3大領(lǐng)域！8大環(huán)節(jié)！中國(guó)關(guān)鍵新材料技術(shù)及創(chuàng)新生態(tài)發(fā)展深度解析
2023-02-01 17:37:04
作者：材料基 來(lái)源：材料基
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材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類社會(huì)發(fā)展的先導(dǎo)?；厮莨I(yè)革命歷程，每一次產(chǎn)業(yè)升級(jí)都需要材料的創(chuàng)新和進(jìn)步的支撐。
新材料是指新近發(fā)展或正在發(fā)展的具有優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)材料和有特殊性質(zhì)的功能材料。在當(dāng)前新一代信息技術(shù)、新能源、智能制造等新興產(chǎn)業(yè)迅速崛起的背景下，疊加中國(guó)“雙碳”目標(biāo)對(duì)新材料市場(chǎng)需求的拉動(dòng)，部分處于產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵位置的新材料地位愈加凸顯。碳中和將給上游材料端帶來(lái)結(jié)構(gòu)性機(jī)會(huì)，能源結(jié)構(gòu)改革疊加產(chǎn)業(yè)升級(jí)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)更新迭代，新材料產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。
在清潔能源使用領(lǐng)域，光儲(chǔ)和氫能是新材料產(chǎn)業(yè)的重要突破口。傳統(tǒng)鋼鐵行業(yè)、電力行業(yè)、建筑行業(yè)和交通行業(yè)的節(jié)能減排也將對(duì)新材料有需求，需要一定的傳導(dǎo)周期。
新材料賦能其他學(xué)科，將產(chǎn)生交叉融合的機(jī)會(huì)，例如生物工藝以及材料的進(jìn)步促進(jìn)細(xì)胞治療產(chǎn)品的生產(chǎn)和商業(yè)化。此外，國(guó)家政策支持戰(zhàn)略材料的發(fā)展，例如半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游相關(guān)戰(zhàn)略材料的國(guó)產(chǎn)替代，也是近年的主旋律。
前沿新材料的基礎(chǔ)理論逐漸成型，新的數(shù)字化材料設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，引入大數(shù)據(jù)分析等新興研究方法，都將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革。本篇文章，小編將為大家解析第三代半導(dǎo)體、鋰電材料和氫能這3大關(guān)鍵材料的未來(lái)發(fā)展圖景。
超越“摩爾定律”
第三代半導(dǎo)體材料創(chuàng)新“雨林”生機(jī)盎然
第三代半導(dǎo)體材料，指帶隙寬度明顯大于 Si（1.1eV）和 GaAs（1.4eV）的寬禁帶半導(dǎo)體材料，主要包括Ⅲ族氮化物（如GaN、AlN等）、碳化硅（SiC）、氧化物半導(dǎo)體（如ZnO、Ga?O?等）和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體。相對(duì)于第一代半導(dǎo)體材料Si和第二代半導(dǎo)體材料GaAs和InP，第三代半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高電子飽和率、高漂移速率以及高抗輻射能力等優(yōu)越性能。應(yīng)用也較為廣泛，覆蓋了中高壓電力電子轉(zhuǎn)換、毫米波射頻和高效半導(dǎo)體光電子等領(lǐng)域，是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要支撐。
- 氮化鎵（GaN）屬于人造化合物，之所以強(qiáng)調(diào)人造，是因?yàn)榇朔N材料需要在2000℃左右的高溫和近萬(wàn)個(gè)大氣壓下才能合成，這在自然界合成很困難。氮化鎵熔點(diǎn)為1700℃，到目前為止已知的GaN有三種晶體結(jié)構(gòu)，分別為纖鋅礦、閃鋅礦、和巖鹽礦。由于氮化鎵（GaN）具有更短的電流路徑、超低的電阻和電容等優(yōu)勢(shì)，氮化鎵（GaN）用于充電器的運(yùn)行速度，比傳統(tǒng)硅器件要快100倍。在高速開(kāi)關(guān)的情況下仍能保持高效率工作，所以，小米、華為、蘋(píng)果等消費(fèi)電子品牌商將氮化鎵（GaN）用于快充充電器產(chǎn)品。
- 碳化硅（SiC）也有類似的六方體結(jié)構(gòu)，碳化硅(SiC)比氮化鎵（GaN）研究更早，也是當(dāng)前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料。碳化硅(SiC) 在導(dǎo)熱率上具備更多的優(yōu)勢(shì)，因此在高功率應(yīng)用，比如高鐵、輸變電、新能源汽車(chē)以及工業(yè)控制等領(lǐng)域占據(jù)主要地位。
2017年，中國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)全面啟動(dòng)，中央和地方出臺(tái)相關(guān)政策加大對(duì)第三代半導(dǎo)體材料及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用扶持力度。
表丨中國(guó)第三代半導(dǎo)體材料相關(guān)政策（來(lái)源：各部委網(wǎng)站、DeepTech）
