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干勇院士:新材料与新能源汽车

作者:干勇,中国工程院院士 2019-12-052700

2019年11月18-20日,由中共宁乡市委、宁乡市人民政府主办,宁乡高新技术产业园区管理委员会、宁乡市委统战部承办,起点锂电大数据、起点电动网、SNEC新能源企业家俱乐部联合主办的第5届中国(宁乡)新能源企业家年度峰会暨固态电池技术论坛(同期第5届起点金鼎奖颁奖典礼)在长沙宁乡通程温泉大酒店隆重举行。

 

来自300+电池厂/主机厂500+材料设备企业领导相聚宁乡,共谋新能源产业发展。在19日举行的开幕式论坛上,中国工程院院士干勇先生作《新材料与新能源汽车》报告。

 

以下为现场实录:

尊敬的旭明市长、钟利仁部长、主持人:

 

非常高兴来参加宁乡新能源产业3.0时代高端论坛,我在几天前刚到长沙参加了新材料协会论坛,上次刚刚做了一个报告,是《制造强国的基础能力建设》,因为这是中材办交给工程院的任务,整个制造业发展有新动态和挑战。而新材料与新能源汽车,切合今天的主题,我改的比较匆忙,我是想交流一下。

 

工程院做工程科技发展战略时,本来就是战略咨询单位,是一个智库,像国务院和各个部委递交各种重大的工程战略咨询报告,国家科技发展和未来10到15年的全球格局和产业分工体系将发生深刻变革,产生基础能力提升。又根据新的材料和与美国全面的较量已经成为常态,下一步怎么办?所有的制造业强国的领域都是瞄准的重点,国际环境的深刻变化,美国优先、中美关系发生变化,是搞的保护主义和我们的多边主义到连纵主义的较量。

 

一大批新技术将广泛应用,更多新技术突破继续涌现,通过网络通信和感知、工程控制、机器人、人工智能来提高我们先进技术的水平。还包括高端装备,提了7个领域,一会可以看一下。还有新材料、生物、新能源,包括绿色环保和产业模式的变化,这里面就涉及到制造格局的深刻变化,以美国为首的发达国家想把新兴国家和资源提供国家进行打压。

 

制造业比重方面,中国在下滑,发展动力不足,出现了过度去工业化的现象,占GDP的比重2017年下降了29.3%。资本驱利特性大量涌入房地产和金融业,产业结构仍处于中低端,产业附加值低,企业家对发展前景信心不足,中国10个银行的利润占了中国金融500强公司利润的50.7%。

 

还有一些核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人,包括产业的体系、算法、设计、代工、生态环境等,已经是核心短板中的重灾区,包括人工智能高端传感智能也垄断在国外的企业手里。我们统计了130多种高端技术材料,32%是空白,特别是信息技术的特种材料。

 

中国制造10个重点领域里面有7个领域,包括装备、数控机床、机器人航空航天、海洋工程、新能源汽车、电力装备、智能电网等,信息技术和新材料是基础,包括生命科学。现在信息技术和能源技术的发展,新材料的开篇已经有所变化,正在提升,现在提出“超高性能”“超高纯度”,这是新材料发展的特点,要做中长期的打算和战略安排,很多地方是拼命赚钱都赚不到钱,但是也砸,不砸就跟不上。

 

新材料是国家高端材料的壁垒,垄断性越来越强,日本东丽垄断了碳纤维,美国铝业垄断了飞机使用金属材料80%的专利。学科的交叉,包括基础学科的突破,使材料有了新的变化,物理深度融合诞生了高温超导材料。


当然中国的材料体系非常完整,我们是大国,将近20多种材料在全世界的数量都是第一,钢铁占了52%,水泥占了56%。

 

数量和材料的专利的任务也达到了全世界第一。这些过程中,特别是锂电池、新型电池材料等发展很快。半导体照明、高性能钢材料等,我们都有长足的进步。

 

抢占未来制高点,新材料还在不断涌现,我们不能放过。转方式、调结构,由于重大工程、高端装备的需求,中国必须突破新材料核心技术。高端新材料是重大工程成功的保障,材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。

