化工材料是指在化學(xué)化工過程中應(yīng)用或通過化學(xué)化工過程所生產(chǎn)的材料。化工新材料是指在化學(xué)化工研發(fā)、制備和應(yīng)用過程中，有新結(jié)構(gòu)、新方法、新性能指標(biāo)、新應(yīng)用的化工材料，是國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。化工新材料應(yīng)用領(lǐng)域門類繁多，大多都涉及到高技術(shù)領(lǐng)域，如化學(xué)儲(chǔ)能材料、光電轉(zhuǎn)換材料、光催化材料、電子材料、汽車高鐵用材料、航空航天用材料、先進(jìn)復(fù)合材料、高性能功能性涂料和粘合劑等。為適應(yīng)我國新興產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，化工新材料科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度也較快。據(jù)《中國石化報(bào)》報(bào)道，2023年我國化工新材料消費(fèi)達(dá)4175萬噸，這些新材料的研發(fā)與應(yīng)用，對于支持我國先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，提升產(chǎn)品的附加值，具有重要的意義。
國家能源局網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)顯示：截至2023年底，我國電力工業(yè)中太陽能發(fā)電裝機(jī)量占總發(fā)電裝機(jī)量的20.8%，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)量占總裝機(jī)量的15.1%，風(fēng)電和光伏發(fā)電量已經(jīng)占國家發(fā)電總裝機(jī)量的1/3以上，風(fēng)和光發(fā)電總量已經(jīng)超過了城鄉(xiāng)居民生活用電量。硅基光伏發(fā)電技術(shù)較為成熟，其成本也已經(jīng)較低。近年來，鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)快速發(fā)展，穩(wěn)態(tài)能量轉(zhuǎn)換效率約達(dá)26%。有機(jī)聚合物太陽能電池具備柔性和輕質(zhì)特點(diǎn)，但是聚合物光伏材料價(jià)格仍較貴。可喜的是陜西師范大學(xué)王曉晨教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合橙子（遼寧）材料科技有限公司，將需要十余步合成的聚合物光伏材料（X1）簡化到五步，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到18%以上，成本降低70%以上，使聚合物基光伏大規(guī)模商業(yè)化變?yōu)榭赡堋Ｔ陲L(fēng)電領(lǐng)域，吉林化纖的高模量碳纖維在風(fēng)電葉片領(lǐng)域占據(jù)了重要市場份額，上海石化成功研制出48K大絲束碳纖維，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，產(chǎn)品在風(fēng)電葉片制備中有應(yīng)用優(yōu)勢。
風(fēng)電和光電由于能源來源的間歇性，上網(wǎng)比例的有限制性，需要配套儲(chǔ)能電站。化學(xué)儲(chǔ)能無疑是主要儲(chǔ)能方式之一，主要是鋰離子電池儲(chǔ)能，其材料和電芯制造技術(shù)達(dá)國際領(lǐng)先水平。國家能源局批準(zhǔn)建設(shè)的第一個(gè)大型液流電池化學(xué)儲(chǔ)能國家示范項(xiàng)目——大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站順利并網(wǎng)，完成整套啟動(dòng)試驗(yàn)。2024年11月工信部公開征求對《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案（征求意見稿）》的意見指出：引導(dǎo)上下游穩(wěn)定預(yù)期，完善配套體系，支持產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加強(qiáng)供需對接，推動(dòng)形成產(chǎn)業(yè)鏈融通發(fā)展的協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制。無疑給儲(chǔ)能業(yè)吹來健康發(fā)展的東風(fēng)。
光催化材料與光催化反應(yīng)：在光催化材料存在下，光能促進(jìn)某些化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，目前主要集中在光催化降解有機(jī)物實(shí)現(xiàn)廢棄有機(jī)物的無害化處理，蘇州大學(xué)路建美團(tuán)隊(duì)合成多種特殊結(jié)構(gòu)光催化材料應(yīng)用于工業(yè)有機(jī)廢氣處理，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
