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【正略年度观察】科研界——全球材料技术研究进展十大事件(上)

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【摘要】:
材料是技术发展的基础,而新材料则是战略新兴产业发展的基石。“十四五”时期对于我国新材料产业发展同样是极其关键的时期。新材料产业作为我国七大战略性新兴产业和“中国制造2025”重点发展的十大领域之一,被认为是21世纪最具发展潜力并对未来发展有着巨大影响的高技术产业。

【正略年度观察】科研界——全球材料技术研究进展十大事件(上)

 

材料是技术发展的基础,而新材料则是战略新兴产业发展的基石。“十四五”时期对于我国新材料产业发展同样是极其关键的时期。新材料产业作为我国七大战略性新兴产业和“中国制造2025”重点发展的十大领域之一,被认为是21世纪最具发展潜力并对未来发展有着巨大影响的高技术产业。

 

新材料作为全球工业4.0高新技术的先导,近年来各国纷纷推进国内新材料技术研发,全球新材料技术不断突破。目前美日欧新材料技术处于全球领先地位,OLED显示材料、锂电池材料、光固化材料、碳纤维、特种塑料等新材料技术近年突破迅速。未来,新材料技术将会与信息技术融合,轻量化、智能化也将成为新材料技术发展潮流。

 

本文为大家整合了2021年材料领域技术进展十大事件:

 

主要评判标准:0.6*学术价值(期刊影响因子及文章关注度)+0.3*经济价值(2025年潜在市场规模)+0.1*社会价值(预计碳减排量)

 

1、人工合成淀粉

 

2、钙钛矿电池能量转换效率达到25.2%——光伏电池突破

 

3、一种高度稳定的柔性固态锂空气电池

 

4、无源制冷超材料织物

 

5、纤维锂离子电池

 

6、利用细胞壁工程将硬木平板塑造成多功能三维结构

 

7、无碳纯硅全固态电池——助力锂离子电池固体化

 

8、在强酸中电解CO2生成多碳产品

 

9、可充Na/Cl2和Li/Cl2电池

 

10、甲氧基乙胺螯合剂改善镁电池性能——为二价金属电池设计提供思路 

 

 

一、人工合成淀粉

 

资料来源:Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide

研发国家:中国

发表期刊:Science

科研关注度:1064

潜在市场规模:1150亿元人民币

 

淀粉市场以玉米淀粉、马铃薯淀粉等为主。2020年中国玉米淀粉需求量约为2500万吨,马铃薯淀粉需求量约74万吨。按此前淀粉年增长率4.9%推算,2025年中国淀粉市场市场规模为1150亿元人民币。

 

淀粉是“粥饭”中最主要的碳水化合物,是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,也是重要的工业原料。其主要合成方式是由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳来进行。长期以来,科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。

 

 

 

中国科学院天津工业生物技术研究所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法,不依赖植物光合作用,以二氧化碳电解产生的氢气为原料,成功生产出淀粉,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,取得原创性突破。相关研究成果9月24日在线发表于《Science》杂志。

 

二、钙钛矿电池能量转换效率达到25.2%

 

资料来源:Efficient perovskite solar cells via

improved carrier management

研发国家:美国;韩国

发表期刊:Nature

科研关注度:765

潜在市场规模:128亿元人民币

 

2020年,全球钙钛矿太阳能电池模块市场规模达到了30亿元,年复合增长率为23.3%,预计2025年将达到128亿元。

 

金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种新兴的光伏技术,具有打破成熟的硅太阳能电池市场的潜力。在过去的几年里,由于制备方式、化学组成和相位稳定方法的发展,器件性能有了很大的提高,使PSCs成为最有效、最低成本的光伏技术之一。但是,这些器件的捕光性能仍然受到过多电荷载流子复合的限制。

 

韩国化学技术研究所Jangwon Seo,Seong Sik Shin和麻省理工Moungi G. Bawendi报道了一种通过增强电荷载体管理来改善PSC性能的整体方法。首先,研究人员通过调整SnO2的化学浴沉积来开发具有理想膜覆盖率、厚度和成分的电子传输层。其次,他们分别对体相、界面进行钝化缺陷,尽量地降低对能带排列的损害,同时改善电池性能。在正向偏置中,本文的器件显示出高达17.2%的电致发光外量子效率和高达21.6%的电致发光能量转换效率。作为太阳能电池,它们可实现25.2%的认证功率转换效率,相当于其带隙热力学极限的80.5%,钙钛矿太阳能电池的效率再创新高。

