2023年世界前沿科技发展态势总结及趋势展望——新材料领域

一、世界新材料领域2023年态势总结

美西方国家扩大关键矿产领域合作，意图构建更加紧密的关键矿产供应链伙伴关系。七国集团广岛峰会发布“清洁能源经济行动计划”（Clean Energy Economy Action Plan），明确提出应避免因产地过于集中而过度依赖某一国家。美国总统拜登与英国首相苏纳克共同发布《二十一世纪美英经济伙伴关系大西洋宣言》，提出全面提升科技和经济伙伴关系，强化在新兴科技、供应链、关键矿产等领域的合作，以应对“工业革命以来全球经济变革”；美国与加拿大合作建立“北美关键矿产供应链”和“跨境半导体封装走廊”，重点关注关键矿产的开采、加工、制造和回收，实现矿产供应链多样化；美国与日本签署了一项关键矿产协议，旨在加强美日关键矿产供应链并实现供应链多样化，合作内容包括两国彼此不对关键矿产征收出口关税、采取措施以应对其他国家影响关键矿产贸易的非市场政策和做法等。澳大利亚与德国合作支持一项联合研究，以促进澳大利亚发展关键矿产增值产业，包括矿产开采、精炼和回收等行业，并确保德国工业所需关键矿产的可靠供应；澳大利亚和英国合作建立国际关键矿产供应链，将加强研发合作以提升下游加工制造能力，并寻求构建新的关键矿产价值链（包括矿产回收利用）。日本与英国签署了关键矿产合作备忘录，旨在加强关键矿产领域的双边关系，包括加速创新、建立透明市场以及共同投资第三国项目，两国将在关键矿产的工业勘探和评估、采矿和加工、制造以及二次矿产资源、电子废料的回收和废物处理等领域开展合作；日本与加拿大签署了电池供应链合作备忘录，双方将共同建立可持续且可靠的全球电池供应链，鼓励日本企业在加拿大建厂加工关键矿产并制造电池。

主要国家利用人工智能技术赋能新材料研发，显著加快材料研发速度。美国劳伦斯·伯克利国家实验室利用谷歌DeepMind开发的深度学习工具“材料探索图网络”（GNoME）预测并合成新材料，并利用“材料项目”（Materials Project）的数据库对GNoME进行训练，成功生成了38.1万种新无机化合物数据；阿贡国家实验室开发出结合了人工智能与机器人技术的“自动驾驶实验室”（SDL）Polybot，可简化实验过程并节省研发时间和成本；橡树岭国家实验室开发出一种基于深度学习的软件包AtomAI，将深度学习应用于原子级分辨率的显微镜数据，从而提供可量化的物理信息（如样本中每个原子的精确位置和类型），可作为研究人员观察原子和分子结构以理解和设计纳米级材料的重要工具；威斯康星大学麦迪逊分校训练ChatGPT阅读学术文章、将关键数据制成表格并检查结果的准确性，以评估和搜索新型材料；罗切斯特大学利用机器学习模型对X射线衍射实验产生的大量数据进行分析，对材料的结构和特性信息进行表征，并对不同材料的晶体系统和空间群进行分类，有助于研发适合不同技术应用的材料。日本统计数理研究所（ISM）开发出用于设计分子和反应路径的机器学习算法和软件，可用于设计新分子并选择制造这些分子所需的化学反应；北海道大学使用化学合成机器人和具有计算成本效益的机器学习模型成功预测并验证了高选择性催化剂。俄罗斯斯科尔科沃科技学院（Skoltech）通过机器学习模型改进高熵碳化物的合成工艺以提高效率。瑞士洛桑联邦理工学院开发出一个框架化学（Reticular Chemistry）数字生态系统，可利用该系统设计具有所需功能和特性的金属有机框架材料（MOF），以减少重复试验的过程。

各国持续关注材料回收领域相关研究，将材料回收作为强化关键矿产供应链和解决废弃物污染问题的重要举措。美国艾姆斯国家实验室开发出一种可将聚烯烃塑料分解回收的新型氧化锆基催化剂，可替代价格昂贵的铂催化剂对C-C键进行氢解，用于处理包含杂质的聚合物废料；莱斯大学开发出利用闪光焦耳加热（FJH）技术将废塑料回收转化为有价值的混合碳纳米材料的方法，与目前生产碳纳米管的商业方法相比，该方法的能耗降低了约90%，产生的二氧化碳减少了90%-94%；劳伦斯·伯克利国家实验室通过捕捉铜纳米粒子将二氧化碳和水转化为乙烯、乙醇和丙醇等可再生燃料和化学品；宾夕法尼亚州立大学开发出一种纳米纤维素涂层（MINC），可以在不使用大量能源的情况下从工业废水等二次来源中回收稀土元素。日本东京都立大学开发出氧化锆基底负载金纳米粒子混合催化剂，可将塑料废物转化为有机硅烷化合物；大阪府立大学利用添加了磷酸基团的金属吸附酵母（P-酵母），选择性地回收了合成海水和温泉水中的微量稀土元素。新加坡科学技术研究局（A*STAR）在有机催化剂存在的条件下，使用纯乙醇胺通过氨解将废弃的对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料转化为锂离子电池聚合物电解质（PE）。瑞典查尔姆斯理工大学将废电动汽车电池细磨后的黑色粉末溶解在草酸溶液中，通过对温度、浓度和时间进行调节，使各种金属以草酸盐的形式实现选择性分离，其中铝实现完全溶解，锂的浸出率达到98.8%。