從市場(chǎng)情況來(lái)看，由于成本及技術(shù)原因，目前硅基半導(dǎo)體材料仍然是市場(chǎng)的主流。根據(jù)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示：2020年，碳化硅(SiC) 與氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體的全球市場(chǎng)約8.54億美元，SiC市場(chǎng)規(guī)模約為7.03億美元，GaN市場(chǎng)規(guī)模約為1.51億美元。而2020年全球整體功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)規(guī)模為180億美元至200億美元。所以，2020年碳化硅(SiC) 與氮化鎵（GaN）器件僅占整個(gè)功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)的4.2%至4.5%，整體滲透率并不高。根據(jù)Yole發(fā)布的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，2025年碳化硅(SiC)的市場(chǎng)規(guī)模為25億美金，2026年氮化鎵（GaN）市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為10億美金。第三代半導(dǎo)體材料和技術(shù)正在加速發(fā)展，在新一代顯示、5G移動(dòng)通信、相控陣?yán)走_(dá)、高效智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)、自動(dòng)駕駛、工業(yè)電源、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域展示出廣闊的、不可替代的應(yīng)用前景，并逐漸成為人工智能、未來(lái)智聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展的核心關(guān)鍵元器件的材料基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)將形成萬(wàn)億美元的應(yīng)用市場(chǎng)，成為新一代制造業(yè)必爭(zhēng)的戰(zhàn)略要地，成為全球各國(guó)提升未來(lái)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段和重要支撐。
跳躍在汽車(chē)電動(dòng)化浪尖
鋰電材料扛起“鏈主”擔(dān)當(dāng)
汽車(chē)電動(dòng)化浪潮驅(qū)動(dòng)鋰離子電池材料行業(yè)飛躍發(fā)展。不管從國(guó)家政策支持力度還是市場(chǎng)化發(fā)展程度來(lái)看，汽車(chē)電動(dòng)化已然成為不可阻擋的趨勢(shì)。旺盛的下游需求刺激了中國(guó)鋰電材料產(chǎn)業(yè)的迅速增長(zhǎng)。新能源汽車(chē)作為鋰離子電池的主要用戶，近年來(lái)增長(zhǎng)迅速。2020年中國(guó)新能源汽車(chē)銷售額占全球新能源汽車(chē)銷售額的40.7%，僅比歐洲少3.1個(gè)百分點(diǎn)。而在銷量方面，2021年中國(guó)新能源汽車(chē)銷量352.1萬(wàn)輛，連續(xù)七年銷量位居全球第一。在政策的支持下，中國(guó)鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。鋰電材料產(chǎn)業(yè)是中國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵，中國(guó)鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了政府政策的大力支持，在十幾年間各部委出臺(tái)了多元化鼓勵(lì)鋰電材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。
表丨支持鋰電材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展部分政策（來(lái)源：DeepTech）
鋰離子電池的“四大主材”——正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液，共同決定了鋰離子電池的性能，是新能源產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分。鋰電材料將持續(xù)向低成本、高性能、高安全性的方向發(fā)展。在過(guò)去的十幾年中，中國(guó)的鋰電材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，多種材料產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)，從進(jìn)口依賴到國(guó)產(chǎn)替代，直到現(xiàn)在大部分材料技術(shù)和產(chǎn)能均能與國(guó)際同行相匹敵，占據(jù)了全球鋰電材料產(chǎn)業(yè)的半壁江山。
- 在技術(shù)層面，正極材料的三元材料更具潛力，低鈷、無(wú)鈷化是方向。作為鋰離子電池性能關(guān)鍵材料，正極材料以高比容量、長(zhǎng)壽命、高安全性、低成本為發(fā)展方向。在富鋰錳基材料等新一代正極材料取得突破前，磷酸鐵鋰和三元材料將并駕齊驅(qū)。三元材料在比容量方面更具潛力，是近期正極材料產(chǎn)業(yè)發(fā)力的方向，其技術(shù)革新將帶來(lái)更多可能。
- 負(fù)極材料中石墨材料將長(zhǎng)期主導(dǎo)，新型材料尚需突破。石墨材料憑借成本優(yōu)勢(shì)還將長(zhǎng)期主導(dǎo)市場(chǎng)，硅基材料、金屬鋰材料尚不成熟，需要負(fù)極材料本身或配套電解液材料的技術(shù)突破才能真正邁向市場(chǎng)。
- 在電解液材料上，固態(tài)電解質(zhì)是發(fā)展趨勢(shì)。作為鋰離子電池安全性的基礎(chǔ)，未來(lái)的發(fā)展方向在于更穩(wěn)定、不易燃的基礎(chǔ)上盡可能追求高性能。在這樣的要求下，固態(tài)電解質(zhì)是非常理想的發(fā)展方向。
