产业与政策丨“双碳”目标下我国新材料重点方向发展研究

作者简介

潘科  

重庆信息通信研究院副院长，主要从事信息通信技术、数据要素、数字经济、双碳政策与产业等方面的研究工作。

徐海涛  

重庆信息通信研究院战略发展研究部工程师，主要从事云计算、数据资产管理、行业数字化发展及应用等方面研究工作。

冯祥奕  

重庆信息通信研究院战略发展研究部工程师，主要从事材料政策与产业、新能源与双碳政策、数据安全与流通监管、激光快速成型工艺及产业发展等方面的研究工作。

论文引用格式：

潘科, 徐海涛, 冯祥奕. “双碳”目标下我国新材料重点方向发展研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(3):74-81.

“双碳”目标下我国新材料重点方向发展研究

潘科  徐海涛  冯祥奕

（重庆信息通信研究院，重庆 401336）

摘要：绿色新材料是各行业实现碳达峰、碳中和目标的重要基础。总结了国外各国新材料发展战略计划中低碳、节能材料的重点方向和发展布局，梳理了自“十二五”以来我国在新材料规划中关于绿色新材料的相关政策和部署，研究总结了能源新材料、绿色建筑材料、先进化工材料4个在我国实现“双碳”目标过程中发挥重要作用的重点方向的产业链结构和发展现状，根据各重点方向发展难点和痛点提出发展建议。

关键词：双碳；绿色新材料；能源新材料；绿色建筑材料；先进化工材料

中图分类号：TN929.5；TN41           文献标志码：A

引用格式：潘科, 徐海涛, 冯祥奕. “双碳”目标下我国新材料重点方向发展研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(3):74-81.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.03.012

0  引言

2009年12月，哥本哈根气候大会召开，低碳开始成为全球关注的焦点问题，低碳经济时代到来。低碳经济概念首先由英国提出，其本质是通过技术创新和制度创新提高能源效率和能源结构的问题。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，低碳经济主要从两个方面带动实体经济的发展，一个是激发新能源产业的活力，另一个是对传统产业的低碳化转型升级。新能源产业快速发展面临一系列材料“卡脖子”关键问题，新材料的发展是传统产业提升能效和降低排放的基础^[1]。2020年9月，在第七十五届联合国大会上，中国向全世界庄严承诺，力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。“碳达峰和碳中和”（简称“双碳”）目标为我国新材料产业的转型发展提供了动力和舞台。

新材料指新近研究成功或正在研制中的高性能结构材料和具有特殊性质的功能材料。作为当今材料科技发展最活跃的产业领域之一，新材料产业已成为决定一国高端制造及国防安全的关键因素，是支撑新兴产业发展的基础性产业。全球新材料产业规模不断扩大且维持稳中有升的发展态势，2010—2019年，全球新材料产业规模从4 000 亿美元增加到2.8 万亿美元，平均增长率近10%^[2]。长期以来，新材料产业的创新主体主要是美国、日本和欧洲众发达国家，各地区的大型跨国公司在经济实力、研发能力、核心技术等方面居全球垄断地位；中国、韩国、俄罗斯占据全球第二梯度，我国的半导体照明、稀土永磁材料等在全球具有一定的优势和市场；除了巴西和印度等少数国家，大多数发展中国家的新材料产业仍处于起步阶段，地区差异日益明显。

1  我国新材料产业节能降碳相关政策

从全球新材料产业发展上看，世界各国/组织都在积极地将新材料的发展与绿色、低碳经济结合起来。各国/组织高度重视新材料与资源、环境和能源的协调发展，大力推进与绿色发展密切相关的新材料、技术、产品开发与应用。美国在新能源材料、轻合金、氢燃料电池、纳米材料、生物材料、节能材料等新材料领域进行了规划和布局；欧盟将催化剂、光学材料、光电材料、生物医学材料等列为十大重点领域；德国和英国在清洁能源和产业低碳化方面卓有成效，其新材料发展也从新能源材料研发和满足低碳产业化的需求等上面制定战略。各国/组织新材料领域战略计划中关于节能降碳重点方向的总结如表1所示。

