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　　中科院战略性先导科技专项（A类） Strategic Priority Research Programs (Category A) of the Chinese Academy of Sciences 变革性纳米产业制造技术聚焦 1 立项背景及意义 围绕核心技术和技术突破，部署创新链和产业链，建立 物质在纳米尺度下表现出的奇异现象和规律将改变 支撑体系，推动产业制造技术的重大进步和变革，力争 相关理论的现有框架，使人们对物质世界的认识进入到崭 成为实现 “中国制造2025”的关键突破点。 新的阶段，孕育着新的技术革命。纳米技术向纳米产业制 纳米先导专项执行 3 年来，围绕先导总体目标、科 造技术的跨越将加快我国从纳米科技大国向纳米科技强国 技路线 ），明确各年度工作计划 的发展进程，促进相关战略新兴产业的发展。《国家中长 和节点考核指标，加强动态测评和第三方测试，严格过 期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》指出，纳 程管理，已全面完成预定的专项节点目标，部分技术指 米科技是我国 “有望实现跨越式发展的领域之一”。 标已经达到世界先进水平。专项在推动中试和产业示范 2013 年7 月，中科院启动了战略性先导科技专项 过程中，加强关键技术成果专利申请，逐年构建和优化 （A 类） “变革性纳米产业制造技术聚焦” （以下简称 专利布局，为集成攻关和产业链的构建奠定了坚实的基 “纳米先导专项”），围绕国家重大需求、争取突破和 础。主要进展体现在以下 4 个方面。 提升核心技术、培育新兴技术，专项在以下 3 个层次进 行部署。 技术成熟程度 导 先 略 战 长续航动力锂电池 （1）战略先导纳米技术。面向新能源和先进制造领 纳米绿色印刷与器件制造技术 形成产业链 域，部署基于纳米技术的项目一 “长续航动力锂电池” 技术突破 产业示范 破 突 点 重 和项目二 “纳米绿色印刷与器件制造技术”。 纳米结构在特定能源、环境与健康中的应用 技术孵化 产业示范 （2）重点突破先导纳米技术。基于已经具有先进水 核心技术 平和显著产业影响的核心技术，部署项目三 “纳米结构价 评 与 性 共 纳米制造共性技术与标准化体系 标准化体系 在特定能源、环境与健康领域中的应用”。 标准与共性技术 （3）纳米制造共性与评价技术。围绕对纳米产业应 2013 2014 2015 2017 2020 图1 “变革性纳米产业制造技术聚焦”先导专项科技路线图 用有重要影响的关键和共性技术，部署项目四 “纳米制 造共性技术与标准化体系”。 2.1 基于纳米技术开发新材料体系锂离子电池及下一代高能 量密度金属锂电池关键材料的研发处于世界先进水平 2 已取得的进展 第三代锂离子电池将现有锂离子电池的负极石墨 为了实现纳米技术对重要产业领域跨越式发展的推 碳材料升级为硅基负极。同时，近年来具有放电比容量 动作用，需要从科技研发、集成示范、推广应用以及后 达300 mAh/g 的富锂锰基正极材料的出现，为研制出第三代 续升级等方面进行强化支持，重点攻关。纳米先导专项 具有350—400 Wh/kg 高能量密度锂离子电池带来了曙光。 院刊 63 中科院战略性先导科技专项（A类） 纳米先导专项围绕高能量密度动力锂离子电池的 键瓶颈之一。绿色印刷项目团队建立了包括绿色版基、 正级、负极、隔膜、电解液、导电添加剂等关键材料和 绿色制版和绿色油墨的完整绿色印刷产业链技术，并拓 电池制造技术开展协同攻关，技术指标达到国际先进水 展应用于印刷电子、3D 制造等战略新兴产业（图 3 ）。 平，关键技术完成中试（图 2 ）。中科院宁波材料所、 （1）绿色版基关键技术。突破国际上通用的电解氧 中科院物理所等单位组成的团队联合攻关，研制了一款 化版基生产工艺，利用纳米功能涂层材料在铝版基表面 软包锂离子电池，采用纳米硅碳材料作为负极、富锂材 形成特殊微纳结构和亲水特性，发展了纳米绿色版基制 料作为正极、5 V 电解液、耐高电压隔膜，单体锂离子电 备技术，从根本上解决了电解氧化过程产生的高耗能和 池容量为 24 Ah ，其质量能量密度达 374 Wh/kg ，体积能 高污染问题。 量密度达 577 Wh/L 。高容量硅负极材料已与江西紫宸科 （2）绿色制版关键技术。突破传统印刷制版感光成 技有限公司建立战略合作关系，并在企业建成中试放大 像的技术思路，通过纳米转印材料和纳微米结构版材对 研究基地，已掌握 500 kg 每批次规模化制备能力，研发 表面浸润性的调控，发展出无需曝光冲洗的纳米材料绿 的材料已进入企业产品供应链，被送往多家企业进行测 色制版技术。