 

最近正在做2030的重大课题专项,对新材料,中国的任务很重,这是强国的表征。数万台发动机在今后十年当中表现出来。有的制造业核心元器件的应用,这些高附加值产品往往都是国外提供,我们做集成、装配、加工中心。材料分成13类。

 

高端装备特种合金,先进钢铁,还有海洋的深海用材。我们晚了20年,目前600度超强零件的基础中国改造了3亿多千瓦,占全世界80%以上,非常成功,而且出口占据国际市场的30%左右。深海油气开采的关键材料,这些核心的高端空白,低端不能用。

 

高端装备,特别是轴承,包括汽车轴承、高铁轴承、数控机场轴承,几乎全部都是进口,160公里以上的动车组所有的高端轴承全部进口,每年高铁进口8万到9万套轴承。包括汽车自动变速器。

 

为了适应汽车批量化,中国吉帕级高性能汽车钢板,而且迅速占领了国际国内的大量市场,都是以强化为主,包括淬火配分,对汽车的轻量化起了决定性的作用,性价比非常好。车身制作284公斤,减轻了17%到29%的重量。

 

所以在与其他钢,其他国内外厂商,206家在应用,累计供货141万吨,占领国内市场超过60%。高温合金,这是发动机核心材料,我也不谈了。钛合金、铝合金,这里面已经制定了轻量化的规划包括先进民用飞机、海洋石油工程。

 

钛合金是非常遗憾的领域,钛合金的性能非常好,海洋、天空、陆地,这是第四代革命性的材料,轻,比强度高。但是长时间来,就在5万吨、7万吨徘徊,去年达到了7.4万吨,而且包括湖南的众多高端钛合金生产装备已经起来,但是很奇怪,钛在地球的储量是铜的80倍,全世界用钛合金在用到20万吨,在地球上什么储量最大,什么东西才便宜,像铁。只有钛储量多,但是价格昂贵。一定有一种低成本的技术没有被突破,现在正在找这种技术。原来使用镁还原得到海盐钛,中国的技术还在继续进行,我们走在前面。

 

镁合金,有两个问题,腐蚀性、强度,这两个问题都得到解决,丁院士在镁系统合金中采用各种技术,非常好的协同强化效应。包括耐蚀性,现在通过超声阳极氧化犯法,和镁合金完全一样,我们每年供应95%以上,国内的镁大量的应用,最近应用到20多万吨,每辆汽车上平均应用不到5公斤。所以希望通过一系列技术来减轻重量。

 

现在飞机上如果用镁合金将是极大的减重,镁合金有一个致命缺点高温自燃,所以波音他们最近签订了协议,美国的FAA计划将于年内取消商业飞机禁镁的禁令。

 

2017年世界汽车产量达9000多万,出国汽车镁合金用到20到30公斤,这个量就巨大了。在高铁、地铁、摩托车、3C产品的应用,包括电池上的应用,镁干电池,海水激活电池,这非常有前景。

 

镁合金的弹性模量与人的骨头相当,易降解。我们希望10到15年后镁合金汽车行业用到150万吨左右,这是庞大的减重计划和目标,国家的轻合金制造创新中心正在筹备。2020年要有20万吨左右用到车身板,到2050年大概有30万吨左右用到车身板。

 

铝加工,大型的铝的挤压件完全国产化,而且都是由很多民营集团来实现的。

 

新一代飞机大型整体式的结构件。高性能陶瓷与玻璃这里面对陶瓷材料不讲了。范景莲教授做了很多工作,最近2个陶瓷材料的院士,很厉害。2020年需求预测,能量转化1.5万吨。新型高分子材料,民用交通和医疗卫生用聚烯烃材料,食品安全用钛系催化环保型聚酯。

 

高性能纤维与复合材料,碳纤维符合材料一定是各种交通工具应用的材料主体。国产化碳纤维低成本化,特别是汽车领域的应用,最近看到宁波所,他们在碳纤维汽车上面的应用做了大量的工作,中车也在大型的高铁上采用车体材料碳纤维的实验,将会为我们大规模的发展。

 

