“雙碳”目標下我國新材料重點方向發(fā)展研究

潘科 徐海濤 馮祥奕

(重慶信息通信研究院，重慶401336)

0 引言

2009年12月，哥本哈根氣候大會召開，低碳開始成為全球關注的焦點問題，低碳經(jīng)濟時代到來。低碳經(jīng)濟概念首先由英國提出，其本質是通過技術創(chuàng)新和制度創(chuàng)新提高能源效率和能源結構的問題。低碳經(jīng)濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經(jīng)濟模式，低碳經(jīng)濟主要從兩個方面帶動實體經(jīng)濟的發(fā)展，一個是激發(fā)新能源產(chǎn)業(yè)的活力，另一個是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的低碳化轉型升級。新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展面臨一系列材料“卡脖子”關鍵問題，新材料的發(fā)展是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提升能效和降低排放的基礎[1]。2020年9月，在第七十五屆聯(lián)合國大會上，中國向全世界莊嚴承諾，力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和?！疤歼_峰和碳中和”(簡稱“雙碳”)目標為我國新材料產(chǎn)業(yè)的轉型發(fā)展提供了動力和舞臺。

新材料指新近研究成功或正在研制中的高性能結構材料和具有特殊性質的功能材料。作為當今材料科技發(fā)展最活躍的產(chǎn)業(yè)領域之一，新材料產(chǎn)業(yè)已成為決定一國高端制造及國防安全的關鍵因素，是支撐新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎性產(chǎn)業(yè)。全球新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大且維持穩(wěn)中有升的發(fā)展態(tài)勢，2010—2019年，全球新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模從4 000億美元增加到2.8萬億美元，平均增長率近10%[2]。長期以來，新材料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新主體主要是美國、日本和歐洲眾發(fā)達國家，各地區(qū)的大型跨國公司在經(jīng)濟實力、研發(fā)能力、核心技術等方面居全球壟斷地位；中國、韓國、俄羅斯占據(jù)全球第二梯度，我國的半導體照明、稀土永磁材料等在全球具有一定的優(yōu)勢和市場；除了巴西和印度等少數(shù)國家，大多數(shù)發(fā)展中國家的新材料產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，地區(qū)差異日益明顯。

1 我國新材料產(chǎn)業(yè)節(jié)能降碳相關政策

從全球新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展上看，世界各國/組織都在積極地將新材料的發(fā)展與綠色、低碳經(jīng)濟結合起來。各國/組織高度重視新材料與資源、環(huán)境和能源的協(xié)調發(fā)展，大力推進與綠色發(fā)展密切相關的新材料、技術、產(chǎn)品開發(fā)與應用。美國在新能源材料、輕合金、氫燃料電池、納米材料、生物材料、節(jié)能材料等新材料領域進行了規(guī)劃和布局；歐盟將催化劑、光學材料、光電材料、生物醫(yī)學材料等列為十大重點領域；德國和英國在清潔能源和產(chǎn)業(yè)低碳化方面卓有成效，其新材料發(fā)展也從新能源材料研發(fā)和滿足低碳產(chǎn)業(yè)化的需求等上面制定戰(zhàn)略。各國/組織新材料領域戰(zhàn)略計劃中關于節(jié)能降碳重點方向的總結如表1所示。

表1 國外新材料產(chǎn)業(yè)節(jié)能降碳方向政策總結[3]

近年來，我國國內產(chǎn)生了若干具有創(chuàng)新能力、核心技術、銷售收入超過百億元的新材料龍頭企業(yè)，建成了一批主業(yè)突出、配套齊全、產(chǎn)值超過300億元的新材料產(chǎn)業(yè)集群。但是，在信息顯示、運載工具、能源動力、高檔數(shù)控機場和機器人五大領域所常用的244種關鍵材料中，我國僅有13項材料國際領先、39項材料國際先進[4]。我國是材料大國，各領域均有建樹，材料體系完整；但我國不是材料強國，產(chǎn)業(yè)基礎能力不足，新材料核心技術尚需逐一突破。