美西方国家进一步加强关键矿产技术研发，未来将重点发展矿产勘探、开采及加工技术。美国能源部先后拨款3200万美元、3000万美元和1.5亿美元用于研发关键矿产先进加工技术，推进稀土等关键矿产和材料提取、生产、分离、加工技术的发展，将开发用于清洁能源技术的稀缺关键矿产的替代品；能源部拨款1090万美元推进从地热盐水中提取和转化电池级锂的技术研发，以获得具有成本效益的用于固定存储和电动汽车电池的关键材料；国防部向Graphite One公司投资3750万美元以强化国内先进石墨供应链，包括在美国国内开采矿石、加工石墨材料、建设石墨回收设施等举措；能源部从《两党基础设施法案》中拨款35亿美元，以促进国内先进电池和电池材料的生产，包括提高国内电池材料和先进电池所需矿产的加工能力，减少对外国关键矿产、电池材料、零部件和技术的依赖等。日本、韩国、加拿大、意大利、英国计划捐款超过4000万美元，与世界银行合作启动一项实现清洁能源产品及矿产供应链多元化的项目，将向新兴市场和发展中国家提供财政和技术支持以“建设矿产加工和制造能力”。澳大利亚工业、科学与资源部发布《关键矿产战略2023-2030》，旨在加强与投资者和国际合作伙伴的合作，发展澳大利亚的关键矿产加工业。欧盟就《欧洲关键原材料法案》达成临时协议，法案提出到2030年，欧盟提取、回收、加工的战略原材料分别至少达到年消费量的10%、25%、40%，且任何一种战略原材料对单一第三国的依赖程度不超过65%，该法案将于2024年年初生效。

主要国家持续加大高性能电池材料研发力度，或将发展新的电池技术路线。美国克莱姆森大学开发出更安全的新一代钾离子电池，该电池采用普鲁士蓝类似物（PBA）六氰基铁酸锰钾阴极，可作为锂离子电池的备用品，未来可为国家固定储能系统（如电网）提供关键的备用存储；北卡罗来纳州立大学开发出氧化石墨烯（GO）复合纤维（GO/MnO2）阴极，并使用该材料制造出可以为手表供电的锌离子电池原型；橡树岭国家实验室开发出一种新型锂基固态电解质材料Li9N2Cl3，该材料表现出优异的锂相容性和大气稳定性，可用于制造高面积容量、持久的全固态锂金属电池。日本东京理科大学开发出一种新型镁电池阴极材料Mg1.33V1.57Mn0.1O4，该材料为尖晶石结构，其组成非常均匀，具有良好的充放电性能，未来镁电池性能或可超越锂离子电池。德国慕尼黑工业大学开发出一类导电率高于平均水平的磷化物基化合物材料ω-Li9TrP4（Tr= Al, Ga, In），可作为锂离子电池固体电解质材料。中国科学院物理研究所开发出一种基于粘弹性无机玻璃（VIGLAS）的新型固态电池电解质材料，该材料兼具无机和有机电解质的特性，可以显著提高全固态电池的稳定性。韩国主要电池制造商LG Energy Solution、三星SDI和SK On转向高性能磷酸铁锂（LFP）电池技术研发，其中SK On展示了LFP电池试点产品，LG Energy Solution计划在美国亚利桑那州建立LFP工厂用于储能系统，三星加入了韩国政府主导的项目，预计到2026年开始生产LFP电池。

各国加紧布局深海采矿项目，积极开展深海矿产勘探和环境评估，深海矿产资源争夺日趋激烈。联合国国际海底管理局召开会议讨论是否开放深海采矿以及制订深海采矿行业规则，但由于各成员国分歧较大未能允许开放深海采矿，暂定于2024年7月再继续探讨相关条例制订工作。加拿大金属公司发布了对旗下NORI-D多金属结核项目（位于克拉里昂-克利珀顿区）的环境影响进行生命周期评估的评估结果，认为海底钴镍矿开采技术与陆上开采钴镍矿的现有技术路线相比，可显著降低对环境的影响，并表示将派出一个团队返回NORI-D进行环境研究，以评估海底多金属结核收集试验对海底生态系统的影响，预计将于2024年向国际海底管理局提交商业采矿许可证申请，并于2025年开始生产。挪威宣布计划批准企业在格陵兰海、挪威海和巴伦支海的本国海域内进行深海采矿，并计划于2024年1月进行议会正式辩论和投票，以决定是否批准基于初步勘探期间收集的数据开展全面采矿活动。

编辑丨郑实