3大领域！8大环节！中国关键新材料技术及创新生态发展深度解析
2023-02-01 17:37:04
作者：材料基 来源：材料基
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材料是人类赖以生存和发展的物质基础，也是人类社会发展的先导。回溯工业革命历程，每一次产业升级都需要材料的创新和进步的支撑。
新材料是指新近发展或正在发展的具有优异性能的结构材料和有特殊性质的功能材料。在当前新一代信息技术、新能源、智能制造等新兴产业迅速崛起的背景下，叠加中国“双碳”目标对新材料市场需求的拉动，部分处于产业链关键位置的新材料地位愈加凸显。碳中和将给上游材料端带来结构性机会，能源结构改革叠加产业升级，促进相关技术更新迭代，新材料产业迎来新的发展机遇。
在清洁能源使用领域，光储和氢能是新材料产业的重要突破口。传统钢铁行业、电力行业、建筑行业和交通行业的节能减排也将对新材料有需求，需要一定的传导周期。
新材料赋能其他学科，将产生交叉融合的机会，例如生物工艺以及材料的进步促进细胞治疗产品的生产和商业化。此外，国家政策支持战略材料的发展，例如半导体产业链上游相关战略材料的国产替代，也是近年的主旋律。
前沿新材料的基础理论逐渐成型，新的数字化材料设计方法的发展，引入大数据分析等新兴研究方法，都将促进产业变革。本篇文章，小编将为大家解析第三代半导体、锂电材料和氢能这3大关键材料的未来发展图景。
超越“摩尔定律”
第三代半导体材料创新“雨林”生机盎然
第三代半导体材料，指带隙宽度明显大于 Si（1.1eV）和 GaAs（1.4eV）的宽禁带半导体材料，主要包括Ⅲ族氮化物（如GaN、AlN等）、碳化硅（SiC）、氧化物半导体（如ZnO、Ga₂O₃等）和金刚石等宽禁带半导体。相对于第一代半导体材料Si和第二代半导体材料GaAs和InP，第三代半导体材料具有高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和率、高漂移速率以及高抗辐射能力等优越性能。应用也较为广泛，覆盖了中高压电力电子转换、毫米波射频和高效半导体光电子等领域，是制造业产业升级的重要支撑。
- 氮化镓（GaN）属于人造化合物，之所以强调人造，是因为此种材料需要在2000℃左右的高温和近万个大气压下才能合成，这在自然界合成很困难。氮化镓熔点为1700℃，到目前为止已知的GaN有三种晶体结构，分别为纤锌矿、闪锌矿、和岩盐矿。由于氮化镓（GaN）具有更短的电流路径、超低的电阻和电容等优势，氮化镓（GaN）用于充电器的运行速度，比传统硅器件要快100倍。在高速开关的情况下仍能保持高效率工作，所以，小米、华为、苹果等消费电子品牌商将氮化镓（GaN）用于快充充电器产品。
- 碳化硅（SiC）也有类似的六方体结构，碳化硅(SiC)比氮化镓（GaN）研究更早，也是当前发展最成熟的宽禁带半导体材料。碳化硅(SiC) 在导热率上具备更多的优势，因此在高功率应用，比如高铁、输变电、新能源汽车以及工业控制等领域占据主要地位。
2017年，中国第三代半导体产业全面启动，中央和地方出台相关政策加大对第三代半导体材料及产业化应用扶持力度。
表丨中国第三代半导体材料相关政策（来源：各部委网站、DeepTech）
从市场情况来看，由于成本及技术原因，目前硅基半导体材料仍然是市场的主流。根据机构数据显示：2020年，碳化硅(SiC) 与氮化镓（GaN）功率半导体的全球市场约8.54亿美元，SiC市场规模约为7.03亿美元，GaN市场规模约为1.51亿美元。而2020年全球整体功率半导体器件市场规模为180亿美元至200亿美元。所以，2020年碳化硅(SiC) 与氮化镓（GaN）器件仅占整个功率半导体器件市场的4.2%至4.5%，整体渗透率并不高。根据Yole发布的数据预测，2025年碳化硅(SiC)的市场规模为25亿美金，2026年氮化镓（GaN）市场规模预测数据为10亿美金。第三代半导体材料和技术正在加速发展，在新一代显示、5G移动通信、相控阵雷达、高效智能电网、新能源汽车、自动驾驶、工业电源、消费类电子产品等领域展示出广阔的、不可替代的应用前景，并逐渐成为人工智能、未来智联网等发展的核心关键元器件的材料基础。预计将形成万亿美元的应用市场，成为新一代制造业必争的战略要地，成为全球各国提升未来核心竞争力的重要手段和重要支撑。汽车电动化浪潮驱动锂离子电池材料行业飞跃发展。不管从国家政策支持力度还是市场化发展程度来看，汽车电动化已然成为不可阻挡的趋势。旺盛的下游需求刺激了中国锂电材料产业的迅速增长。新能源汽车作为锂离子电池的主要用户，近年来增长迅速。2020年中国新能源汽车销售额占全球新能源汽车销售额的40.7%，仅比欧洲少3.1个百分点。而在销量方面，2021年中国新能源汽车销量352.1万辆，连续七年销量位居全球第一。在政策的支持下，中国锂离子电池材料产业蓬勃发展。锂电材料产业是中国新能源汽车发展的关键，中国锂电池产业的发展得到了政府政策的大力支持，在十几年间各部委出台了多元化鼓励锂电材料产业发展的政策。
