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全部 前沿科学问题 工程技术难题 产业与技术问题
学科领域
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征集年度
全部 2024 2023 2022 2021 2020 2019 2018
脑机接口 脑疾病 脑电信号
脑机接口系统旨在建立一种脑与外部设备之间直接的双向交流通道，以同时实现对外部设备的控制和对脑的调控，从而达到监测脑状态、治疗脑疾病、增强脑功能等目的。 按照信息采集的方式，脑机接口可以分为侵入式和非侵入式两种技术路径。 侵入式脑机接口直接与神经元紧密接触，在神经信号质量和神经调控精度等关键性能上有着天然的优势，但植入手术对大脑的创伤和植入器件长期在体的安全性等问题是当前瓶颈。侵入式脑机接口是一个复杂的系统，涉及电极、芯片、算法、植入等多种关键技术，包括：生物器件集成电路制造技术，用于提高脑机接口记录带宽；超薄超柔电极制备技术，实现海量神经活动信号的长期稳定获取；神经信号模拟域特征提取技术，实现海量神经信号的实时探测、处理和压缩，大幅降低数字神经网络的规模和功耗；微创植入技术，自动躲避血管，减少植入创伤。 非侵入式脑机接口，是目前最常采用的脑信号采集路径，也是在商业化探索中更有望率先落地的技术路径。虽然采集的信号强度远远弱于侵入式脑机接口方案，信噪比低，时空分辨率更模糊，但因为这种方案不会对脑组织造成创口伤害，因此在普惠式应用方面更有潜力。非侵入式脑机接口当下的研究重点，一方面在于信号监测和分析设备及算法的改进、放大器的尺寸、如何降低信号噪声和提高信号可用性；另一方面在于与多种潜在应用场景深度结合，探索应用潜力。非侵入式脑机接口的潜力在于探索在更多场景中的应用，比如专注力提升、解决失眠问题、自闭症干预治疗、阿尔兹海默症延缓等等。此外，将非侵入式脑机接口与VR、机械外骨骼等外界技术手段结合，在瘫痪康复治疗领域也有着巨大的应用前景。 虽然脑机接口技术的临床应用前景广阔，但在性能、精准、高效、安全等方面仍存在众多挑战，例如：开发长期稳定、生物兼容、时空分辨率高的神经信号采集及神经刺激硬件；开发精确、稳定的脑机接口解码算法，以达到对各种复杂外部设备的精细控制；开发精准、鲁棒的脑机接口调控算法，以达到对各种大脑状态有效、安全的调控；研究脑接机口技术的伦理与数据安全等，真正的脑机接口离应用临床还有很长一段路要走。
推荐机构： 中国图书馆学会
2023年度
新能源基地 荒漠化地区 特高压输电 安全送出
我国是世界上荒漠化面积最大、受风沙危害最重的国家之一，全国荒漠化土地约占国土面积的1/4。国家提出以沙漠、戈壁、荒漠为重点建设数亿千瓦大型风光基地，推动构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系，加快能源绿色低碳转型。 由于荒漠新能源基地所在地区大多处于电网末端，电网支撑弱，经济欠发达，本地负荷小，新能源基地缺少大电网支撑，安全运行面临挑战，无法就地消纳。 为此，要将荒漠化地区改造成为绿色能源基地，亟需解决如何在缺乏电网支撑的情况下实现数亿千瓦荒漠新能源发电基地安全稳定送出的关键问题。
推荐机构： 中国电机工程学会
长周期储能技术 新型电力系统 电力电量平衡 大容量高效率