稀土新材料,资源第一、产量第一,是重要的战略优势资源,5月20号习总书记视察了基地,使用了4公斤的稀土,猛禽战斗机实现了超音速巡航功能。惯性导航的系统材料。

 

卫星、飞船的姿态控制、轨道调控都是材料的应用。先进战机多用发动机,包括机器人、数控机床。

 

包括了催化材料、高性能的稀土永磁材料用于全车数十个电机和传感系统,特别是磁动力系统。现在在城际列车上大量应用,千瓦的电机已经出来节能18%到30%左右。下一步创新点,是磁在新能源汽车里面得到大量的应用。

 

磁的创新点在哪里?磁动力体系上,永磁调速之后,中间可以是柔性连接,这样没有摩擦、没有接触、没有润滑。永磁轴承有是悬浮轴承,应用转子动力学、机械学、电工电子学,无噪音、噪音小、耗能低。是潜艇的隐身能力大大加强。永磁制动,应用在电梯安全永磁制动系统、汽车永磁缓速器、轨道交通永磁制动器。永磁齿轮、变速已经完全不用齿轮摩擦了。所以永磁的产业非常大,我认为应该发展起来,磁产业应用方向,涉及战略性达9个门类。7月12日上午,把新兴的磁动力电机表演给刘鹤副总理。

 

混合动力技术可用于氢燃料汽车,这是非常好的方案。每辆混合动力汽车要超过10公斤,价格很低,这非常有用。包括催化剂,催化剂材料给我们压力很大,基础研究不足,国六突围占,必须在轻稀土上打一个漂亮仗,在北京催化剂的研究院。

 

新型显示,主要是激光显示材料。第三代半导体材料,支撑绿色、智能、泛在技术,满足国防安全、信息安全、智能制造、节能减排。第三代半导体的需求将会上来美国2030年的用电,他与2018年相比,发电量降低11%,第三代半导体做国家公关中做了重要的安排。

 

新能源汽车发展趋势,美国DOE规划2020年到2025年,效率、密度、成本必须要达到新的高度,效率、电控达到98%,密度100千瓦每升,成本2.7每千瓦每美元。所以第三代半导体优势就出来了,相比SI,有3倍的热导率,有3倍禁带宽度,10倍击穿场强,高电流密度、高开关速度高温,低导通电阻,冷却系统简化,更高效率。体积可以减少到三分之一到五分之一。系统的物料成本大幅度的下降。

 

电动汽车用功率半导体模块的占比,到2023年要达到50%。车联网和能源互联网是相通的,有巨大的结合作用,对国内碳化硅的发展历程,国家材料委员会和重大专项的编制组做了新的安排,所以电力电子技术启动,碳化硅6英寸产品成熟,国际有一些差距,但是我们的水平正在提升,包括株洲团队,他们在高铁的IPTV上做的很漂亮,在6寸的碳化硅上做了很多工作,20多家汽车厂商已经在车载充电机中使用碳化硅。主要用于电能转换、电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域,这是我们的方向。

 

绿色能源太料,2020年锂离子动力电池单体的比能量达到300万。新型锂离子电池,国家成立了锂电电池的创新中心,现在是在高容量三元材料大量应用,硅碳复合材料必须上来,可能突破350瓦时的能量,最后是全部钛电池已经接近成熟。探索富锂锰基固态电池,锂硫电池。

 

新能源汽车发展将推动全球能源资源需求发展重大变化。全球新能源汽车产业已进入快速发展期,2035年中国新能源汽车产量将占汽车总产量60%。

 

全球新能源汽车产业进入高速发展阶段,2018-2035年,中国汽车产量将从2781万辆快速增至4600万辆,新能源汽车产量将从127万辆快速增至1700万辆。到2020年,新能源汽车产量将达到200万辆,新能源汽车的发展将使全球石油消费的顶点和提前到来,中国少用2亿吨石油,因为用电代替的石油,中国的电是用煤,所以是煤电转换比,威胁美国的石油体系,甚至影响俄罗斯、中东地区的经济发展,进而影响全球能源格局,这是新能源汽车带来的冲击,如果2035年达到这样的产能,中国石油消费顶点提前到来,拉动铝、铜消费的需求,将使铜需求量从8万吨增长180万吨。