表丨支持锂电材料产业发展部分政策（来源：DeepTech）
锂离子电池的“四大主材”——正极材料、负极材料、隔膜和电解液，共同决定了锂离子电池的性能，是新能源产业链的重要组成部分。锂电材料将持续向低成本、高性能、高安全性的方向发展。在过去的十几年中，中国的锂电材料产业发展迅速，多种材料产业从无到有，从弱到强，从进口依赖到国产替代，直到现在大部分材料技术和产能均能与国际同行相匹敌，占据了全球锂电材料产业的半壁江山。
- 在技术层面，正极材料的三元材料更具潜力，低钴、无钴化是方向。作为锂离子电池性能关键材料，正极材料以高比容量、长寿命、高安全性、低成本为发展方向。在富锂锰基材料等新一代正极材料取得突破前，磷酸铁锂和三元材料将并驾齐驱。三元材料在比容量方面更具潜力，是近期正极材料产业发力的方向，其技术革新将带来更多可能。
- 负极材料中石墨材料将长期主导，新型材料尚需突破。石墨材料凭借成本优势还将长期主导市场，硅基材料、金属锂材料尚不成熟，需要负极材料本身或配套电解液材料的技术突破才能真正迈向市场。
- 在电解液材料上，固态电解质是发展趋势。作为锂离子电池安全性的基础，未来的发展方向在于更稳定、不易燃的基础上尽可能追求高性能。在这样的要求下，固态电解质是非常理想的发展方向。
- 在隔膜材料上，涂层技术的发展将带来更安全的电池、更高比容量的电池材料体系。隔膜除了在电池全生命周期阻隔正、负极实现被动安全机制外，更需要针对高比容量正负极材料、高电压正极材料等新型材料体系以及快充、极端温度等工况场景发展具有温度响应、电压响应等主动安全策略，提高电池性能的新型功能隔膜。
“顶层设计”出炉
突破关键材料瓶颈是氢能迅速发展的关键
人类需要一场清洁、低碳、安全、高效的能源变革。可再生能源如太阳能、风能、水电等受其固有的间歇性、波动性限制，缺乏高效储能手段导致大量能源浪费。氢能作为一种洁净的二次能源载体，可以由可再生能源高效转化得到，且具备替代化石能源的潜能，是实现从化石能源到可再生能源的可持续循环中的关键一环。氢能产业链由制氢、氢气储运和氢气利用三部分组成。由于氢气储运较为困难，氢气储运环节限制了氢能的大规模普及使用，高性能的储氢材料将为氢能发展带来革命性突破。在氢能利用环节，目前氢气主要在工业生产中使用，尚不成熟的氢燃料电池技术限制了氢能的广泛使用，而低成本高性能的氢燃料电池电堆则是行业突破的关键。氢能作为一种清洁能源，兼具高效、可持续等诸多优点，正在逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一，是深入推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系的重要一环。以储氢材料和氢燃料电池材料为代表的氢能关键材料在一定程度上决定了中国氢能产业的发展速度， 是需要首先突破的技术瓶颈。
发展方向以高存储密度与高安全性为主，储氢材料是破局关键。氢的储存与运输是氢能利用的关键一环，决定了氢能能否得到大规模应用。高压气态储氢是目前最为成熟的储氢方式，目前的发展方向以高强度碳纤维储氢瓶为主；低温液态储氢主要用于军工领域，民用难以普及；有机液态储氢和固态储氢技术在应用前还需要技术上的突破。储氢材料的研发方向应从以下几个方向入手：1. 原料易得成本低廉、能够工业化制备、2. 向低密度材料努力，进一步提高材料储氢密度。
成本和寿命瓶颈限制了氢能的普及使用，因此低铂、超低铂或非铂催化剂是研究重点。质子交换膜层面，为了提升燃料电池性能，质子交换膜呈现 超薄化趋势。需要对各层间界面结构进行优化设计，降低燃料电池中的催化剂团聚、流失现象，减少恶劣工况对燃料电池耐久性的影响。超薄化质子交换膜可以降低质子传输阻抗、提升自增湿能力，对燃料电池性能提升明显，是发展趋势所在。随着全球能源低碳化转型需求逐渐迫切，各国政府先后出台政策鼓励本国氢能产业发展。中国政府于2019年将氢能列入了清洁能源产业，并持续推出鼓励政策，加速中国氢能产业发展。2022年3月23日，国家发改委推出《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》，为中国氢能产业发展制定了顶层规划。
表 | 支持氢能材料产业发展部分政策（来源：DeepTech）
结语
关键新材料是未来高新技术产业发展的基石和先导
此时正当中国产业升级转型的关键时期，先进半导体材料、新型锂电材料和氢能材料等关键新材料重要性凸显。这些产业发展迅速，逐渐形成了鼓励政策完善、研究体系成熟、产业链条完整的创新生态系统。在市场和政策的双重驱动下，先进半导体材料、新型锂电材料、氢能材料等关键新材料的技术和产业发展迅速。在可以预见的未来，中国的关键新材料将迈上新的台阶。
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