瞻觀前沿

美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種新設(shè)備，可充當(dāng)電流倍增器。這種設(shè)備被稱為納米低溫管，是一種機(jī)制的原型，其作用類似于超導(dǎo)開(kāi)關(guān)，可以將粒子的電信號(hào)提高到足夠高的水平，暫時(shí)關(guān)閉材料的超導(dǎo)性，本質(zhì)上是創(chuàng)建一種開(kāi)關(guān)。

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室瑪麗亞·格佩特·梅耶研究員之一、該研究的作者之一托馬斯·波拉科維奇 (Tomas Polakovic) 說(shuō)：我們正在接收一個(gè)小信號(hào)，并用它來(lái)觸發(fā)級(jí)聯(lián)電流，我們將把這些探測(cè)器的非常小的電流匯集到開(kāi)關(guān)裝置中，然后可以用來(lái)開(kāi)關(guān)更大的電流。

該研究的另一位作者、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究生研究助理蒂莫西·德拉赫 (Timothy Draher) 表示：找到使該設(shè)備在更高磁場(chǎng)中工作的方法是將其納入實(shí)際實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員計(jì)劃改變材料的幾何形狀并引入缺陷或小孔。這些缺陷將幫助研究人員穩(wěn)定材料中的小型超導(dǎo)渦流，其運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)性意外破壞。

該研究的另一位作者、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家瓦倫丁·諾沃薩德表示，這種新設(shè)備還可以作為一種電子邏輯電路的基礎(chǔ)。

阿貢杰出研究員兼小組負(fù)責(zé)人Zein-Eddine Meziani 說(shuō)：這項(xiàng)工作對(duì)于對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)尤其重要，例如將在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電子離子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在那里，靠近光束放置的超導(dǎo)納米線探測(cè)器將需要不受磁場(chǎng)影響的微電子設(shè)備。

圖片來(lái)源：SciTechDaily.com

技術(shù)價(jià)值觀察

納米材料產(chǎn)業(yè)鏈上游為原料供應(yīng)和設(shè)備。設(shè)備主要包括粉碎、混合/分散、測(cè)試等涉及到納米材料制備、加工的設(shè)備。中游環(huán)節(jié)為納米材料的生產(chǎn)制備，包括納米粉體、納米薄膜、納米纖維、納米塊體，還包括以此加工形成的納米復(fù)合粉體、納米磁性液體、納米涂層材料、納米改性纖維及金屬/陶瓷/塑料基等納米復(fù)合材料。下游包括在電子信息、新能源、生物醫(yī)藥、建筑化工、服裝紡織、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

納米管是一維納米材料，納米管在極低的溫度下還具有超導(dǎo)性?？茖W(xué)家開(kāi)發(fā)出納米低溫管超導(dǎo)開(kāi)關(guān)，有助于增強(qiáng)粒子對(duì)撞機(jī)中微小粒子的信號(hào)因此，從納米材料產(chǎn)業(yè)鏈上看，納米低溫管處于產(chǎn)業(yè)鏈的下游環(huán)節(jié)。

宏觀市場(chǎng)觀察

——全球納米材料行業(yè)技術(shù)來(lái)源國(guó)分布：中國(guó)占比最高

目前，全球納米材料第一大技術(shù)來(lái)源國(guó)為中國(guó)，納米材料專利申請(qǐng)量占全球納米材料專利總申請(qǐng)量的49.68%;其次是美國(guó)，納米材料專利申請(qǐng)量占全球納米材料專利總申請(qǐng)量的19.41%。韓國(guó)和日本分別排名第三和第四，專利申請(qǐng)量占比均在10%以下。

——全球納米材料行業(yè)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從趨勢(shì)上看，2003-2011年，美國(guó)納米材料專利申請(qǐng)數(shù)量領(lǐng)先中國(guó)，中國(guó)相關(guān)專利數(shù)量較少，但是在2012年后中國(guó)實(shí)現(xiàn)反超，隨后申請(qǐng)數(shù)量每年高速增長(zhǎng)，直至2019年開(kāi)始，申請(qǐng)數(shù)量波動(dòng)下將，但是體量仍維持在世界第一，保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。2021年，中國(guó)納米材料專利申請(qǐng)量為25297項(xiàng)。在2012年后，世界主要國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)格局大致穩(wěn)定，排名前四的國(guó)家分別為中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)與日本。

——全國(guó)納米材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模

納米材料廣義上是指在三維空間中至少有一維屬于納米尺寸范圍內(nèi)(1~100納米)，或由該尺寸范圍內(nèi)的物質(zhì)為基本構(gòu)成單元的超精細(xì)顆粒材料的總稱。納米材料是處于亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)，比表面積大、粒徑小，表面原子比例高，具有獨(dú)特的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和表面效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)使得納米材料相較于常規(guī)尺寸材料具有催化性強(qiáng)、比熱大、塑性好、硬度高、導(dǎo)電率高和磁化率高等優(yōu)良特性，在電子信息、生物醫(yī)藥、新能源、節(jié)能環(huán)保、建筑化工、服裝紡織、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)等領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用潛能。

