新材料发展趋势(关注全球新材料领域2022年态势总结及2023年趋势展望)

Posted 2023-05-28

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新材料发展趋势(关注全球新材料领域2022年态势总结及2023年趋势展望)

一、世界新材料领域2022年态势总结

主要国家加大对关键矿产相关技术和设施项目的投资，推动关键矿产提取、加工及回收技术的研发。美国能源部从《两党基础设施法案》中拨款28亿美元支持本土电池供应链，包括新建和扩建国内分离与加工锂、石墨等关键矿产的工厂，以及演示验证利用回收材料制造组件的工艺，同时白宫发起“美国电池材料倡议”，确保用于电力、电气和电动汽车的关键矿产的稳定持续供应；美国能源部为12个州的16个项目提供3900万美元的资金，用于开发商业上可扩展的技术，以增加国内清洁能源转型所需的铜、镍、锂、钴、稀土等关键矿产供应；美国能源部先进材料和制造技术办公室公布一项1200万美元的融资项目，以研究和改进从地热盐水中安全、经济、高效地提取和精炼锂的技术。英国宣布将在提兹港建设欧洲首个大型商业锂精炼厂，为电动汽车、可再生能源系统供应链提供电池级材料。加拿大联邦政府计划投资至少20亿加元（约合16亿美元），用于促进电动汽车电池供应链所需的镍、锂、钴等关键矿产的生产和加工。日本政府计划在小笠原群岛和南鸟岛附近6000米深的海床中开采富含稀土的泥浆以寻找稀土元素，并计划在5年内开始勘探工作。

电池材料发展迅猛，主要经济体持续加强研发力度。美国能源部西北太平洋国家实验室开发出一种铝镍熔盐电池，其理论能量密度高于铅酸电池和液流电池，在热循环的情况下，12周内可保持92%的电池容量；能源部橡树岭国家实验室开发出快速充电锂离子电池所需的钼-钨-铌酸盐化合物材料，其具有快速充电和高效率的特点，有可能取代商业电池中的石墨。韩国电工技术研究院下一代电池研究中心开发出具有空心核的一维锂限制多孔碳结构，并在空心核中添加金纳米粒子，制造出具有更高倍率性能和稳定性的高容量锂金属电池。俄罗斯斯科尔科沃科技学院开发出一种新的快速充电电池阳极材料NiBTA，并揭示了该材料的电荷存储机制。中国合肥工业大学和美国得克萨斯大学奥斯汀分校合作开发出用于钠金属电池的基于聚（1，3-二氧戊环）的准固体电解质，改善了全固态电池整体性能。

聚合物材料领域取得多项技术进展。美国北卡罗来纳州立大学开发出一种新的聚合物膜技术，在现有膜表面接枝亲二氧化碳的化学活性聚合物链，可以大幅提高二氧化碳选择性。英国伯明翰大学从糖基原料中创造了一个新的聚合物系列，既保留了普通塑料的所有品质，也可进行降解和机械回收。芬兰图尔库大学采用液-液相分离法开发出一种超分子塑料，具有良好的机械性能和高度可回收性，可通过吸水进行自我修复，未来可作为环保材料替代传统塑料。澳大利亚皇家墨尔本理工大学开发出一种坚固、可持续和可堆肥的自清洁生物塑料。日本理化学研究所开发出一种坚固、有弹性、可自我修复的聚合物材料，该材料在断裂前可以拉伸到原始长度的近14倍，切断后可在5分钟内自行愈合。

生物材料成为新材料领域研究热点，引发各国研究热潮。美国得克萨斯农工大学将二维纳米材料二硫化钼与改性明胶结合后开发出一种柔韧的水凝胶生物材料，可用于创建复杂的3D电路，为患者提供3D打印电子纹身，监测患者的运动指标；加州大学洛杉矶分校采用紫外线光固化工艺创造了一种改进的丙烯酸基材料，该材料更加柔韧且保持较高强度和耐用性，可以像肌肉组织一样发挥作用，可用于软体机器人、具有触觉的新型可穿戴设备、触觉技术等领域。西班牙Andaltec国家技术中心开发出一种可用于再生肌肉组织的形状记忆聚合物，可在医院内通过材料挤压打印工艺制作植入物、手术器械和假肢。巴西圣保罗州立大学使用B型牛明胶制成了高拉伸强度、可食用、可生物降解的抗菌生物塑料薄膜，可保护包装食品免受病原体污染。新加坡南洋理工大学使用聚己内酯（PCL）和明胶，采用静电纺丝方法制造PCL/明胶纤维，再将ε-聚赖氨酸掺入纤维支架制造出一种可加速伤口愈合过程的新型纳米纤维复合敷料，可促进细胞生长、增殖和迁移。