- 在隔膜材料上，涂層技術(shù)的發(fā)展將帶來(lái)更安全的電池、更高比容量的電池材料體系。隔膜除了在電池全生命周期阻隔正、負(fù)極實(shí)現(xiàn)被動(dòng)安全機(jī)制外，更需要針對(duì)高比容量正負(fù)極材料、高電壓正極材料等新型材料體系以及快充、極端溫度等工況場(chǎng)景發(fā)展具有溫度響應(yīng)、電壓響應(yīng)等主動(dòng)安全策略，提高電池性能的新型功能隔膜。
“頂層設(shè)計(jì)”出爐
突破關(guān)鍵材料瓶頸是氫能迅速發(fā)展的關(guān)鍵
人類需要一場(chǎng)清潔、低碳、安全、高效的能源變革?？稍偕茉慈缣?yáng)能、風(fēng)能、水電等受其固有的間歇性、波動(dòng)性限制，缺乏高效儲(chǔ)能手段導(dǎo)致大量能源浪費(fèi)。氫能作為一種潔凈的二次能源載體，可以由可再生能源高效轉(zhuǎn)化得到，且具備替代化石能源的潛能，是實(shí)現(xiàn)從化石能源到可再生能源的可持續(xù)循環(huán)中的關(guān)鍵一環(huán)。儲(chǔ)氫技術(shù)和氫燃料電池技術(shù)是限制氫能普及使用的瓶頸氫能產(chǎn)業(yè)鏈由制氫、氫氣儲(chǔ)運(yùn)和氫氣利用三部分組成。由于氫氣儲(chǔ)運(yùn)較為困難，氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)限制了氫能的大規(guī)模普及使用，高性能的儲(chǔ)氫材料將為氫能發(fā)展帶來(lái)革命性突破。在氫能利用環(huán)節(jié)，目前氫氣主要在工業(yè)生產(chǎn)中使用，尚不成熟的氫燃料電池技術(shù)限制了氫能的廣泛使用，而低成本高性能的氫燃料電池電堆則是行業(yè)突破的關(guān)鍵。氫能作為一種清潔能源，兼具高效、可持續(xù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一，是深入推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系的重要一環(huán)。以儲(chǔ)氫材料和氫燃料電池材料為代表的氫能關(guān)鍵材料在一定程度上決定了中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度， 是需要首先突破的技術(shù)瓶頸。
發(fā)展方向以高存儲(chǔ)密度與高安全性為主，儲(chǔ)氫材料是破局關(guān)鍵。氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸是氫能利用的關(guān)鍵一環(huán)，決定了氫能能否得到大規(guī)模應(yīng)用。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最為成熟的儲(chǔ)氫方式，目前的發(fā)展方向以高強(qiáng)度碳纖維儲(chǔ)氫瓶為主；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫主要用于軍工領(lǐng)域，民用難以普及；有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)在應(yīng)用前還需要技術(shù)上的突破。儲(chǔ)氫材料的研發(fā)方向應(yīng)從以下幾個(gè)方向入手：1. 原料易得成本低廉、能夠工業(yè)化制備、2. 向低密度材料努力，進(jìn)一步提高材料儲(chǔ)氫密度。
成本和壽命瓶頸限制了氫能的普及使用，因此低鉑、超低鉑或非鉑催化劑是研究重點(diǎn)。質(zhì)子交換膜層面，為了提升燃料電池性能，質(zhì)子交換膜呈現(xiàn) 超薄化趨勢(shì)。需要對(duì)各層間界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低燃料電池中的催化劑團(tuán)聚、流失現(xiàn)象，減少惡劣工況對(duì)燃料電池耐久性的影響。超薄化質(zhì)子交換膜可以降低質(zhì)子傳輸阻抗、提升自增濕能力，對(duì)燃料電池性能提升明顯，是發(fā)展趨勢(shì)所在。隨著全球能源低碳化轉(zhuǎn)型需求逐漸迫切，各國(guó)政府先后出臺(tái)政策鼓勵(lì)本國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國(guó)政府于2019年將氫能列入了清潔能源產(chǎn)業(yè)，并持續(xù)推出鼓勵(lì)政策，加速中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2022年3月23日，國(guó)家發(fā)改委推出《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035）》，為中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展制定了頂層規(guī)劃。
表 | 支持氫能材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展部分政策（來(lái)源：DeepTech）
結(jié)語(yǔ)
關(guān)鍵新材料是未來(lái)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)
此時(shí)正當(dāng)中國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，先進(jìn)半導(dǎo)體材料、新型鋰電材料和氫能材料等關(guān)鍵新材料重要性凸顯。這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，逐漸形成了鼓勵(lì)政策完善、研究體系成熟、產(chǎn)業(yè)鏈條完整的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。在市場(chǎng)和政策的雙重驅(qū)動(dòng)下，先進(jìn)半導(dǎo)體材料、新型鋰電材料、氫能材料等關(guān)鍵新材料的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，中國(guó)的關(guān)鍵新材料將邁上新的臺(tái)階。
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