表1  国外新材料产业节能降碳方向政策总结^[3]

近年来，我国国内产生了若干具有创新能力、核心技术、销售收入超过百亿元的新材料龙头企业，建成了一批主业突出、配套齐全、产值超过300亿元的新材料产业集群。但是，在信息显示、运载工具、能源动力、高档数控机场和机器人五大领域所常用的244种关键材料中，我国仅有13项材料国际领先、39项材料国际先进^[4]。我国是材料大国，各领域均有建树，材料体系完整；但我国不是材料强国，产业基础能力不足，新材料核心技术尚需逐一突破。

低碳经济是可持续发展的内在需求，中国对绿色、低碳新材料的需求会愈加强烈。“十二五”以来，我国政府高度重视新材料产业发展，出台了一系列新材料发展规划（见表2）。我国早期的冶金、化工等行业是以牺牲生态环境为代价实现高速发展，能耗高、污染大，生态欠账多。2014年，国家发展和改革委员会、财政部和工业和信息化部发布《关键材料升级换代工程实施方案》，至此我国开始在新材料发展规划中针对节约能耗和绿色发展提出明确的目标和方向。表2  近10年中国新材料产业节能降碳重点方向总结

我国将新材料定义为先进基础材料、关键战略材料和前沿基础材料。根据国家规划指示，与节能、减排、绿色相关的新材料领域主要包括轻合金、绿色建筑材料、生物材料、先进化工材料、新能源材料、耐热材料等。
2  新材料重点领域发展分析
新能源材料的开发促进了新能源系统的诞生，新能源材料的使用直接影响着新能源系统的运行效率、投资与运行成本。新能源材料是新能源产业发展的基础，加速突破新能源材料关键技术成为当务之急。全球源自建筑建造和运营的二氧化碳排放占全球与能源相关碳排放的比重超过60%，建筑领域是实现整体碳达峰的关键一环。随着绿色建材评价标识工作的深入开展，加快将绿色建材相关要求纳入绿色建筑的政策和标准中，实现上下游的实际联系，必将促成绿色建筑倒推绿色建材的互动发展模式。在低能耗和低碳排放的约束条件下，“双碳”战略为化工新材料产业带来技术驱动力，压缩落后产能,鼓励新型工艺，倒逼环保和低碳放新材料取代高排放、高能耗旧材料，扩大了现有化工新材料的应用需求。
2.1  新能源材料在全球碳中和大背景下，能源格局从化石能源占绝对主导朝着低碳多能融合方向转变。随着我国承诺“双碳”目标，政府对可再生能源发电和储能技术开发日益重视，先后出台了一系列政策，启动重大研发项目开展技术研究，并部署了一大批可再生能源发电、分布式能源、储能等类型的示范工程。新能源材料定义为支撑新能源发展的、具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。新能源材料根据应用领域可分为储能材料、光伏材料、电池材料、新能源汽车材料等（见图1）。