低碳經(jīng)濟是可持續(xù)發(fā)展的內在需求，中國對綠色、低碳新材料的需求會愈加強烈。“十二五”以來，我國政府高度重視新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，出臺了一系列新材料發(fā)展規(guī)劃(見表2)。我國早期的冶金、化工等行業(yè)是以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價實現(xiàn)高速發(fā)展，能耗高、污染大，生態(tài)欠賬多。2014年，國家發(fā)展和改革委員會、財政部和工業(yè)和信息化部發(fā)布《關鍵材料升級換代工程實施方案》，至此我國開始在新材料發(fā)展規(guī)劃中針對節(jié)約能耗和綠色發(fā)展提出明確的目標和方向。我國將新材料定義為先進基礎材料、關鍵戰(zhàn)略材料和前沿基礎材料。根據(jù)國家規(guī)劃指示，與節(jié)能、減排、綠色相關的新材料領域主要包括輕合金、綠色建筑材料、生物材料、先進化工材料、新能源材料、耐熱材料等。

表2 近10年中國新材料產(chǎn)業(yè)節(jié)能降碳重點方向總結

2 新材料重點領域發(fā)展分析

新能源材料的開發(fā)促進了新能源系統(tǒng)的誕生，新能源材料的使用直接影響著新能源系統(tǒng)的運行效率、投資與運行成本。新能源材料是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎，加速突破新能源材料關鍵技術成為當務之急。全球源自建筑建造和運營的二氧化碳排放占全球與能源相關碳排放的比重超過60%，建筑領域是實現(xiàn)整體碳達峰的關鍵一環(huán)。隨著綠色建材評價標識工作的深入開展，加快將綠色建材相關要求納入綠色建筑的政策和標準中，實現(xiàn)上下游的實際聯(lián)系，必將促成綠色建筑倒推綠色建材的互動發(fā)展模式。在低能耗和低碳排放的約束條件下，“雙碳”戰(zhàn)略為化工新材料產(chǎn)業(yè)帶來技術驅動力，壓縮落后產(chǎn)能，鼓勵新型工藝，倒逼環(huán)保和低碳放新材料取代高排放、高能耗舊材料，擴大了現(xiàn)有化工新材料的應用需求。

2.1 新能源材料

在全球碳中和大背景下，能源格局從化石能源占絕對主導朝著低碳多能融合方向轉變。隨著我國承諾“雙碳”目標，政府對可再生能源發(fā)電和儲能技術開發(fā)日益重視，先后出臺了一系列政策，啟動重大研發(fā)項目開展技術研究，并部署了一大批可再生能源發(fā)電、分布式能源、儲能等類型的示范工程。新能源材料定義為支撐新能源發(fā)展的、具有能量儲存和轉換功能的功能材料或結構功能一體化材料。新能源材料根據(jù)應用領域可分為儲能材料、光伏材料、電池材料、新能源汽車材料等(見圖1)。

圖1 新能源材料產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

新能源汽車是低碳經(jīng)濟中最基本的消費品，同時也很有潛力在能源互聯(lián)互通的“能源互聯(lián)網(wǎng)”時代成為基本的能源傳輸單位。新能源汽車推動了整個汽車行業(yè)使用輕合金替代傳統(tǒng)鋼材實現(xiàn)輕量化，鎂、鋁、鈦及其合金在汽車、艦船、航空航天等領域都是最理想的輕量化結構材料。相比傳統(tǒng)交通工具，新能源汽車使用的銅線組超過傳統(tǒng)汽車4倍，超過90 kg銅/車[5]。銅線組在光伏、海上風電等新能源基礎設施中的用量也十分可觀。擁有高于釤鈷永磁材料的磁性能和低于稀土永磁材料的價格，釹鐵硼永磁材料被應用于更輕、更小、更高效的新能源汽車永磁同步電機和其他零件中，單車消耗量達到2.5 kg以上。2020年全國新能源汽車累計消耗釹鐵硼超過3 400 t[6]，釹鐵硼永磁材料在節(jié)能電梯、直驅風力發(fā)電機、變頻空調等節(jié)能領域也有應用。

儲能系統(tǒng)作為能量存儲和轉化設備，是解決可再生能源不穩(wěn)定性的關鍵技術。儲能技術分為物理儲能和化學儲能，物理儲能的技術相對成熟，相變儲能材料是脫碳化時代的重點發(fā)展方向之一。相變材料的種類繁多, 按照材料結構分類, 可分為有機相變材料、無機相變材料與金屬材料。目前，相變儲能在實際應用中存在著使用壽命不理想、與載體復合機制不明導致儲能效果不佳、相變溫度導致使用環(huán)境受限等技術難題?；瘜W儲能包含電池儲能和超級電容儲熱，電池儲能相較于其他技術，受地理環(huán)境影響小，電能儲存、釋放、調度調控更靈活。隨著使用成本、能量密度、安全可靠等關鍵技術問題得到逐步解決，電池將成為儲能新增裝機的主流，發(fā)展前景廣闊。

