十三五新材料技术重要节选

原创: 清新谈t 清新谈 前天

2019年9月18日,为深入实施创新驱动发展战略,根据《技术创新示范企业认定管理办法(试行)》(工信部联科〔2010〕540号),经审核,工信部认定53家企业为2019年国家技术创新示范企业。其中涉及新能源新材料的企业占比超过40%。



本文节选《十三五新材料技术发展报告》中部分章节重点内容留存记录。

一、聚酰亚胺(PI)

聚酰亚胺材料具有优异的耐高温、耐低温、高强高模、高抗蠕变、高尺寸稳定、低热膨胀系数、高电绝缘、低介电常数与低损耗、耐辐射、耐腐蚀等优点,同时具有真空挥发份低、挥发可凝物少等空间材料的特点,可加工成聚酰亚胺薄膜、耐高温工程塑料、复合材料用基体树脂、耐高温粘结剂、纤维和泡沫等多种材料形式,因此在许多高新技术领域具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。

在聚酰亚胺的产业链中,聚酰亚胺单体是由二元酐和二元胺合成,在极性溶剂中先进行低温缩聚,获得可溶的聚酰胺酸,成膜或纺丝后加热至300℃左右脱水成环转变为聚酰亚胺;产品以薄膜、涂料、纤维、工程塑料、复合材料、胶粘剂、泡沫塑料、分离膜、液晶取向剂、光刻胶等为主,可应用到航空航天、电气绝缘、液晶显示、汽车医疗、原子能、卫星、核潜艇、微电子、精密机械包装等。

由于聚酰亚胺生产成本高、技术工艺复杂、产品稳定性较差等问题,我国产业化进程缓慢。但是,我国聚酰亚胺的应用已经拓展到航空、航天、微电子、环保、交通等多个领域。

PI 产业遍布全国各地,较强的企业集中在台湾、珠三角和东北地区。台湾的达迈科技在世界市场也占有一定的份额,营收也是节节攀升;长春高琦的轶纶纤维和独创的特种纸都在技术上处于世界领先水平。而其他公司多以科研院所为依托,研发投入与生产投入并举。

但与国外先进国家相比,国内企业总体实力上还存在一定差距。纵观各企业,

装置规模小,多数生产装置仅为百吨级;产品较为单一,主要以PI 薄膜为主,

其它种类产量很少;产品精细化程度不够,应用领域也主要是薄膜和模塑料。



二、功能性光学薄膜

以高分子为基材的功能薄膜产品越来越广泛的应用在各领域中,尤其是具有光学功能的薄膜。光学薄膜大致可分为两组:偏光片和背光模组光学薄膜,主要应用领域是薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD)。液晶模组构造如下图,其中,背光模组主要包括反射膜、扩散膜、增亮膜等,聚酯光学膜一般用于液晶显示屏的背光模组部件;偏光片是由聚乙烯醇(PVA)薄膜、三醋酸纤维薄(TAC)膜、压敏胶层、保护膜等复合而成,其中PVA 膜和TAC 膜是最主要的膜层。



三、锂离子二次电池相关材料

20 世纪发生的三次石油危机迫使人们不断的寻找新的替代能源。锂电池得益于锂金属众多的优点成为了潜在的替代能源之一。锂电池使用寿命较长、比能量较高、体积较小等优点使其在储能等领域的应用日益广泛。

锂电池是指由锂金属或锂合金为负极材料的一类电池,一般可分为锂金属电池和锂离子电池两大类。锂金属电池正极采用二氧化锰,负极采用锂金属。锂离子电池正极为锂金属氧化物,负极为石墨。二次电池则主要是针对一次电池来说的,指可反复充电、放电而多次使用的电池,即生活中常说的“可充电电池”。

锂离子电池的产业链大致可分为上游矿物原材料的开采加工、中游电池材料的生产以及电芯的制造与pack 封装、下游电池的应用,如下表所示。



(一)正极材料

在锂电池四大材料中,正极材料最为关键,是锂电池的核心材料,占锂电池成本的30% 以上,占比最大。正极材料的选取直接决定了锂电池的多种性能指标,比如能量密度、安全性能等。正极材料种类较多,如钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMnO2)、镍酸锂(LiNiO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)以及镍钴锰酸锂三元材料(LiMnxNiyCozO2)等。

随着近几年世界各国对清洁能源的重视越来越大,电池技术得到了快速地发展。锂电池企业越来越集中于日本、韩国和中国,正极材料的生产也大多分布于上述国家。就整体而言,日本和韩国的正极材料企业技术水平和质量控制能力要强于我国部分正极材料生产企业,在高端正极材料方面优势较大。但是,我国近年来一部分企业加大投入力度,在产品质量和一致性方面进步明显,与日韩等国差距逐渐缩小。