 

 

 

超材料织物展现出高效的辐射制冷性能,并为PTM应用提供了必要的透气性和穿戴舒适性。与薄膜或涂层等形态相比,编织结构使超材料织物能够轻松适应复杂的变形(弯曲、拉伸和扭曲),从而与多种物体表面相兼容。通过刺绣、剪裁和缝纫,可以使其融入不同应用场景,如服装、帐篷、车罩、窗帘、遮阳篷等。此外,通过对纤维结构特性的进一步优化和探索,研究人员有望利用辐射制冷和汗液蒸发的共同作用来提高制冷效率。

 

三、三维可塑木板

 

资料来源:Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material

研发国家:美国

发表期刊:Science

科研关注度:251

潜在市场规模:1200亿元人民币

 

2020年, 中国轻质高强复合材料市场零售规模约为1000亿元,预计2025年将达到1200亿元。

 

木制品可以通过替代碳密集型化石燃料材料以及提供长期碳储存来帮助缓解气候变化,同时还具有机械强度高、重量轻、成本低的特点。科学家已经证明了多种方法可以改善木材的性能和功能,使其能扩展到更广泛的应用,包括脱木素、致密化和其他改性。但与金属和塑料相比,木材最大的短板是成形性一般较差。大部分加工木材的手段都很传统,比如使用减法制造(雕刻、车削、机床等)和木工工艺将木材雕刻成复杂的三维(3D)形状,将木块零件拼接起来形成更复杂的力学结构,如中国古建筑中利用最多的斗拱结构。这些“物理方法”通常能在批量范围内对木材进行加工,但没有改变木材固有的微观结构或材料特性,因此无法同时兼备高机械强度和良好的成型性,这限制了木材在高级工程领域的应用。

 

 

马里兰大学胡良兵等科研人员报告了一种利用细胞壁工程将硬木平板塑造成多功能3D结构的加工策略。通过脱木素和水分清除以分解木材成分并封闭导管和纤维后,作者将收缩的木材浸入水中,在快速水冲击过程中对部分重新膨胀木材选择性地打开导管。由此可形成一个独特的起皱细胞壁结构,使材料可以折叠并模制成所需的形状。由此产生的3D模制木材强度是原始木材的六倍,制造的蜂窝芯材料的拉伸强度可达到300MPa,与广泛使用的轻质材料(如铝合金)相当,而其密度仅为0.75gcm-3,成本大大降低。这种方法大大拓宽了木材作为结构材料的潜力,有望对建筑和交通等领域应用产生巨大影响。

 

四、可充Na/Cl2和Li/Cl2电池

 

资料来源:Rechargeable Na/Cl2 and Li/Cl2 batteries

研发国家:美国

发表期刊:Nature

科研关注度:137

潜在市场规模:1600亿元人民币

 

锂/亚硫酰氯电池属于锂一次电池下的产品之一,一次电池2020年的国内市场规模约为1260亿元,预计到2025年将达到1600亿元。

 

锂离子电池(LIBs)已经广泛应用于电动汽车和可穿戴设备等领域。设计具有高重量、体积和面积容量以及高能量密度的新电池概念,对于满足社会对储能不断增长的需求至关重要。在20世纪70年代发明二次LIBs之前,以氯化亚砜(SOCl2)为电解液,金属锂为负极,无定形碳作为正极的一次电池(Li-SOCl2)已经被开发。这种电池通过锂氧化和电解液还原为硫、二氧化硫和氯化锂而放电,该电池在一次放电中可提供约2300mAhg-1的高比容量和710Whkg-1的高能量密度,并广泛用于电子、军事、公用计量和GPS系统等应用。然而,自发明以来一直未实现可充电性。

 

美国斯坦福大学戴宏杰教授和中国台湾科技大学的科研人员,使用无定形碳纳米球 (aCNS) 作为正极,金属钠或锂作为负极,含有AlCl3和氟化添加剂的SOCl2作为起始电解液,首次实现了可充电的Na/Cl2及Li/Cl2电池。该电池以3.5V放电和高达1200mAhg-1容量能够稳定循环超过200次,其库仑效率和能量效率分别高于99%和90%。