高性能有機(jī)纖維是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的關(guān)鍵材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、電力、高鐵等領(lǐng)域。目前，對于芳綸纖維、聚對苯撐苯并二惡唑（PBO）纖維等材料，我國是緊跟美日歐等國發(fā)展，產(chǎn)品基本滿足使用；在高強(qiáng)高模聚酰亞胺（PI）纖維制造技術(shù)方面，北京化工大學(xué)武德珍團(tuán)隊(duì)與江蘇先諾新材料有限公司合作，2024年建成700噸/年生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)高強(qiáng)3個(gè)牌號(hào)，高模3個(gè)牌號(hào)PI纖維，制備技術(shù)和產(chǎn)品指標(biāo)處于國際領(lǐng)先地位。產(chǎn)品牌號(hào)及性能見表1。
表 1 2024年我國部分高強(qiáng)高模PI纖維產(chǎn)品牌號(hào)及性能
高性能涂料領(lǐng)域：涂料是給制造業(yè)制成品穿衣戴帽的產(chǎn)品，據(jù)報(bào)道，2024年1—9月我國涂料總產(chǎn)量2639.8萬噸，與去年同期持平。由于新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展，比如風(fēng)電、儲(chǔ)能電池、微電子產(chǎn)業(yè)、高鐵等領(lǐng)域的發(fā)展，也帶動(dòng)涂料往這些產(chǎn)業(yè)的跟進(jìn)發(fā)展。環(huán)保涂料仍是涂料界的重要話題。水性涂料、光固化涂料、無溶劑涂料和粉末涂料等環(huán)境友好型涂料得到了長足發(fā)展。北京化工大學(xué)李效玉團(tuán)隊(duì)研發(fā)的聚醚型超支化環(huán)氧樹脂，以其低黏度和高官能度，應(yīng)用在無溶劑環(huán)氧樹脂防腐涂料制備中具有十分明顯的優(yōu)勢，超支化環(huán)氧樹脂改性無溶劑環(huán)氧樹脂防腐涂料具有低黏度特性，黏度小于2Pa?S，可以室溫使用混氣噴槍噴涂清漆和色漆薄涂層（50～60μm），涂層的沖擊韌性為100cm，耐中性鹽霧性能大于2000h，耐10%硫酸水液大于960h。
高性能粘合劑行業(yè)：從膠粘劑各品種的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，由于光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏用的有機(jī)硅密封膠、熱熔膠膜和反應(yīng)型熱熔膠膜需求量增長，2023年有機(jī)硅類膠粘劑增長率高達(dá)13.7%，乙烯-乙酸乙酯共聚物（EVA）樹脂類熱熔膠增長率為13.4%，聚烯烴熱熔膠增長率為11.1%。用于消費(fèi)電子、鋰電池、新能源汽車、家用電器等領(lǐng)域的雙面膠帶、標(biāo)簽及廣告貼、保護(hù)膜等的發(fā)展，使丙烯酸酯類膠粘劑增長率為8.3%。在微電子行業(yè)用高性能膠粘劑方面仍處于跟進(jìn)研究階段。
《化工新型材料》雜志是中國化工學(xué)會(huì)化工新材料專委會(huì)的會(huì)刊，專委會(huì)與《化工新型材料》編輯部協(xié)作，從2024年起，每年組織專委會(huì)專家編寫我國當(dāng)年化工新材料科技和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展情況，供廣大讀者參考。
1. 2024年化學(xué)儲(chǔ)能及儲(chǔ)能材料進(jìn)展
為落實(shí)“雙碳”目標(biāo)，2024年，我國風(fēng)能、太陽能發(fā)電新增裝機(jī)容量將超過3億千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量將超過13.5億千瓦。隨著能源結(jié)構(gòu)由化石能源向新型能源體系調(diào)整，而風(fēng)能、太陽能等可再生能源存在間接性能源特性，具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控等劣勢。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，2024年新型儲(chǔ)能電站的裝機(jī)大幅度增加，新增電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)功率預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到30億千瓦。預(yù)計(jì)鋰離子電池的占比將超過95%。鋰離子電池材料和電芯制造技術(shù)我國已處于國際領(lǐng)先水平。
2024年，固態(tài)鋰離子電池（SSLB）材料的研發(fā)，特別是在提升能量密度、功率密度和循環(huán)壽命等方面都取得了進(jìn)展。新材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的突破正逐步解決限制SSLB廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。