图1  新能源材料产业链图谱

新能源汽车是低碳经济中最基本的消费品，同时也很有潜力在能源互联互通的“能源互联网”时代成为基本的能源传输单位。新能源汽车推动了整个汽车行业使用轻合金替代传统钢材实现轻量化，镁、铝、钛及其合金在汽车、舰船、航空航天等领域都是最理想的轻量化结构材料。相比传统交通工具，新能源汽车使用的铜线组超过传统汽车4倍，超过90 kg铜/车^[5]。铜线组在光伏、海上风电等新能源基础设施中的用量也十分可观。拥有高于钐钴永磁材料的磁性能和低于稀土永磁材料的价格，钕铁硼永磁材料被应用于更轻、更小、更高效的新能源汽车永磁同步电机和其他零件中，单车消耗量达到2.5 kg以上。2020年全国新能源汽车累计消耗钕铁硼超过3 400 t^[6]，钕铁硼永磁材料在节能电梯、直驱风力发电机、变频空调等节能领域也有应用。
储能系统作为能量存储和转化设备，是解决可再生能源不稳定性的关键技术。储能技术分为物理储能和化学储能，物理储能的技术相对成熟，相变储能材料是脱碳化时代的重点发展方向之一。相变材料的种类繁多， 按照材料结构分类, 可分为有机相变材料、无机相变材料与金属材料。目前，相变储能在实际应用中存在着使用寿命不理想、与载体复合机制不明导致储能效果不佳、相变温度导致使用环境受限等技术难题。化学储能包含电池储能和超级电容储热，电池储能相较于其他技术，受地理环境影响小，电能储存、释放、调度调控更灵活。随着使用成本、能量密度、安全可靠等关键技术问题得到逐步解决，电池将成为储能新增装机的主流，发展前景广阔。
当前电池技术的能量密度无法支撑未来数百亿瓦时（GWh）的储能需求，先进锂离子电池将只是能量存储的一个过渡性解决方案，开发来源丰富且可循环使用的燃料电池储能技术，将其作为传统电池持久、安全的补充方案是非常必要的。质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术具有工作温度低、启动速度快、环境友好等优点，是当前应用最广的燃料电池。目前，PEMFC的研究重点为具有更高催化活性、更低成本的新膜电极材料，包括低铂系和非铂系电极。对比PEMFC的高成本、低能量密度不足，固体氧化物燃料电池（SOFC）具有发电效率高、燃料适应性强、几乎没有颗粒物/NOx/SOx排放、可实现热点连供等优点。SOFC的工作温度区间为650 ℃~800 ℃，可使用廉价的氧化物电极代替昂贵的贵金属催化剂，但较高的工作温度对电池结构材料的综合性能提出了很大的挑战。国产连接体材料在使用寿命和综合性能上较德国、日本进口材料都有不小的差距，价格更是相差数十倍，这大幅提高了国产SOFC的制造成本。
2.2  新型绿色建筑材料新型绿色建筑材料一般定义为采用清洁生产技术，不用或少用天然资源和能源，大量使用工农业或城市固态废弃物生产的，无毒、无污染、低排放、易回收的环境和人体健康友好型建筑材料。“双碳”目标对高能耗、高排放的建筑行业节能环保工作提出了更高的要求，进一步提升建筑材料绿色化水平是建筑材料领域科学研究和产业发展的重要方向。新型绿色建筑材料主要包括水泥、混凝土、绿色墙体材料、保温隔热材料以及绿色装饰材料等，其产业链结构如图2所示。

图2  新型绿色建筑材料产业链图谱

水泥是土木工程中最重要的建筑材料,其生产过程排放的温室气体占全产业温室气体总排放量的7%^[7]，属于温室气体排放重点监控行业之一。降低单位水泥生产碳排放是降低水泥产业温室气体总排放的唯一路径。在水泥中掺入粉煤灰、矿渣、硅灰等辅助性胶凝材料取代部分熟料，能够有效降低水泥碳排放。面对因钢铁煤炭产业大幅减产导致辅助性凝胶材料产能告急的困境，国内外研究机构正在探索入脱硫石膏、建筑垃圾细粉、赤泥等固废，天然火山灰、石灰石粉、钢铜渣等新型辅料。硫铝酸盐生产中碳排放较硅酸盐水泥更低，高贝利特硫铝酸盐水泥等特种水泥有望取代或部分取代硅酸盐水泥熟料的胶凝材料体系。
降低混泥土生产和服役过程中碳排放的方法主要有减少混泥土中熟料和胶凝材料的使用量、利用固体废弃物原材料、提升混凝土寿命、提高混凝土二氧化碳吸附等。目前，低碳混凝土一般通过提高粉煤灰掺入量（HVFAC），或加入流变调控聚合物外加剂、微纳米降粘材料、无机膨胀材料、有机减缩外加剂等制成超高性能混凝土（UHPC）、超高强度混凝土（UHSC）、自密实混凝土（SCC）、低聚物混凝土（GPC）等。
绿色墙体材料、保温隔热材料以及绿色装饰材料等也是绿色建筑材料的重点发展方向。新型绿色墙体材料具有自重轻、隔音效果好、节能效果好、经济实惠等特点，一般选择粉煤灰、矿渣灰及混凝土空心砌块等作为墙体的环保材料。气凝胶、复合硅酸盐、天然矿物膨胀物等是低碳绿色的保温隔热材料，气凝胶的多孔结构让其拥有多倍于传统玻璃纤维或泡沫绝缘材料的隔热能力。真空玻璃有传统玻璃无法比拟的优势，其使用寿命远远长于普通玻璃，并且其隔热、隔音、保温效果非常好，可以充分利用太阳光等自然光线来调节室内温度，达到绿色节能效果。可循环利用、自修复、自监测等类型智能建筑材料也是未来的重要发展方向。
2.3  先进化工新材料先进化工是国民经济的重要基础性、先导性产业，技术含量和附加值高，是推动我国由石油化工大国向强国跨越的重点关键领域，也是化工行业转型升级的重要方向。我国化工材料产业发展呈现几个特点，一是发展快、需求量高；二是产业配套能力不足，化工基础原材料质量不稳定；三是自主创新能力不足，原材料、高端产品、核心技术装备大量依赖进口。如图3所示，聚碳酸酯、聚氨酯、高端聚烯烃、橡胶、石墨烯等化工材料被大量用于我国制造业，也是诸如光伏、储能、新能源等绿色新兴产业的重要原材料。