 

锂、钴搭起了煤炭和石油转换的桥梁,是国家能源安全的重要组成部分。而且全球资源分布集中,国际市场垄断程度很高,所以我们要小心,垄断程度高于石油,现在到各个地方可以买到石油,但是钴、锂垄断性还是很厉害的,所以要培养世界级大新新能源汽车企业,实现汽车产业弯道超车。积极寻求境外石油合作开发,提高多元化供应水平,这里面潜力巨大。

 


我在每一次会议上都补充新能源电池,从氢还还原氧化铁,二氧化碳减到零,二次能源成本偏高,高碳向低碳发展这是必然的,在韩国召开的世界气侯大会委员会上,1888年到2018年,地球的维度提升了0.86度,这温度的提升,看气侯的变化非常奇特,非常恶劣的天气不断出现。所以到本世纪末,如果温度提高2度,最多1.5度,这是什么概念,10年之内要出现一圈北极冰没有了,2050年二氧化碳排放要大幅度减少,全球进入氢能时代,占能源比重的18%,所以氢时代的到来,固体能源到液体能源到气体能源的转换,从不可持续到可持续,从集中式到分布式,从多碳到无碳。减排60亿吨的温室气体。

 

氢能未来,抓住当下的机遇,他认为聚焦四个机会,充分利用现有的工业港口,将其转变为低成本、低碳、氢能的枢纽,支持运输车队、货运通道使产生更大的竞争力,柴改氢。国外氢能的发展我不说了,氢能作为极具发展潜力的二次能源,具备转换灵活、容易获取等特征,国际能源署和全球氢能委员会均发布的路线图和相关文件。

 

包括各国的氢能发展,2018到2050,我就不细说了,美国到3个30万辆,在路上跑的氢燃的汽车,现在现在只说到2030,100到150万辆。

 

如果作为基础设施部分,2030年到100万辆,大概是5000多座,每年需要大概400万吨所有的氢能利用。日本到2025年到3个30万台新燃料电池。

 

国内已经形成6个集群,完整的产业链正在形成。京津冀、华东、东南、华北,动作非常快,因为各省的资源禀赋不一样,要因地制宜。为什么山东这么积极全省做规划,有两横两纵的交通线的氢走廊,化工大省,是因为氢气产能庞大,巨型车企引领,山东重工目前投500个亿建立氢能的平台。山西每年6亿吨煤输出来,他准备将1亿吨煤变成氢气输到周边的省市。

 

四川,建设全国优质清洁能源。海南,2030年不准燃油车进入海南,对氢能的发展已经全面的规划,内蒙也是,煤气也是丰富的。在氢的利用上,我认为是在中型卡车、大巴的应用,乘用车的布局非常困难,首先是要补贴下去。中国燃料电池汽车和氢能的现状,41家整车企业,56款燃料电池汽车车型,25家燃料电池系统公司。

 

港口的重型机械,也可以利用,重卡、柴油这是一个方向,集中布局氢燃料电池,全国汽车保有量,柴油车占了9.6%,但氮氧化物占了78%。

 

我们统计了每个港口的出货量,按每车运输30吨,柴油量巨大,氢气每个月120万吨,大量的减排。

 

唐山是非常好的例子,1.3亿吨的钢铁产能的物流巨大,首先用煤气来布局加氢站,所以国际商已经开始重卡了。

 

燃料电池现状不说了,最后主要是区域性的大格局,一个诚实的,氢能的运输重要,管道运输的成本非常便宜,如果使用车,每年运输的成本24亿,材料方面不再说了,这也是材料大的产业,包括聚合物的气瓶。

 

国家目标的发展,CCM的纳米、微米复合材料的使用。国内外代表企业,山东东岳。

 

中国制造业与国外制造强国相比,新能源汽车,国际领先5类,通信设备、先进轨道交通装备、输变电装备、纺织、家电。

 

我的发言就到这里,谢谢大家。

 

来源:起点锂电大数据

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