由于新能源发电出力波动大、可靠出力低，随着新能源装机占比不断扩大，以及煤电的逐步退出，新型电力系统面临严峻的电力电量平衡及保供挑战。大规模、长周期储能技术可以实现大规模能量的长时间存储、转移和转换，对于提升新型电力系统长周期灵活性及充裕性具有重要作用，同时也关系着未来系统的演化路径和电网形态，但目前国内外新能源发展场景、路径有很大差异，长周期储能技术的定义、需求也不同，当前的储能类型多样，但满足我国新型电力系统建设的长周期储能技术尚无明确答案，，适用于新型电力系统的大容量、高效率、具有成本经济性的长周期储能方式还一直在探索与研究之中，大规模工程应用和实践尚未开展。
氢能 质子交换膜燃料电池 运输 低铂 低成本
当前质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术水平（包括功率密度、寿命、能量转换效率、低温启动性能等）均已满足车用要求，然而其成本居高不下，成为限制车用燃料电池动力系统商业化与规模化应用瓶颈。为了降低燃料电池成本，关键是大幅降低电极中铂基催化剂用量，然而催化剂载量的不断降低会牺牲电池性能与寿命。因此，如何突破低铂、低成本车用燃料电池电堆关键技术，解决成性能、寿命与成本之间的矛盾是当务之急。此外，燃料电池催化剂、碳纸、气体扩散层等关键材料主要依赖进口，进一步推高了我国燃料电池系统的成本，如何突破低铂、低成本车用燃料电池关键材料批量化制备技术，实现完全自主的国产化替代，构建完整的燃料电池产业链，对于我国燃料电池技术发展至关重要。
推荐机构： 中国汽车工程学会
作物栽培 无人化 绿色 优质丰产
根据我国农业生产劳力持续减少、土地流转与规模化经营加速、全程田间作业要求更为高效舒适的大趋势，围绕大田作物绿色优质丰产目标，以大田作物栽培“无人化”作业技术为核心，配套无人机飞防高效植保技术、智能远程控制灌溉技术和智能精准“无人化”收获技术，创建大田作物生产“无人化”作业技术体系，解决未来粮食“怎么种、靠谁种”的技术问题，推动粮食生产由机械化向“无人化”新跨越。
推荐机构： 中国作物学会
超快动力学 阿秒电子显微 阿秒时间分辨率 皮米空间分辨率
电子显微镜可以深入了解物质的最小细节，例如可以揭示材料的原子结构、蛋白质的结构或病毒颗粒的形状。然而，自然界中的大多数材料都不是静止的，而是一直在相互作用、移动和重塑。比如光与物质之间的相互作用在植物、光学元件、太阳能电池、显示器或激光器中普遍存在，其相互作用的内在本质是由光场驱动的电子运动所决定的，发生在飞秒（10-15秒）甚至阿秒（10-18秒）的超快时间尺度上以及皮米（10-12米）的超小空间尺度上。因此，为了对复杂材料中功能的微观粒子起源进行直接可视化，需要同时具备“皮米空间分辨率”与“阿秒时间分辨率”的阿秒电子成像技术，从而实现对原子、电子的运动及其相互作用规律的实时、实空间观测。然而，目前超快电子成像技术受到发射度大、亮度低、以及时间抖动、光发射电子固有的能量弥散等限制难以突破飞秒-纳米级时空分辨瓶颈。这些难题的解决可提供原子、电子在本征尺度上的微观动力学直接时空成像，将有力推动我国基础物理、新型光电子器件、超快化学、生物安全 、量子科学、清洁能源等重要科技前沿领域的发展，为我国基础研究的原始创新突破提供有效支撑。
推荐机构： 中国光学工程学会
冲击地压煤层 智能防冲 主动解危 卸压开采
煤炭是我国能源安全的“压舱石”，冲击地压已成为制约我国煤矿安全生产和产能释放的头号杀手，而且随着开采深度的不断增加，其影响越发凸显，将严重影响我国能源战略安全和国民经济持续健康发展。因此，如何突破冲击地压煤层开采技术瓶颈，实现安全、智能、高效开采是迫切需要解决的关键工程技术难题。
推荐机构： 中国煤炭学会