如同数码照相对胶卷照相的革命一样，纳 试并有望在 2017 年导入产品；高容量富锂正极材料已进 米绿色制版技术具有工艺简洁、操作方便、成本低廉等 入中试阶段，成立了宁波富理材料科技有限公司；电解 多方面优势，是目前最环保的印刷制版技术。 液、隔膜等也已初步解决了在高电压材料体系中使用的 （3）绿色油墨关键技术。为解决目前塑料包装印刷 稳定性问题，正在进行放大集成。同时，全固态电池能 使用甲苯等溶剂油墨引起的食品安全问题，成功开发出 量密度、锂硫电池能量密度、锂空电池能量密度等关键 环保型塑料凹印油墨，获国家环境保护部 “中国环境标 技术指标处于世界先进水平。 志产品”证书和科技部 “国家重点新产品”证书，并通 过美国PANTON 公司检测鉴定。 纳米先导目前水平 国内其他最高水平 国际其他公开报道最高水平 ） g （4）纳米绿色印刷制造技术的拓展。突破传统电路蚀 k / g ） h k 比 对 的 平 水 高 最 际 国 、 内 国 与 g / N / ） W h h g 4 O A / ） 7 W I h g % 6 S m A / 3 3 6 刻制造工艺，成功研发出绿色、低成本的纳米绿色印刷电 0 m ） h 9 到 ） 5 （ 0 g A % g ） / a k 3 0 1 周 t e 0 h m 9 达 o / i 6 A 0 % 0 池 y h g M m 1 0 0 o W k （ 4 环 9 1 电 ） T 0 / （ 环 0 循 S L 0 h g 子技术，并主持相关国际标准的制定；印制的电子票卡在 循 % 0 （ 周 型 T ） （ 4 W k 8 4 % 周 0 G A g 0 / 次 8 7 新 C 星 g k 6 h （ 4 0 国 k / 3 W 0 效 % 8 0 R （ （ 三 / h 0 g 0 4 1 T 韩 g g h W 0 / 7 首 8 源 B k k （ W 0 3 全国科技活动周、APEC 会议和地铁票卡等市场成功应用。 h / / g 0 5 R 能 h h k 2 A / 4 m T S W W h 2 5 B G 5 0 W 0 0 3 2 2 0 g 1 8 k 1 / h W 0 2 1 高容量正极 高电压正极 高电压正极 硅碳负极 硅碳负极 电动电池电芯 全固态电池 锂硫电池 锂空电池 容量 容量 稳定性 效率 稳定性 能量密度 能量密度 能量密度 能量密度 锂离子电池材料及电芯综合技术指标优异，锂离子电芯国内领先 锂硫、全固态、锂空气电池关键指标国际达国际先进水平 锂硫、锂空气电池国际领先 图 2 新材料体系锂离子电池及下一代高能量密度金属锂电池关键 材料的研发处于世界先进水平 图3 世界首条纳米绿色版基示范线（左）与绿色制版中心（右）局部图 2.2 建立了包括绿色版基、绿色制版和绿色油墨的完整 2.3 纳米限域的单铁催化剂应用于天然气直接制乙烯取 绿色印刷产业链技术，从源头解决污染排放问题 得突破 传统印刷产业链中从版基制造、印刷制版到印刷油 专项研究团队取得了具有重大应用前景的原创性 墨都面临严峻的环境压力，成为制约其可持续发展的关 学术成果。以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石 . . 64 2016年 第31卷 增刊 变革性纳米产业制造技术聚焦 油生产液体燃料和基础化学品是学术界和产业界研究和 的产业化，目前产品已经上市。上海微系统所研究团队 发展的重点。然而，具有四面体对称性的甲烷分子是自 研制的 TiSbTe 新型相变材料，和传统 GeSbTe 材料相比， 然界中最稳定的有机小分子，它的选择活化和定向转化 其操作速度可提升一个数量级且操作功耗可降低 80% 。 是一个世界性难题，被誉为是催化乃至化学领域的“圣 专项在材料、工艺、设计和器件结构方面获得多项自主 杯”。 创新技术。 中科院大连化学物理所团队研究纳米限域的单铁催 （2）能源与环境领域。中科院化学所在国际上首 化剂应用于天然气直接制乙烯取得突破，将具有高催化 次提出了有机无机纳米杂化技术用于含蜡原油的降凝降 活性的单中心低价铁原子通过两个碳原子和一个硅原子 黏，设计合成了一种新型纳米降凝剂及其生产和应用工 镶嵌在氧化硅或碳化硅晶格中，形成高温稳定的催化活 艺，并在任京线、石兰线等输油管线上正式使用，已为 性中心；甲烷分子在配位不饱和的单铁中心上催化活化 国家节支超过 1.7 亿元，并获得 2013 年美国工程师学会 脱氢，获得表面吸附态的甲基物种，进一步从催化剂表 全球管道奖。国家纳米科学中心与中科院过程工程所的 面脱附形成高活性的甲基自由基，在气相中经自由基偶 纳米环氧复合材料电绝缘性能等关键指标均达到国家 联反应生成乙烯和其他高碳芳烃分子，如苯和萘等。 