正極材料方面，鐵基鹵化物正極材料表現(xiàn)出比傳統(tǒng)氧化物正極材料更好的界面兼容性和價(jià)格優(yōu)勢。FeCl3正極材料與LiFePO4的能量密度相近，LiFeCl3正極材料在具有高離子導(dǎo)的同時(shí)具備多電子轉(zhuǎn)移能力，電極層面的能量密度為傳統(tǒng)氧化物正極材料的1.5倍。此外，均質(zhì)化正極材料Li1.75Ti2(Ge0.25P0.75S3.8Se0.2)3實(shí)現(xiàn)了正極層面全電化學(xué)活性化，使其具備20000圈以上的循環(huán)壽命。
固態(tài)電解質(zhì)方面，氯化物材料Li2.9In0.75Zr0.1Sc0.05Er0.05Y0.05Cl6通過高熵策略實(shí)現(xiàn)高離子導(dǎo)（2mS/cm）和高氧化穩(wěn)定性（4.6V vs. Li+/Li）。氮氧鹵化物材料0.5LiOH-Li7N2I實(shí)現(xiàn)了對鋰金屬負(fù)極的兼容。低成本鋁基鹵氧化物材料僅利用反應(yīng)放熱自發(fā)進(jìn)行合成反應(yīng)達(dá)到mS/cm級(jí)別的離子電導(dǎo)率。固態(tài)鋰電池器件方面，多家企業(yè)已實(shí)現(xiàn)10Ah級(jí)固態(tài)電池器件的試制。
可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例大幅度增加，本征安全、大規(guī)模、長壽命、長時(shí)儲(chǔ)能的釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。其新增裝機(jī)容量將從2023年的50兆瓦/210兆瓦時(shí)增加到2024年的800兆瓦/3400兆瓦時(shí)。
釩液流電池的關(guān)鍵材料主要包括：電解液、雙極板、離子交換（傳導(dǎo)）膜及電極材料。釩液流電池電解液的儲(chǔ)能介質(zhì)，對4h儲(chǔ)能系統(tǒng)電解液的成本占系統(tǒng)總成本的50%以上。電解液的原料是氧化釩，氧化釩的來源主要是釩鈦磁鐵礦煉鋼的副產(chǎn)品、石煤提釩和廢催化劑提釩。2024年釩鈦磁鐵礦煉鋼企業(yè)都加大了氧化釩的產(chǎn)能。電解液生產(chǎn)工藝不斷創(chuàng)新，由原來的高純五氧化二釩生產(chǎn)電解液工藝，轉(zhuǎn)為由提純的釩離子溶液直接制造電解液的工藝。降低了電解液的成本。2024年我國電解液的產(chǎn)能約為20萬立方米。
在液流電池用電極材料方面，電極用聚丙烯腈預(yù)氧氈的生產(chǎn)主要依靠在中國國內(nèi)建廠的外資企業(yè)，碳化、石墨化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了完全國產(chǎn)化。2024年電極的產(chǎn)量大幅度提高，達(dá)到年產(chǎn)400萬平方米，可滿足液流電池電堆生產(chǎn)的需要。
液流電池用雙極板主要為碳塑復(fù)合雙極板和膨脹石墨雙極板兩大類，2024年我國液流電池用雙極板的產(chǎn)量完全滿足了液流電池電堆生產(chǎn)的需要。
液流電池用離子交換（傳導(dǎo)）膜材料主要分為全氟磺酸離子交換膜和非氟離子傳導(dǎo)膜兩大類。2024年，實(shí)現(xiàn)了全氟磺酸樹脂的國產(chǎn)批量化生產(chǎn)，國產(chǎn)的全氟磺酸離子交換膜的產(chǎn)量基本滿足國內(nèi)液流電池電堆的需要。可焊接的復(fù)合非氟離子傳導(dǎo)膜實(shí)現(xiàn)了小批量的生產(chǎn)。
在鈉離子電池鐵系復(fù)合聚陰離子型正極材料領(lǐng)域，開發(fā)出高比能、高可逆鐵系復(fù)合磷酸鹽系正極材料，組裝的扣式電池可以滿足0.1C下克容量為121.8mAh/g，放電中壓為3.26V，首效為95.4%；組裝的Ah級(jí)軟包電池電芯比能量超過120Wh/kg，1C能量效率超過90%，1C循環(huán)1000次容量保持率超過90%。在碳基負(fù)極材料方面，開發(fā)出具有豐富閉孔結(jié)構(gòu)的系列碳基負(fù)極材料，所研制的碳基負(fù)極材料具有低成本、儲(chǔ)鈉容量高和動(dòng)力學(xué)快的優(yōu)勢。并實(shí)現(xiàn)了碳基負(fù)極的小試放大制備。組裝的扣式電池，首次庫侖效率為91.5%，0.1C可逆克容量大于340mAh/g，5C可逆克容量大于200mAh/g，150圈循環(huán)后容量保持率為98%；組裝的軟包電池，0.1C可逆克容量大于310mAh/g，5C容量保持率大于200mAh/g。
2. 2024年光伏材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展
