3大領域！8大環節！中國關鍵新材料技術及創新生態發展深度解析
2023-02-01 17:37:04
作者：材料基 來源：材料基
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材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，也是人類社會發展的先導。回溯工業革命歷程，每一次產業升級都需要材料的創新和進步的支撐。
新材料是指新近發展或正在發展的具有優異性能的結構材料和有特殊性質的功能材料。在當前新一代信息技術、新能源、智能制造等新興產業迅速崛起的背景下，疊加中國“雙碳”目標對新材料市場需求的拉動，部分處于產業鏈關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結構性機會，能源結構改革疊加產業升級，促進相關技術更新迭代，新材料產業迎來新的發展機遇。
在清潔能源使用領域，光儲和氫能是新材料產業的重要突破口。傳統鋼鐵行業、電力行業、建筑行業和交通行業的節能減排也將對新材料有需求，需要一定的傳導周期。
新材料賦能其他學科，將產生交叉融合的機會，例如生物工藝以及材料的進步促進細胞治療產品的生產和商業化。此外，國家政策支持戰略材料的發展，例如半導體產業鏈上游相關戰略材料的國產替代，也是近年的主旋律。
前沿新材料的基礎理論逐漸成型，新的數字化材料設計方法的發展，引入大數據分析等新興研究方法，都將促進產業變革。本篇文章，小編將為大家解析第三代半導體、鋰電材料和氫能這3大關鍵材料的未來發展圖景。
超越“摩爾定律”
第三代半導體材料創新“雨林”生機盎然
第三代半導體材料，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）、氧化物半導體（如ZnO、Ga?O?等）和金剛石等寬禁帶半導體。相對于第一代半導體材料Si和第二代半導體材料GaAs和InP，第三代半導體材料具有高擊穿電場強度、高熱導率、高電子飽和率、高漂移速率以及高抗輻射能力等優越性能。應用也較為廣泛，覆蓋了中高壓電力電子轉換、毫米波射頻和高效半導體光電子等領域，是制造業產業升級的重要支撐。
- 氮化鎵（GaN）屬于人造化合物，之所以強調人造，是因為此種材料需要在2000℃左右的高溫和近萬個大氣壓下才能合成，這在自然界合成很困難。氮化鎵熔點為1700℃，到目前為止已知的GaN有三種晶體結構，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勢，氮化鎵（GaN）用于充電器的運行速度，比傳統硅器件要快100倍。在高速開關的情況下仍能保持高效率工作，所以，小米、華為、蘋果等消費電子品牌商將氮化鎵（GaN）用于快充充電器產品。
- 碳化硅（SiC）也有類似的六方體結構，碳化硅(SiC)比氮化鎵（GaN）研究更早，也是當前發展最成熟的寬禁帶半導體材料。碳化硅(SiC) 在導熱率上具備更多的優勢，因此在高功率應用，比如高鐵、輸變電、新能源汽車以及工業控制等領域占據主要地位。
2017年，中國第三代半導體產業全面啟動，中央和地方出臺相關政策加大對第三代半導體材料及產業化應用扶持力度。
表丨中國第三代半導體材料相關政策（來源：各部委網站、DeepTech）
從市場情況來看，由于成本及技術原因，目前硅基半導體材料仍然是市場的主流。根據機構數據顯示：2020年，碳化硅(SiC) 與氮化鎵（GaN）功率半導體的全球市場約8.54億美元，SiC市場規模約為7.03億美元，GaN市場規模約為1.51億美元。而2020年全球整體功率半導體器件市場規模為180億美元至200億美元。所以，2020年碳化硅(SiC) 與氮化鎵（GaN）器件僅占整個功率半導體器件市場的4.2%至4.5%，整體滲透率并不高。根據Yole發布的數據預測，2025年碳化硅(SiC)的市場規模為25億美金，2026年氮化鎵（GaN）市場規模預測數據為10億美金。第三代半導體材料和技術正在加速發展，在新一代顯示、5G移動通信、相控陣雷達、高效智能電網、新能源汽車、自動駕駛、工業電源、消費類電子產品等領域展示出廣闊的、不可替代的應用前景，并逐漸成為人工智能、未來智聯網等發展的核心關鍵元器件的材料基礎。預計將形成萬億美元的應用市場，成為新一代制造業必爭的戰略要地，成為全球各國提升未來核心競爭力的重要手段和重要支撐。汽車電動化浪潮驅動鋰離子電池材料行業飛躍發展。不管從國家政策支持力度還是市場化發展程度來看，汽車電動化已然成為不可阻擋的趨勢。旺盛的下游需求刺激了中國鋰電材料產業的迅速增長。新能源汽車作為鋰離子電池的主要用戶，近年來增長迅速。2020年中國新能源汽車銷售額占全球新能源汽車銷售額的40.7%，僅比歐洲少3.1個百分點。而在銷量方面，2021年中國新能源汽車銷量352.1萬輛，連續七年銷量位居全球第一。在政策的支持下，中國鋰離子電池材料產業蓬勃發展。鋰電材料產業是中國新能源汽車發展的關鍵，中國鋰電池產業的發展得到了政府政策的大力支持，在十幾年間各部委出臺了多元化鼓勵鋰電材料產業發展的政策。