當前電池技術的能量密度無法支撐未來數(shù)百億瓦時(GWh)的儲能需求，先進鋰離子電池將只是能量存儲的一個過渡性解決方案，開發(fā)來源豐富且可循環(huán)使用的燃料電池儲能技術，將其作為傳統(tǒng)電池持久、安全的補充方案是非常必要的。質子交換膜燃料電池(PEMFC)技術具有工作溫度低、啟動速度快、環(huán)境友好等優(yōu)點，是當前應用最廣的燃料電池。目前，PEMFC的研究重點為具有更高催化活性、更低成本的新膜電極材料，包括低鉑系和非鉑系電極。對比PEMFC的高成本、低能量密度不足，固體氧化物燃料電池(SOFC)具有發(fā)電效率高、燃料適應性強、幾乎沒有顆粒物/NOx/SOx排放、可實現(xiàn)熱點連供等優(yōu)點。SOFC的工作溫度區(qū)間為650 ℃～800 ℃，可使用廉價的氧化物電極代替昂貴的貴金屬催化劑，但較高的工作溫度對電池結構材料的綜合性能提出了很大的挑戰(zhàn)。國產(chǎn)連接體材料在使用壽命和綜合性能上較德國、日本進口材料都有不小的差距，價格更是相差數(shù)十倍，這大幅提高了國產(chǎn)SOFC的制造成本。

2.2 新型綠色建筑材料

新型綠色建筑材料一般定義為采用清潔生產(chǎn)技術，不用或少用天然資源和能源，大量使用工農(nóng)業(yè)或城市固態(tài)廢棄物生產(chǎn)的，無毒、無污染、低排放、易回收的環(huán)境和人體健康友好型建筑材料。 “雙碳”目標對高能耗、高排放的建筑行業(yè)節(jié)能環(huán)保工作提出了更高的要求，進一步提升建筑材料綠色化水平是建筑材料領域科學研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。新型綠色建筑材料主要包括水泥、混凝土、綠色墻體材料、保溫隔熱材料以及綠色裝飾材料等，其產(chǎn)業(yè)鏈結構如圖2所示。

圖2 新型綠色建筑材料產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

水泥是土木工程中最重要的建筑材料，其生產(chǎn)過程排放的溫室氣體占全產(chǎn)業(yè)溫室氣體總排放量的7%[7]，屬于溫室氣體排放重點監(jiān)控行業(yè)之一。降低單位水泥生產(chǎn)碳排放是降低水泥產(chǎn)業(yè)溫室氣體總排放的唯一路徑。在水泥中摻入粉煤灰、礦渣、硅灰等輔助性膠凝材料取代部分熟料，能夠有效降低水泥碳排放。面對因鋼鐵煤炭產(chǎn)業(yè)大幅減產(chǎn)導致輔助性凝膠材料產(chǎn)能告急的困境，國內外研究機構正在探索入脫硫石膏、建筑垃圾細粉、赤泥等固廢，天然火山灰、石灰石粉、鋼銅渣等新型輔料。硫鋁酸鹽生產(chǎn)中碳排放較硅酸鹽水泥更低，高貝利特硫鋁酸鹽水泥等特種水泥有望取代或部分取代硅酸鹽水泥熟料的膠凝材料體系。

降低混泥土生產(chǎn)和服役過程中碳排放的方法主要有減少混泥土中熟料和膠凝材料的使用量、利用固體廢棄物原材料、提升混凝土壽命、提高混凝土二氧化碳吸附等。目前，低碳混凝土一般通過提高粉煤灰摻入量(HVFAC)，或加入流變調控聚合物外加劑、微納米降粘材料、無機膨脹材料、有機減縮外加劑等制成超高性能混凝土(UHPC)、超高強度混凝土(UHSC)、自密實混凝土(SCC)、低聚物混凝土(GPC)等。