图3  先进化工新材料重点方向产业链图谱

因耐冲击、高耐热、高透明等特性，聚碳酸酯在电子电器、光学薄膜、汽车等主力市场应用持续上升，2019年其消费量达到230万吨，同比增速超过22%，同时其在绿色溶剂、非光气聚碳、非光气聚氨酯、新能源锂电、绿色药物合成等绿色新兴领域还有很大的拓展空间。我国聚碳酸酯对外依存度超过65%^[8]，其上游苯酚、丙酮、双酚A产业国内产能有待继续扩张。“双碳”目标为聚氨酯保温材料、涂料、复合材料、胶黏剂、弹性体等带来新的发展机遇，我国聚氨酯主要原材料产能均超过全球产能的1/3，制品产值为3 200亿元^[9]，在建材、氨纶、合成革和汽车等领域其下游产品的产量均居世界第一。聚四氟乙烯（PTFE）树脂是目前介电常数最低的高分子材料，广泛用于制备5G基站覆铜板，同时也是全球消费量占比超过一半的含氟聚合物，未来在线缆和节能环保领域的应用会持续加大。PTFE的产能占全球40%以上^[10]，但是以注塑型中低端产品为主，高端化、高附加值是我国PTFE及聚氨酯产业的发展方向。光伏、储能膜、新能源汽车等新兴市场对我国聚烯烃产业提出了高端化需求，我国聚烯烃产品以中低端通用料为主，高端产品以及生产技术严重依赖进口，产品自给率仅为44%，生产工艺依存度已超过90%，其中超过46%的产能是采用尤尼维讯公司的Unipol气相工艺，超过17%的产能采用利安德巴塞尔公司的淤浆法工艺，其他工艺也多采用国外技术生产工艺^[11]。“双碳”目标为橡胶产业同样带来了新的机遇，即再生橡胶、天然橡胶和生物基合成橡胶。目前，国外的生物基合成橡胶体系已经发展到第三代，在全球低碳经济时代将有很大的市场潜力。
石墨烯是目前自然界最薄、强度最高、导电导热性能最强，同时兼备很好塑性的一种新型纳米材料，石墨烯、富勒烯、碳纤维等无机化工新材料被广泛用作各类轻量复合材料、绿色建筑材料添加剂，同时还是电池电极、光电元件、污染治理、氢气储存、高性能功能材料等绿色新兴产业的重要原材料^[12]。中国在石墨烯科学研究和产业化方面已经走在世界的前列。2020年，中国大陆发表的石墨烯论文数量占全球同类论文的比重超过3成；中国石墨烯相关专利申请占全球同类专利申请的比重接近7成^[13]；中国石墨烯企业总数量已经达到 1.2万家，全国各地建立了29个石墨烯产业园、54家石墨烯研究院、8个石墨烯创新中心，但重复建设现象严重，且未能和当地产业充分结合；石墨烯产业化创新主力依靠以材料生产为主的中小企业，高价值应用（光电器件、半导体、集成电路等）研究不足，近8成石墨烯下游产品集中在石墨烯加热器、理疗、可穿戴产品、涂料、导电添加剂等中低端领域^[13]，技术门槛低、产品附加值低、高成本等因素导致行业整体亏损，盈利模式尚需进一步探索，全产业链生态体系脆弱。可见，国内外石墨烯产业发展存在明显差距。
3  发展建议
与其他国家相比，我国新材料产业发展具有资源优势和市场优势。许多地区的新材料产业发展较快，一些领域已经形成一定的产业规模和集群效应。目前，我国新材料产业普遍存在产品低端，高附加值的产品和技术非常匮乏，多项“卡脖子”关键技术尚需突破，各领域顶级团队和高端人才储备不足，配套支撑不足，技术成果转化效率低等问题。“双碳”大目标为我国新材料产业的整备前行提供了很好的机会，同时也非常需要政府提供财政、统筹等支持手段，具体包含以下几方面。
（1）加强顶层设计，明确目标方向。以绿色低碳发展为总体原则，基于当地新材料上游产业基础和下游需求制定新材料发展战略，突出对重点行业的聚焦支持，杜绝投资碎片化。加强国家对新材料基础研究的投入，高度重视当前处于研发阶段的前沿新材料，适度超前安排。加快完善有利于推动新材料产业进步的政策和法规体系，引导制定新材料产业发展指导目录和投资指南，完善产业链、创新链、资金链，构建持续发展的动力机制。遵循“谁投资、谁负责”的原则，加强对国有资本投资回报率的监管。
（2）强化支撑建设，夯实发展基础。进一步加大新材料制备、加工和检测关键设备的研发支持，集中力量突破核心装备研发。加强新材料制造和信息化技术融合发展，深化绿色化、数字化、智能化制造技术，提高产品生产效率和产品质量。以下游应用为牵引，构建与国际标准接轨的新材料绿色标准体系。加强知识产权保护，鼓励原始与集成创新。建设落实创新人才发展战略，支持企业加强能力建设，加大绿色新材料领域创新人才的培养和引进，吸收国外高水平的技术和管理人才，建立人才激励和竞争机制。