表丨支持鋰電材料產業發展部分政策（來源：DeepTech）
鋰離子電池的“四大主材”——正極材料、負極材料、隔膜和電解液，共同決定了鋰離子電池的性能，是新能源產業鏈的重要組成部分。鋰電材料將持續向低成本、高性能、高安全性的方向發展。在過去的十幾年中，中國的鋰電材料產業發展迅速，多種材料產業從無到有，從弱到強，從進口依賴到國產替代，直到現在大部分材料技術和產能均能與國際同行相匹敵，占據了全球鋰電材料產業的半壁江山。
- 在技術層面，正極材料的三元材料更具潛力，低鈷、無鈷化是方向。作為鋰離子電池性能關鍵材料，正極材料以高比容量、長壽命、高安全性、低成本為發展方向。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。三元材料在比容量方面更具潛力，是近期正極材料產業發力的方向，其技術革新將帶來更多可能。
- 負極材料中石墨材料將長期主導，新型材料尚需突破。石墨材料憑借成本優勢還將長期主導市場，硅基材料、金屬鋰材料尚不成熟，需要負極材料本身或配套電解液材料的技術突破才能真正邁向市場。
- 在電解液材料上，固態電解質是發展趨勢。作為鋰離子電池安全性的基礎，未來的發展方向在于更穩定、不易燃的基礎上盡可能追求高性能。在這樣的要求下，固態電解質是非常理想的發展方向。
- 在隔膜材料上，涂層技術的發展將帶來更安全的電池、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、負極實現被動安全機制外，更需要針對高比容量正負極材料、高電壓正極材料等新型材料體系以及快充、極端溫度等工況場景發展具有溫度響應、電壓響應等主動安全策略，提高電池性能的新型功能隔膜。
“頂層設計”出爐
突破關鍵材料瓶頸是氫能迅速發展的關鍵
人類需要一場清潔、低碳、安全、高效的能源變革。可再生能源如太陽能、風能、水電等受其固有的間歇性、波動性限制，缺乏高效儲能手段導致大量能源浪費。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化得到，且具備替代化石能源的潛能，是實現從化石能源到可再生能源的可持續循環中的關鍵一環。氫能產業鏈由制氫、氫氣儲運和氫氣利用三部分組成。由于氫氣儲運較為困難，氫氣儲運環節限制了氫能的大規模普及使用，高性能的儲氫材料將為氫能發展帶來革命性突破。在氫能利用環節，目前氫氣主要在工業生產中使用，尚不成熟的氫燃料電池技術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突破的關鍵。氫能作為一種清潔能源，兼具高效、可持續等諸多優點，正在逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一，是深入推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系的重要一環。以儲氫材料和氫燃料電池材料為代表的氫能關鍵材料在一定程度上決定了中國氫能產業的發展速度， 是需要首先突破的技術瓶頸。
發展方向以高存儲密度與高安全性為主，儲氫材料是破局關鍵。氫的儲存與運輸是氫能利用的關鍵一環，決定了氫能能否得到大規模應用。高壓氣態儲氫是目前最為成熟的儲氫方式，目前的發展方向以高強度碳纖維儲氫瓶為主；低溫液態儲氫主要用于軍工領域，民用難以普及；有機液態儲氫和固態儲氫技術在應用前還需要技術上的突破。儲氫材料的研發方向應從以下幾個方向入手：1. 原料易得成本低廉、能夠工業化制備、2. 向低密度材料努力，進一步提高材料儲氫密度。
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。質子交換膜層面，為了提升燃料電池性能，質子交換膜呈現 超薄化趨勢。需要對各層間界面結構進行優化設計，降低燃料電池中的催化劑團聚、流失現象，減少惡劣工況對燃料電池耐久性的影響。超薄化質子交換膜可以降低質子傳輸阻抗、提升自增濕能力，對燃料電池性能提升明顯，是發展趨勢所在。隨著全球能源低碳化轉型需求逐漸迫切，各國政府先后出臺政策鼓勵本國氫能產業發展。中國政府于2019年將氫能列入了清潔能源產業，并持續推出鼓勵政策，加速中國氫能產業發展。2022年3月23日，國家發改委推出《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035）》，為中國氫能產業發展制定了頂層規劃。
表 | 支持氫能材料產業發展部分政策（來源：DeepTech）
結語
關鍵新材料是未來高新技術產業發展的基石和先導
此時正當中國產業升級轉型的關鍵時期，先進半導體材料、新型鋰電材料和氫能材料等關鍵新材料重要性凸顯。這些產業發展迅速，逐漸形成了鼓勵政策完善、研究體系成熟、產業鏈條完整的創新生態系統。在市場和政策的雙重驅動下，先進半導體材料、新型鋰電材料、氫能材料等關鍵新材料的技術和產業發展迅速。在可以預見的未來，中國的關鍵新材料將邁上新的臺階。
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