綠色墻體材料、保溫隔熱材料以及綠色裝飾材料等也是綠色建筑材料的重點發(fā)展方向。新型綠色墻體材料具有自重輕、隔音效果好、節(jié)能效果好、經(jīng)濟實惠等特點，一般選擇粉煤灰、礦渣灰及混凝土空心砌塊等作為墻體的環(huán)保材料。氣凝膠、復合硅酸鹽、天然礦物膨脹物等是低碳綠色的保溫隔熱材料，氣凝膠的多孔結構讓其擁有多倍于傳統(tǒng)玻璃纖維或泡沫絕緣材料的隔熱能力。真空玻璃有傳統(tǒng)玻璃無法比擬的優(yōu)勢，其使用壽命遠遠長于普通玻璃，并且其隔熱、隔音、保溫效果非常好，可以充分利用太陽光等自然光線來調節(jié)室內溫度，達到綠色節(jié)能效果?？裳h(huán)利用、自修復、自監(jiān)測等類型智能建筑材料也是未來的重要發(fā)展方向。

2.3 先進化工新材料

先進化工是國民經(jīng)濟的重要基礎性、先導性產(chǎn)業(yè)，技術含量和附加值高，是推動我國由石油化工大國向強國跨越的重點關鍵領域，也是化工行業(yè)轉型升級的重要方向。我國化工材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)幾個特點，一是發(fā)展快、需求量高；二是產(chǎn)業(yè)配套能力不足，化工基礎原材料質量不穩(wěn)定；三是自主創(chuàng)新能力不足，原材料、高端產(chǎn)品、核心技術裝備大量依賴進口。如圖3所示，聚碳酸酯、聚氨酯、高端聚烯烴、橡膠、石墨烯等化工材料被大量用于我國制造業(yè)，也是諸如光伏、儲能、新能源等綠色新興產(chǎn)業(yè)的重要原材料。

圖3 先進化工新材料重點方向產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

因耐沖擊、高耐熱、高透明等特性，聚碳酸酯在電子電器、光學薄膜、汽車等主力市場應用持續(xù)上升，2019年其消費量達到230萬噸，同比增速超過22%，同時其在綠色溶劑、非光氣聚碳、非光氣聚氨酯、新能源鋰電、綠色藥物合成等綠色新興領域還有很大的拓展空間。我國聚碳酸酯對外依存度超過65%[8]，其上游苯酚、丙酮、雙酚A產(chǎn)業(yè)國內產(chǎn)能有待繼續(xù)擴張。“雙碳”目標為聚氨酯保溫材料、涂料、復合材料、膠黏劑、彈性體等帶來新的發(fā)展機遇，我國聚氨酯主要原材料產(chǎn)能均超過全球產(chǎn)能的1/3，制品產(chǎn)值為3 200億元[9]，在建材、氨綸、合成革和汽車等領域其下游產(chǎn)品的產(chǎn)量均居世界第一。聚四氟乙烯(PTFE)樹脂是目前介電常數(shù)最低的高分子材料，廣泛用于制備5G基站覆銅板，同時也是全球消費量占比超過一半的含氟聚合物，未來在線纜和節(jié)能環(huán)保領域的應用會持續(xù)加大。PTFE的產(chǎn)能占全球40%以上[10]，但是以注塑型中低端產(chǎn)品為主，高端化、高附加值是我國PTFE及聚氨酯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。光伏、儲能膜、新能源汽車等新興市場對我國聚烯烴產(chǎn)業(yè)提出了高端化需求，我國聚烯烴產(chǎn)品以中低端通用料為主，高端產(chǎn)品以及生產(chǎn)技術嚴重依賴進口，產(chǎn)品自給率僅為44%，生產(chǎn)工藝依存度已超過90%，其中超過46%的產(chǎn)能是采用尤尼維訊公司的Unipol氣相工藝，超過17%的產(chǎn)能采用利安德巴塞爾公司的淤漿法工藝，其他工藝也多采用國外技術生產(chǎn)工藝[11]?！半p碳”目標為橡膠產(chǎn)業(yè)同樣帶來了新的機遇，即再生橡膠、天然橡膠和生物基合成橡膠。目前，國外的生物基合成橡膠體系已經(jīng)發(fā)展到第三代，在全球低碳經(jīng)濟時代將有很大的市場潛力。

