冶金质量水平低。主要表现在材料的纯净度低,合金成分波动大,对杂质和气体含量的要求不够严格,影响到性能及其稳定。
(3)在铸造和压力加工等工艺中控制不严,影响铸件、棒、饼坯等材料的冶金质量。尤其是航空发动机铸造涡轮叶片等复杂形状热端关键部件精铸件毛坯合格率比较低。例如,发达国家的空心定向和单晶的合格率可达到70%~90%,而国内的同类叶片铸件毛坯合格率一般为30%~40%,有些叶片的合格率甚至不到10%,这增加提高了制造成本,影响了工程化和产业化进程。

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