高纯稀土化合物 高纯稀土金属 提纯 工程化
稀土元素因其特殊的4f亚层电子结构，呈现出丰富而独特的磁、光、电、催化等功能性质，被誉为“现代工业维生素”和“21世纪新材料宝库”，已成为全球公认的重要战略资源。高纯稀土材料作为稀土功能材料的基础物质保障，可以确保从原子、电子层次研究稀土材料组织结构与性能关系，体现稀土元素本征性质。随着稀土在高科技领域的开发应用研究不断取得重大突破，稀土功能材料对稀土材料的纯度提出了更高的要求。例如大功率光纤激光器要求镱等稀土化合物纯度达到5N-6N；闪烁晶体要求镧、铈等稀土卤化物纯度大于4N且水、氧含量<50ppm；集成电路、5G通信等用高纯稀土金属靶材要求稀土金属纯度达到4N5以上。另外，不同应用对高纯稀土材料中的痕量杂质要求提出特殊要求。 稀土元素之间结构、物化性能相似，分离系数小；且碱土、过渡族金属与稀土某些性质非常相似，提纯难度大。国外以日本、美国、英国为主，掌握了高纯稀土材料制备核心技术，稀土化合物纯度达到5N~6N，稀土金属提纯达到4N5~5N级，并实现稳定批量，但其技术和超高纯稀土产品均对我国严格封锁。 目前，我国在高纯稀土制备方面与国外还存在较大差距。例如，在稀土化合物方面，国内可以大规模生产3N-4N稀土氧化物，但5N稀土氧化物仅少数厂家生产，大部分杂质元素如Fe、Al、Ca、Si等含量难以控制到1ppm以下；国内高纯稀土卤化物尚处于产业化起步阶段，仅基本掌握4N级高纯无水稀土卤化物制备技术，产品种类少，水、氧杂质含量难以控制到50ppm以下，敏感放射性杂质含量缺乏有效控制手段；在稀土金属方面，我国近年来实现了16种4N级超高纯稀土金属提纯技术的突破，并开展4N5级高纯稀土金属的提纯技术研究，但对于高端应用场景，现有的技术手段对于ppb级的痕量杂质去除效果差，生产效率低、成本高，4N5级高纯稀土金属难以批量化生产。 为保障我国高端装备、电子信息、国防军工等领域关键核心材料的自主可控，针对目前高纯稀土提纯工艺流程复杂，装备规模小、提纯效率低、制备周期长等问题，如何解决稀土基体中痕量杂质的高效分离问题，突破5N~6N超高纯稀土化合物、4N5~5N级高纯稀土金属工程化制备技术和关键敏感杂质痕量去除技术，开发精准控制的大型高效提纯新装备是亟待解决的重大工程技术难题。 稀土元素之间结构、物化性能相似，分离系数小；碱土、过渡族金属与稀土某些性质非常相似，提纯难度大。国外以日本、美国、英国为主，掌握了高纯稀土材料制备技术，且对我国严格封锁，稀土化合物纯度达到5N~6N，稀土金属提纯达到4N5~5N级，并实现稳定批量。国产稀土化合物及金属产品纯度及规模化制备水平仍低于国外。为保障我国高端装备、电子信息、国防军工等领域关键核心材料的自主可控，针对目前高纯稀土提纯工艺流程复杂，装备规模小、提纯效率低、制备周期长等问题，开发5N~6N超高纯稀土化合物、4N5~5N级高纯稀土金属批量稳定制备技术和关键敏感杂质痕量去除技术，开发精准控制的大型高效提纯新装备是亟待解决的重大工程技术难题。
推荐机构： 中国有色金属学会
新能源废料 二次资源 有价金属 清洁利用