石墨烯是目前自然界最薄、強度最高、導電導熱性能最強，同時兼?zhèn)浜芎盟苄缘囊环N新型納米材料，石墨烯、富勒烯、碳纖維等無機化工新材料被廣泛用作各類輕量復合材料、綠色建筑材料添加劑，同時還是電池電極、光電元件、污染治理、氫氣儲存、高性能功能材料等綠色新興產(chǎn)業(yè)的重要原材料[12]。中國在石墨烯科學研究和產(chǎn)業(yè)化方面已經(jīng)走在世界的前列。2020年，中國大陸發(fā)表的石墨烯論文數(shù)量占全球同類論文的比重超過3成；中國石墨烯相關專利申請占全球同類專利申請的比重接近7成[13]；中國石墨烯企業(yè)總數(shù)量已經(jīng)達到 1.2萬家，全國各地建立了29個石墨烯產(chǎn)業(yè)園、54家石墨烯研究院、8個石墨烯創(chuàng)新中心，但重復建設現(xiàn)象嚴重，且未能和當?shù)禺a(chǎn)業(yè)充分結合；石墨烯產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新主力依靠以材料生產(chǎn)為主的中小企業(yè)，高價值應用(光電器件、半導體、集成電路等)研究不足，近8成石墨烯下游產(chǎn)品集中在石墨烯加熱器、理療、可穿戴產(chǎn)品、涂料、導電添加劑等中低端領域[13]，技術門檻低、產(chǎn)品附加值低、高成本等因素導致行業(yè)整體虧損，盈利模式尚需進一步探索，全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)體系脆弱?？梢?，國內外石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在明顯差距。

3 發(fā)展建議

與其他國家相比，我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有資源優(yōu)勢和市場優(yōu)勢。許多地區(qū)的新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，一些領域已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和集群效應。目前，我國新材料產(chǎn)業(yè)普遍存在產(chǎn)品低端，高附加值的產(chǎn)品和技術非常匱乏，多項“卡脖子”關鍵技術尚需突破，各領域頂級團隊和高端人才儲備不足，配套支撐不足，技術成果轉化效率低等問題?！半p碳”大目標為我國新材料產(chǎn)業(yè)的整備前行提供了很好的機會，同時也非常需要政府提供財政、統(tǒng)籌等支持手段，具體包含以下幾方面。

(1)加強頂層設計，明確目標方向。以綠色低碳發(fā)展為總體原則，基于當?shù)匦虏牧仙嫌萎a(chǎn)業(yè)基礎和下游需求制定新材料發(fā)展戰(zhàn)略，突出對重點行業(yè)的聚焦支持，杜絕投資碎片化。加強國家對新材料基礎研究的投入，高度重視當前處于研發(fā)階段的前沿新材料，適度超前安排。加快完善有利于推動新材料產(chǎn)業(yè)進步的政策和法規(guī)體系，引導制定新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導目錄和投資指南，完善產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、資金鏈，構建持續(xù)發(fā)展的動力機制。遵循“誰投資、誰負責”的原則，加強對國有資本投資回報率的監(jiān)管。

(2)強化支撐建設，夯實發(fā)展基礎。進一步加大新材料制備、加工和檢測關鍵設備的研發(fā)支持，集中力量突破核心裝備研發(fā)。加強新材料制造和信息化技術融合發(fā)展，深化綠色化、數(shù)字化、智能化制造技術，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。以下游應用為牽引，構建與國際標準接軌的新材料綠色標準體系。加強知識產(chǎn)權保護，鼓勵原始與集成創(chuàng)新。建設落實創(chuàng)新人才發(fā)展戰(zhàn)略，支持企業(yè)加強能力建設，加大綠色新材料領域創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和引進，吸收國外高水平的技術和管理人才，建立人才激勵和競爭機制。

(3)樹立企業(yè)主體，深化產(chǎn)研結合。以企業(yè)為投資、成果應用主體，推動優(yōu)勢企業(yè)強強聯(lián)合，跨地區(qū)、跨境并購和投資合作，加快培育具有國際競爭力的企業(yè)集團。鼓勵新材料企業(yè)開展國際合作和交流，引進國外先進技術和管理經(jīng)驗，提升我國新材料產(chǎn)業(yè)綜合水平。構建政-產(chǎn)-學-研協(xié)同創(chuàng)新機制，建立新材料專家系統(tǒng)，提供調研評估和咨詢服務；加強企業(yè)與新材料研發(fā)一線團隊交流互助，推動新材料研發(fā)、新技術產(chǎn)業(yè)化和新產(chǎn)品應用。

4 結束語

本文研究總結了國外綠色新材料產(chǎn)業(yè)的政策；參考“十二五”到“十四五”期間我國新材料發(fā)展規(guī)劃中涉及節(jié)能、低碳方面的重點發(fā)展方向，梳理了在實現(xiàn)碳達峰、碳中和過程中，新能源材料、建筑材料、先進化工材料三大類別的重點材料、產(chǎn)業(yè)鏈結構和發(fā)展現(xiàn)狀；基于我國綠色新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題，提出了發(fā)展建議。