(二)负极材料

目前的负极材料市场非常集中,主要的负极材料生产企业分布在日本和

中国,出现了寡头的格局。主要负极生产企业有日本日立化成、日本三菱化学、日本碳素、日本JFE 以及我国的贝特瑞和杉杉科技等。日本方面技术优势

明显,而我国石墨资源更为丰富。

负极材料可分为以天然石墨、人造石墨、中间相炭微球等为代表的碳材料以及以硅基材料、钛基材料、合金等为代表的非碳材料。从公开数据来看,目前出货量最大的是天然石墨,人造石墨和中间相碳微球分列二三位。从整体来看,碳材料是当下负极材料的主流。



(三)隔膜

从世界隔膜材料市场来看,中国、日本、韩国三足鼎立,占据主要份额。值得一提的是,美国在2015 年随着Celgard 公司被日本旭化成收购后退出了隔膜材料市场。

日本企业以旭化成、东丽、宇部兴产、住友化学为代表,韩国企业以SK 创新、W-scope 韩国公司为代表,占据高端隔膜产品的市场;中国企业以星源材质、上海恩捷、中科科技、沧州明珠等为代表,多为中低端产品,逐步向高端产品转变。



(四)电解液

全球锂电池电解液主要厂商集中在中国、韩国、日本,包括韩国旭成化学、

LG 化学;中国的新宙邦、天赐材料、国泰华荣;日本的三菱化学、宇部兴产、三井化学等。电解液的核心竞争力在于材料的提纯技术和配方,常用电解质锂盐有六氟磷酸锂、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)等,但从成本、安全性等多方面考虑,六氟磷酸锂是商业化锂离子电池采用的主要电解质。全球六氟磷酸锂的企业主要集中在中日两国,包括日本森田化学、瑞星化工,中国多氟多、天赐材料、必康股份等。



电池材料发展趋势

(一)高镍型正极材料

高镍型正极材料包括NCM 811(镍钴锰酸锂)和NCA(镍钴铝酸锂)等。国内主流镍钴锰酸锂正极材料主要为NCM 111 型和NCM 523 型,NCM622 型也得到了批量生产。NCM 811 型三元材料在制备过程中Ni2+ 氧化比较困难,难以形成稳定的α-LiFeO2 结构。目前,少数企业完成了NCM 811 型正极材料的研发阶段,初步具备了产能。

开发高镍材料在能量密度和材料成本方面具有很大的优势。因此,很多企业都在布局高镍材料。但是,高镍材料具有很高的技术壁垒,对工艺、设备等要求很高,无论是原材料还是电芯。此外,高镍材料非常容易吸潮使产品成果冻状,难以涂布。在前驱体烧结中对窑炉的性能要求苛刻,国内一般设备难以满足。国际上,韩日两国在高镍材料保持领先地位,外围消息显示,日本户田工业公司和韩国ECOPRO 公司等少数企业具有高镍的制备技术。

(二)硅基负极材料

硅负极材料理论比容量达到4200mAh/g 以上,远高于372mAh/g 的石墨类负极,并且硅的嵌锂比容量是石墨的10 倍,因此,硅负极材料受到了广泛的关注,成为未来负极材料的发展方向。但是,硅负极材料具有一项显著的缺点,在充放电过程中,硅负极材料会体积膨胀300%,这将导致硅负极材料的结构

发生破坏,最终致使材料粉化,降低硅负极材料的容量。为了解决这个问题,一般会采用掺杂工艺。

国际上,美国安普瑞斯公司、日本日立化成、日本信越化学、三星尖端技术研究所等企业都对硅基负极材料进行了研究,美国特斯拉公司也使用了硅基负极材料,通过在人造石墨中加入10% 的硅基材料开发了硅碳负极并应用于Model 3 上。

国内方面,2017 年,贝特瑞研究院开发了全球第一款商业化的硅碳负极材料,其能量密度较传统负极材料提升一倍以上。除了贝特瑞之外,国内的中科院物理所、清华大学、中南大学等科研院所也对硅基负极材料进行了广泛的研究。

(三)全固态电池技术

三星公司的电池爆炸事件再次将现有电池技术的安全问题推到了风口浪尖,人们迫切需要更加安全的电池技术。传统的电池技术往往采用液体有机电解液,这也是造成电池安全性问题的主要原因。为了解决上述的安全性问题,同时提高能量密度,目前世界各国都在加紧研发全固态电池技术,采用固态的电解质材料替换传统的锂离子电池隔膜和电解液材料。