納米材料細(xì)分產(chǎn)品眾多，是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的前沿新材料之一，現(xiàn)處于從科學(xué)研究向商業(yè)化應(yīng)用階段。目前，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)的納米材料包括碳納米管、石墨烯、納米級(jí)碳酸鈣、納米級(jí)蒙脫土四大類。其中，納米級(jí)碳酸鈣、納米級(jí)蒙脫土主要應(yīng)用于橡膠、塑料、造紙等領(lǐng)域;目前碳納米管主要作為導(dǎo)電劑材料應(yīng)用于鋰離子電池。石墨烯應(yīng)用相對(duì)較廣，可應(yīng)用于半導(dǎo)體、傳感及顯示器、可穿戴設(shè)備、診斷治療、制藥等領(lǐng)域。

近年來(lái)，在政策和市場(chǎng)需求的大力推動(dòng)下，我國(guó)納米材料市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)Frost & Sullivan數(shù)據(jù)，中國(guó)納米材料產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模由2014年的481.3億元，增長(zhǎng)到了2018年的791.0億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為13.2%。隨著納米材料生產(chǎn)技術(shù)的改良及下游需求增加，2019年起我國(guó)納米材料產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模增速有所提升，預(yù)計(jì)至2024年，我國(guó)納米材料產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將接近2000億元。

——納米材料產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈分布

納米材料產(chǎn)業(yè)鏈的上游為原料供應(yīng)和設(shè)備，設(shè)備主要包括粉碎、混合/分散、測(cè)試等涉及納米材料制備、加工的設(shè)備。產(chǎn)業(yè)鏈中游環(huán)節(jié)為納米材料的生產(chǎn)加工，通過(guò)與其他材料的整合應(yīng)用，形成具有特殊性能的新材料。產(chǎn)業(yè)鏈下游包括在電子信息、新能源、生物醫(yī)藥、醫(yī)療器械、建筑化工、服裝紡織、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)納米材料產(chǎn)業(yè)各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的毛利率狀況可知，目前，上游納米材料制備設(shè)備，中游碳納米管、納米復(fù)合材料，以及下游醫(yī)療器械和創(chuàng)新藥等環(huán)節(jié)毛利率較高。其中，納米材料制備設(shè)備毛利率達(dá)80%，是上游核心壁壘。

細(xì)分市場(chǎng)：碳納米管：主要應(yīng)用于鋰電池領(lǐng)域

碳納米管(CNT)是目前中國(guó)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)應(yīng)用的主要納米材料材料之一，作為一種新型的碳結(jié)構(gòu)材料，其微觀外形呈同軸圓管狀，管壁為數(shù)層呈正六邊形結(jié)構(gòu)的碳原子。徑向尺寸(沿管)為微米量級(jí)，軸向尺寸(橫截面)為納米級(jí)，因此被稱為碳納米管。

高能量密度趨勢(shì)下，碳納米管憑借更優(yōu)的性能，滲透率在逐年提升。相較于炭黑，碳納米管具有更好的導(dǎo)電性能，同樣導(dǎo)電效果下用量?jī)H為炭黑的1/6-1/2。尤其在高鎳三元正極材料和硅基負(fù)極材料導(dǎo)電性能相對(duì)較差的情況下，對(duì)碳納米管的需求在日益上升。此外，碳納米管可以使鋰電池循環(huán)過(guò)程中保持良好的電子和離子傳導(dǎo)，在改善能量密度的同時(shí)大幅提升鋰電池的循環(huán)壽命。故碳納米管作為新型導(dǎo)電劑逐步應(yīng)用于鋰電池領(lǐng)域，用以提升鋰電池導(dǎo)電性能、循環(huán)壽命和能量密度。

新能源汽車市場(chǎng)飛速發(fā)展，對(duì)動(dòng)力電池倍率性、低溫性、快充性以及能量密度要求不斷提高，與傳統(tǒng)導(dǎo)電劑相比，碳納米管導(dǎo)電劑能顯著提升電池性能。在高能量密度鋰電需求的帶動(dòng)下，碳納米管導(dǎo)電漿料出貨量將保持高增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)GGII數(shù)據(jù)，2021年我國(guó)碳納米管導(dǎo)電漿料出貨量為7.8萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)62.5%，2016-2021年出貨量年復(fù)合增長(zhǎng)率為41%。進(jìn)入2022年，碳納米管市場(chǎng)更是趨好。行業(yè)預(yù)計(jì)，2022年有望成為硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化元年。隨著硅碳負(fù)極需求的增長(zhǎng)，碳納米管等配套材料有望同步受益。GGII預(yù)計(jì)，2022年中國(guó)碳納米管導(dǎo)電漿料出貨量將突破12萬(wàn)噸，至2025年將突破32萬(wàn)噸，成為鋰電池導(dǎo)電劑領(lǐng)域中成長(zhǎng)性最高的種類，加快對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)電劑的替代。

——納米材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

基于上述細(xì)分市場(chǎng)與競(jìng)爭(zhēng)格局分析，結(jié)合目前中國(guó)納米材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新情況，歸納該產(chǎn)業(yè)三大發(fā)展趨勢(shì)如下：

中國(guó)納米材料技術(shù)賽道熱力圖

 

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與納米材料關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華南地區(qū)，并且以東莞、深圳市為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，未來(lái)納米材料技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華南地區(qū)優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點(diǎn)關(guān)注廣東省東莞市、廣東省深圳市的福田區(qū)所處納米材料的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對(duì)于納米材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場(chǎng)的潛力空間。

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