标准，电网防污闪涂料建立生产能力为 200 吨/ 年的中 与天然气转化的传统路线相比，该研究彻底摒弃了 试线；中科院化学所建立集中式（100 吨/ 日）和分散式 高耗能的合成气制备过程，碳原子利用效率达到100%。 （300 升/ 日）的光催化/ 吸附一体化微污染水净化工艺及 该研究成果发表在Science 后，国内外多家科学杂志和新 设备，完成内蒙古多地牧区及湖南、宁夏、山东等地饮 闻媒体以 “改变世界的技术”为题进行了报道。该项目 用水净化现场示范，已为超过 2 000 人的饮水安全提供了 已经与中国石油天然气集团公司及沙特基础工业公司达 保障。 成合作协议，建立研发基地，推动该项目的产业化。 （3）医疗健康领域。中科院上海药物所研究团队 2.4 若干纳米产业制造技术取得技术突破，部分实现产业 将我国拥有自主知识产权的非腺苷类治疗乙肝的创新药 示范 物异噻夫定制成纳米混悬剂型，将其口服生物利用度 （1）先进制造领域。中科院福建物质结构所研究 从 4% 提高到 27% ，作为化学药品 1.1 类新药，已获得临 团队在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型 床批件。中科院生物物理所注射用前列地尔胶束应用胶 关键技术，研发出具有自主知识产权的连续打印数字投 束技术建立纳米微粒给药系统，作为我国第一个胶束制 影3D 打印原理样机，突破3D 打印钛合金强韧、高疲 剂获得临床批件，现已进入 II 期临床试验。国家纳米科 劳性能这一国际难题。中科院苏州纳米所研发的嵌入式 学中心团队将微流控纳米免疫检测芯片应用于 AFP （甲 纳米材料印刷金属网栅柔性透明导电膜，其导电性比传 胎蛋白）、CEA （癌胚抗原）的联合检测中，芯片产品 统 ITO 柔性透明导电膜高百倍以上，研发团队与国内触 已经进入临床报批程序。中科院生物物理所研究团队成 摸屏龙头企业“欧菲光”合作，实现新型金属网栅触摸 功研制全球首张结核分枝杆菌全蛋白质组芯片和相关仪 屏的批量化生产；苏州纳米所研究团队开发压电式高密 器，为疫苗、药物的研发提供了有力的工具。 度多喷口实验型 MEMS 喷墨打印头，解决了多年阻碍我 3 独创性 国喷墨打印产业发展的瓶颈问题；突破了氮化镓基蓝光 激光器的关键技术，研制成功输出功率大于 1W 的蓝光激 围绕纳米先导专项的总体目标，针对在新能源动力 光器，成立了苏州纳睿光电有限公司推进 GaN 基激光器 汽车、绿色印刷、能源、健康等领域的国家重大需求和 院刊 65 中科院战略性先导科技专项（A类） 行业迫切需要解决的关键技术问题，通过纳米材料的界 面向骨干行业关键需求、面向市场需求，制定精密的专 面（组成、结构及电荷）调控，解决能源和环境中的关 利布局战略，在产业链的关键技术环节取得突破，相关 键问题，实现相应纳米材料的规模化生产和应用，推动 专利成果很快就获得了企业和市场的认可。据纳米先 相关行业的发展。 导专项办公室统计，与纳米先导专项通过签署协议等方 在研发动力电池的过程中，过去 3 年团队初步解决 式开展实质性合作的企业已达 73 家。企业投入研发资 了高容量正极材料在循环过程中的结构稳定性问题、电 金、成立联合实验室、为专项成果建立中试基地，直至 压衰减问题；初步解决了高电压正极材料在循环过程中 建成新的生产线等，为纳米产业制造技术走向产业化奠 与电解液的匹配性问题、界面稳定性问题及过渡金属离 定了坚实的基础。合作企业中既有德国巴斯夫、沙特基 子迁移问题；解决了硅基负极材料在制备及使用过程的 础工业公司等国际知名企业，也有中国石油天然气集团 体积形变控制问题、界面稳定性问题等；自主开发了锂 公司、国家电网等国企，更有一批江西紫宸科技有限公 离子动力电池自动化制造装备。 司、南昌欧菲光、中芯国际等行业领先企业，技术应用 针对印刷制造产业的未来发展，中科院化学所研究 也直接催生了中科纳通、苏州纳睿、北京纳迅等一批高 团队通过纳米材料和印刷技术的创新研究，实现了纳米 技术企业，带动了企业对纳米技术的投资，并创造了更 尺度精细图案和功能器件的印刷制备，进一步将绿色印 多就业机会。 刷技术从传统的纸质产品拓展到印刷电子、光子器件， 在纳米先导专项的整个发展过程中，专项团队围绕 这将从根本上解决传统制造行业由于曝光蚀刻工艺造成 动力锂电池、纳米绿色印刷和印刷电子、纳米银生物学 的严重环境污染，推动众多重要产业的技术变革和绿色 效应等，与国内和国际标准化组织密切联系和沟通，已 发展。2016 年，宋延林研究员获得亚洲化学学会联合会 经初步建立了纳米技术的标准化体系框架；也初步建立 “Distinguished Contribution to

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