虽然世界各国都在全固态电池技术上取得了重大突破,但是目前总体上全固态电池技术仍具有一定的缺陷,主要为首先,总体而言固态电解质跟传统电解液相比电导率偏低,内阻较大,高倍率放电时电压降较大。其次,目前制备工艺较为复杂、技术不成熟,导致了生产成本居高不下。

目前,全固态电池技术被认为是电池技术的未来,采用全固态电池技术可大幅度提高电池的安全性能,同时提升电池的能量密度,世界各大厂商纷纷布局。英国的James Dyson 于2015 年收购了固态电池制造商Sakti3,并表示会出资十几亿美元用于开发固态电池。此外,德国博世也于2015 年收购了美国电池制造商Seeo,随后又与日本著名电池企业杰士汤浅以及三菱重工合作开发固态锂离子电池技术。宝马公司在2017 年2 月宣布计划在2026 年公布采用固态电解质的突破性车载电池技术,可降低重量,提高电池安全性。除了以上企业外,美国马里兰大学、东京工业大学、日本丰桥技术科学大学、瑞士苏黎世联邦理工学院等研究机构均具有全固态电池技术。

(四)锂硫电池技术

锂硫电池以金属锂为负极、单质硫为正极而构成,其具有原材料含量丰富,制备成本低廉,环境友好等特点。锂硫电池中硫正极的理论比容量可以达到1675mAh/g,金属锂负极的理论容量更是高达3860mAh/g,这致使锂- 硫电池体系具有高达2600Wh/kg 的理论比能量值,为现有锂电池的5 倍左右,缺点是比重小,体积比能量不高。锂硫电池技术是国内外广泛关注的下一代电池技术,包括美国马里兰大学、我国中科院大连化物所在内的众多国内外著名学府都在研究锂硫电池技术,重点是要解决安全和寿命问题。



四、第三代半导体

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石和氮化铝(AlN)等材料为代表的宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料。与第一、第二代半导体材料相比,第三代半导体具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高抗辐射能力及高载流子迁移率等诸多优点,因而适宜制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,也被称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,发展较为成熟的是GaN 和SiC 半导体材料,金刚石和AlN 尚处于起步阶段。

第三代半导体SiC和GaN,拥有高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势,可以被广泛应用在各个领域,无论是消费电子设备、照明、新能源汽车、风力发电机、飞机发动机,还是导弹和卫星,都对这种高性能的半导体有着极大的期待。

第三代半导体作为半导体产业重要的一部分越来越受到世界各国的关注。在半导体领域,美国的领先优势很大,根据半导体权威研究机构IC Insights 公布的数据,2016 年全球半导体企业前20 强中,美国有8 家半导体厂商入选,可谓独占鳌头,分别为英特尔(Intel)、高通(Qualcomm)、美光(Micron)、德州仪器(Tl)、苹果(Apple)、英伟达(Nvidia)、格罗方德(Global Foundries)和安森美半导体(ON semi)。而除美国外的其他国家和地区,日本、中国台湾地区和欧洲各有3 家企业入榜,值得注意的是,在这份榜单中,我国大陆地区没有一家企业入榜。

作为半导体产业其中的一环,第三代半导体也有类似的产业格局,美国领跑,日欧紧随。第三代半导体产业链大体可分为上游原材料、中游器件和下游应用三个部分,主要应用为电力电子、微波射频、光电等领域。

我国目前正处于快速夯实第三代半导体材料科技基础的重要阶段,加快第

三代半导体材料、器件与应用技术的开发及其产业化仍然是目前我国发展第三

代半导体材料产业的首要任务。为此,我国在2017 年度国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项中对第三代半导体技术进行过多个项目的立项,涉及中兴通讯股份有限公司、苏州能讯高能半导体有限公司、西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、南京大学、北京化工大学等单位,总拨款超过1.2 亿元人民币。

此外,2017 年4 月,科技部发布《“十三五”材料领域科技创新专项规划》,再次提到需大力发展第三代半导体材料。2017 年12 月,北京市发布《加快科技创新发展集成电路产业的指导意见》,在顺义区重点布局第三代半导体产业,这将促进第三代半导体产业的全面发展,努力改变我国技术升级依赖引进、受制于人的局面。



五、柔性显示

柔性显示是指由柔软材料制成的可变形可弯曲的显示装置。目前的主流

是柔性OLED,另外柔性液晶显示(LCD) 也在同步发展中。作为新型显示技术的一种,OLED(organic light emitting diode)是一种以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件,而柔性OLED 以柔韧性好、具有良好透光性的材料代替普通的OLED 玻璃衬底,其结构和发光原理与普通玻璃衬底的OLED 器件相似。OLED 显示是一种自发光显示技术,其最大的特点是无需背光源,此外其成本较低,可减少制造工序;使用低压驱动,能耗低;响应时间短;温度范围宽;亮度高,实现高效发光;器件全固态,机械性能好,可实现软屏显示,使器件更加轻薄。OLED 显示按驱动方式可分为主动式(AMOLED)和被动式(PMOLED)。