發(fā)展光伏技術(shù)是推動(dòng)可再生能源利用的重要舉措。隨著“雙碳”目標(biāo)的深入推進(jìn)，分布式光伏在能源轉(zhuǎn)型中扮演著日益重要的角色。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)硅晶電池的局限性，聚合物、鈣鈦礦太陽電池等新興薄膜光伏技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這些技術(shù)憑借高弱光效率、柔性、加工工藝簡單等獨(dú)特優(yōu)勢，極大地拓展了光伏應(yīng)用場景，使其能夠融入城市基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)電子領(lǐng)域，如光伏建筑一體化、車載光伏、室內(nèi)光伏及便攜式可穿戴設(shè)備等。近年來，這些技術(shù)在能量轉(zhuǎn)換效率和大規(guī)模制造技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展，這對于提升其競爭力并邁向商業(yè)化至關(guān)重要。
與硅晶電池不同，有機(jī)太陽電池具備柔性、輕質(zhì)和可溶液加工等特點(diǎn)，在可穿戴設(shè)備和透明光伏器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力，也是全球新興光伏技術(shù)布局的重要技術(shù)方向之一。近年來，中國研究人員通過設(shè)計(jì)窄帶隙類小分子受體（如ITIC和Y6），克服了富勒烯受體的局限性，推動(dòng)了這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。在器件制備中，為實(shí)現(xiàn)接近Shockley–Queisser（S-Q）極限性能，需要通過分子設(shè)計(jì)和器件工程降低能量損失、并優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)，以提升開路電壓、增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)換效率。近期，研究人員成功制備了高效三元器件，實(shí)驗(yàn)室小面積器件效率超過20%，模組器件效率達(dá)到18%，展示出良好的商業(yè)化前景。然而，當(dāng)前領(lǐng)域發(fā)展仍面臨若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括：低成本、高性能有機(jī)光伏材料的規(guī)模化制備；針對特定應(yīng)用場景的大面積功能器件和組件的制備技術(shù)與工藝突破。
鈣鈦礦太陽能電池利用有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料作為吸光層。近年來，該技術(shù)快速發(fā)展，單結(jié)鈣鈦礦電池的能量轉(zhuǎn)換效率從2009年的3.8%提升至2024年的認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率26.7%。當(dāng)前，鈣鈦礦電池面臨的主要挑戰(zhàn)，包括：材料穩(wěn)定性不足，鹵化物鈣鈦礦在紫外光照、潮濕、熱輻射、氧氣等環(huán)境下易分解，影響器件壽命；界面缺陷問題，溶液法制備的多晶鈣鈦礦薄膜存在大量表界面缺陷，導(dǎo)致離子遷移加速材料老化，并引發(fā)非輻射電荷復(fù)合，限制光伏性能。
鈣鈦礦電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，并可通過疊層技術(shù)提升。鈣鈦礦與晶硅疊層電池的極限效率高達(dá)43%，遠(yuǎn)超單結(jié)太陽電池的S-Q極限效率（33.7%）。目前，單結(jié)晶硅電池效率難突破30%。2024年，隆基綠能通過優(yōu)化電子傳輸層沉積工藝、引入高效缺陷鈍化材料、設(shè)計(jì)高質(zhì)量界面鈍化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了晶硅-鈣鈦礦疊層電池的突破性進(jìn)展。經(jīng)歐洲權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)34.6%，刷新了此前的世界紀(jì)錄（33.9%）。該疊層技術(shù)與現(xiàn)有晶硅電池工藝兼容，具備升級(jí)現(xiàn)有太陽電池技術(shù)的潛力。相比其他類型的疊層太陽能電池，鈣鈦礦/有機(jī)疊層電池作為新興技術(shù)備受關(guān)注。其設(shè)計(jì)采用寬帶隙鈣鈦礦材料作為頂電池吸收短波長光，窄帶隙有機(jī)活性層作為底電池吸收近紅外長波長光，從而顯著拓寬太陽光譜利用范圍并降低能量損失。這種結(jié)構(gòu)還具備多重優(yōu)勢：鈣鈦礦子電池可過濾高能量光子，保護(hù)有機(jī)層免受光降解；有機(jī)子電池作為封裝層，有效隔絕水氧，提高環(huán)境穩(wěn)定性；此外，中間透明電極層能緩解鈣鈦礦頂電池負(fù)極處的離子擴(kuò)散問題，使其穩(wěn)定性優(yōu)于單結(jié)鈣鈦礦和單結(jié)有機(jī)電池。鈣鈦礦/有機(jī)疊層電池還保留了可溶液加工的優(yōu)勢，為大規(guī)模低成本制造提供了可能性。近期，李永舫院士團(tuán)隊(duì)與國際合作者實(shí)現(xiàn)了26.4%的光電轉(zhuǎn)化效率（經(jīng)第三方認(rèn)證為25.7%），刷新了此類疊層電池的效率紀(jì)錄。
（未完待續(xù)）