（3）树立企业主体，深化产研结合。以企业为投资、成果应用主体,推动优势企业强强联合，跨地区、跨境并购和投资合作，加快培育具有国际竞争力的企业集团。鼓励新材料企业开展国际合作和交流，引进国外先进技术和管理经验，提升我国新材料产业综合水平。构建政-产-学-研协同创新机制，建立新材料专家系统，提供调研评估和咨询服务；加强企业与新材料研发一线团队交流互助，推动新材料研发、新技术产业化和新产品应用。
4  结束语
本文研究总结了国外绿色新材料产业的政策；参考“十二五”到“十四五”期间我国新材料发展规划中涉及节能、低碳方面的重点发展方向，梳理了在实现碳达峰、碳中和过程中，新能源材料、建筑材料、先进化工材料三大类别的重点材料、产业链结构和发展现状；基于我国绿色新材料产业发展面临的问题，提出了发展建议。
参考文献
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Research on the development of vital directions on advanced materials in China under the carbon peak and neutrality goals
PAN Ke, XU Haitao, FENG Xiangyi
(Chong Qing Academy of Information and Communications Technology, Chongqing 401336, China)
Abstract: Green new materials are the important basis for all industries to achieve carbon peak and neutrality. This article summarizes the key directions and development layout of low -carbon and environmental materials in foreign countries’ new material development strategic plans and the relevant policies of green new materials in China’s new material planning since the 12th Five-Year Plan. The industry chain structure and development status of light alloy, new energy materials, green building materials and advanced chemical materials, which play an important role in the process of realizing the goal of carbon peak and neutrality in China, were studied and summarized. The suggestions were put forward according to the development difficulties and pain points of each key direction.Keywords: carbon peak and neutrality; new materials; new energy materials; green building materials; advanced chemical materials
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第3期

主办：中国信息通信研究院

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