二、世界新材料领域2023年趋势展望

美西方国家持续关注关键材料供应链安全，纷纷制定关键矿产战略规划，关键矿产资源成为大国竞争焦点。美国地质调查局发布更新版《2022年关键矿产清单》，包括锂、稀土等矿产，提出扩大国内关键矿产生产规模，以减少对中国和俄罗斯的进口依赖；地质调查局还与国家航空和航天局（NASA）联合绘制美国西南部部分地区的关键矿产潜力地图，寻找未来具有开采潜力的地区，以增加国内关键矿产产量。布鲁金斯学会发布《中国在为全球能源转型提供关键矿产方面的作用：未来会怎样？》报告，建议欧美国家应开展多边合作，增强关键矿产供应链韧性，减少对中国的依赖。英国政府发布首份《未来的复原力：英国关键矿产战略》，提出将通过提升国内生产能力、加强国际合作等方式，建立更安全、更有韧性的关键矿产供应链。澳大利亚政府公布《2022年关键矿产战略》，建议扩大本国矿产加工产业，并与其他国家合作建立更加多样化和安全的关键矿产供应链，为关键矿产制定国际标准体系；澳大利亚政府在2022-2023年预算中，承诺向关键矿产加速器倡议投入2亿澳元（约合1.34亿美元），以及在3年内投入5000万澳元（约合3349万美元），用于建立虚拟的国家关键矿产研发中心，推动矿石加工、提纯和回收技术的合作研究。

全球电池需求大幅增加，汽车企业纷纷布局新能源矿产和电池生产项目，对全球新能源矿产供应链带来新挑战。美国通用汽车公司与嘉能可签订了“为期数年”的钴供应协议，采购镍钴矿用于制造通用的Ultium电池正极；福特汽车与必和必拓签署了镍供应协议，必和必拓旗下位于西澳大利亚州的西部镍业公司将为福特供应镍，同时福特将寻找其他关键矿产供应来源，以确保锂、镍、稀土、铜等电池关键原材料的供应。英国Adamas Intelligence公司发布《充电状态：电动汽车、电池和电池材料》报告称，2022年上半年全球电动汽车电池消耗的锂、钴、镍资源量大幅高于上年同期，预计2023年还将进一步增长。韩国SK集团宣布2023年将在本土投资73万亿韩元（约合524亿美元）提升芯片、绿色能源及生物制造的生产能力，其中12.8万亿韩元投向电动汽车电池、氢能及其他可再生能源。

生物材料、聚合物复合材料等前沿新材料领域的研究热潮还将延续。美国麻省理工学院开发出一种由纤维素纳米晶体（CNC）和合成聚合物混合而成的复合材料，其中CNC约占材料的60%-90%，该材料具备优良的机械性能，可代替部分石油基塑料，将在2023年进一步开展材料负载实验；得克萨斯大学奥斯汀分校将256位加密密钥编码在实验室合成的聚合物材料上，再将聚合物材料混合到墨水中书写成加密信件后通过液相色谱质谱仪进行提取和分析，未来将进一步探索该技术在数据存储和密码学领域的应用。日本信州大学对天然蜘蛛丝的细胞黏附行为开展研究，预计将在未来几年中开发基于天然蜘蛛丝的生物基纤维并将其应用于医疗领域。中国北京航空航天大学开发出一种基于氧化石墨烯（GO）的块状材料，不仅重量轻且具有较强的断裂韧性和抗冲击性能，计划在2023年继续开展防电磁屏蔽、抗爆、抗弹方面的应用研究。