AMOLED(Active-matrix organic light emitting diode) 是指有源矩阵有机发光二极管,AMOLED 显示屏将成千上万个有机发光二极管以特定的形式堆放在基板上;给二极管施加电压时,会发出红、绿、蓝三原色的光,调整三原色的比例就会发出各种颜色。与传统屏幕相比,AMOLED 屏体积轻薄、色域广、对比度高、功耗低,易于制造成可弯曲可折叠的屏幕,因此,柔性AMOLED 显示技术被认为是最具潜力的下一代显示技术。柔性AMOLED 显示技术可被广泛应用于手机、电视、可穿戴设备、车载显示器、VR 等消费电子领域,对航空航天、军事、工业等领域也有重大影响。



六、增材与3D打印

增材制造,俗称“3D 打印”,始于快速成型技术,在航空、航天、航海、兵器、医疗、汽车、工业等领域发展前景广阔,被誉为“第三次工业革命”的核心技术。

近年来,增材制造发展非常迅速,美国、英国、德国、法国、俄罗斯、澳大利亚、新加坡、日本、韩国等政府纷纷将其上升至战略高度给予政策支持。增材制造涉及多学科知识,产业链涵盖范围十分广泛。目前,增材制造设备是其发展的牵引力,而材料是制约其发展的重要因素。

(一)技术与装备



西安铂力特利用增材制造技术成功助力国产大飞机C919 关键零部件之后,2017 年8 月,铂力特与中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司达成战略合作协议,将促进我国民用航空发动机产业的发展,也将进一步扩大增材制造技术的应用。

在光固化领域我国也取得了新突破,2017 年,中国科学院化学所徐坚、赵宁研究员及研发团队,中国科学院半导体研究所林学春研究员以及深圳光峰光电科技有限公司李屹博士共同合作,将可见光固化技术引入光固化增材制造领域,率先开发出蓝光下快速固化的光敏树脂及复合材料体系,实现了蓝色激光辅助的高精度、高效率和高稳定性的增材制造。

(二)增材材料

材料是增材制造的物质基础和根本保证。增材制造材料按照形态不同一般可分为固态粉末、固态片材、固态丝材和液态材料;按照材料类别不同可分为金属材料、高分子材料、无机非金属材料(陶瓷、玻璃)以及生物材料等。

增材制造金属材料,理论上可以包含所有的金属材料,目前主要包括高温合金、铝合金、钛合金、不锈钢以及镍基合金等。通过设计专用合金,可以最大限度发挥增材制造的优势。增材制造非金属材料主要包括高分子材料、无机非金属材料(陶瓷)。理论上高分子材料和陶瓷材料,通过适当改性或复合便可应用于增材制造领域。





七、碳纤维

高性能纤维是指具有特殊的物理化学结构、性能和用途,或具有特殊功能的化学纤维,一般具有极高的抗拉伸力、杨氏模量,同时具有耐高温、耐辐射、抗燃、耐高压、耐酸、耐碱、耐氧化剂腐蚀等其他特性,被广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输、工业工程、土工建筑、乃至生物医药和电子产业等领域。

高性能纤维复合材料是以高性能纤维作为增强材料,树脂作为基体,通过加工成型得到的复合材料,具有质轻、高强高模、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、易加工成型等优异性能。全球高性能纤维及复合材料正朝着制造技术先进化、低成本化、材料高性能化、多功能化和应用扩大化的方向发展。从应用技术和产业成熟度来说,目前高性能纤维以碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维最为强势,且随着下游复合材料成型制件技术的提升,市场推广度和需求量正在不断增加且呈现加速扩张的趋势。





目前我国高性能碳纤维材料产业发展势头迅猛,针对市场主要为航空航天领域,同时着力瞄准勃发的新能源市场,包括风力发电、压力容器(储氢罐),以及潜在的新型汽车轻量化材料市场。但我国的碳纤维材料产品大多仍处在试运行、少量装机等阶段,与下游产业的合作仍需加强。应用端开发不充分也导致了大量碳纤维生产企业产能虚高,企业运营压力较大。随着碳纤维的民用化、低成本化发展,以及下游复合材料成型技术的不断提升,碳纤维生产企业在未来需进一步加强与应用端产业的产研联动,抓住市场机遇,为国产碳纤维产业找寻突破。

$时代新材(SH600458)$$激智科技(SZ300566)$$维信诺(SZ002387)$
网页链接

Android转发:1回复:0喜欢:11