“十四五”针对国家战略新兴产业体系构筑明确指出加快发展新能源产业、深入推进资源循环利用。然而发展相应产业需求的主要关键资源对外依存度高，面临严重的资源供给、需求不平衡的问题，比如钴、锂、镍、铜、铝的对外依存度依次为90%、70%、86%、73%、45%。针对能源废料而言，我国废旧动力电池和光伏废料占比高达80%。根据全球能源互联网发展合作组织发布的《中国2060年前碳中和研究报告》测算，2035年我国新能源汽车数量达到1.6亿量，光伏装机量达到15亿千瓦。相应的，每年退役动力电池、报废光伏板组件分别达到约300万吨、105万吨。新能源废料物质组成与相应产品相同，因而含多种有价组分，资源回收价值极高。以光伏固废为例，晶体硅光伏组件中玻璃、铝和半导体材料比重可达92%，另外还含1%左右的银等贵金属。若能全量回收，到2030年，可从废弃光伏组件中得到145万吨碳钢、110万吨玻璃、54万吨塑料、26万吨铝、17万吨铜、5万吨硅和550吨银。而薄膜光伏组件中含有的碲、铟、镓等稀贵金属，主要依赖国外进口，因此其高效回收利用不仅具有巨大的经济效益，同时有利于减少相关资源的进口依赖，防范原材料供给风险，对保障国家资源安全具有重要战略意义。 新能源废料兼具资源和环境危害双重禀赋，利用不好或处理不当不仅会加剧关键金属供给风险，也会对生态环境造成威胁。在《斯德哥尔摩公约》、“水十条”、“气十条”等要求严格污染物排放限制下，新能源废料处置不当所造成的严重环境和安全风险也亟需解决。光伏组件达到寿命年限后如果不妥善回收处理，直接掩埋，既占用大量的土地，同时组件所含有的Ag、Cu、Sn等重金属又会对土壤、地下水造成污染；进行焚烧，则会释放二氧化硫、氟化氢等有毒有害气体。因此，退役光伏组件的资源化利用是光伏产业实现绿色闭环的“最后一公里”。针对废动力电池而言，其主要环境和安全隐患如下：（1）赋存二类重点防控重金属：Ni2+、Cu2+、Mn2+、Co2+等；（2）产生有机危废：有机氟/磷电解液、DMC等酯类废有机溶剂；（3）存在极大安全风险：残余能量高、电压高（>300 V）。因此，亟待推进新能源废料的清洁高值化利用。围绕新能源废料清洁高值化利用，各国做出了相应的行动。日本4R ENERGY针对新能源废料开展“全部清洁化”战略和退役电池回收专项行动。欧美启动了Horizon 2020和动力电池回收专项；美国能源部ReCell电池回收研究中心将锂、石墨、钴和镍列为“关键矿产”；我国由国务院印发的《2030年碳达峰行动方案》提出，推进退役动力电池、光伏组件等新兴产业固废循环利用。 当前，新能源废料处理主要依赖传统冶矿原理，以高价值金属回收为目标，主要流程为新能源废料经过预处理分选（破碎、分选）后，利用湿法或火法工艺进行金属提取，得到初级产品。光伏固废主要存在废光伏电池板、废硅粉、废硅渣三种类型。Veolia通过机械自动拆解回收，铝框、玻璃、硅片、塑料和剩余金属分类处理，回收率达到95%（智能拆解细节未对外公布）；SiC Processing利用切割液回收PEG和SiC，硅粉堆存；易成新能将切割粉熔炼制备工业硅，硅的回收率达到50%；在国内,回收产业尚处于起步阶段，大多企业则主要通过人工分拣，单质硅回收率低于30%。废锂电池的处理则以Umicore、格林美、赣锋锂业处理技术为主。Umicore采用火法回收镍钴，制备镍钴合金；格林美通过干法、湿法回收钴酸锂电池，制备球状钴粉；赣锋锂业采用干法、湿法回收锂，制备碳酸锂、电池级氯化锂。以上技术存在问题也较为突出：（1）分选过程微量、分散状态的金属流失严重；（2）除杂分离流程复杂；（3）多回收成初级产品，造成回收资源利用功能降级；（4）伴生元素利用率低、二次污染严重。以废动力电池处理为例，主要分为两条路线：其一、废动力电池→拆解→前处理（电解液分解、废气排放）→破碎/分选（铝、铜）→黑粉→浸出（浸出渣）→萃取（镍钴盐）→含锂废液→沉锂（废水）→锂盐；其二、废动力电池→拆解→火法冶金（含Li、Al、Fe重金属废渣）→Ni/Co/Cu粗合金→浸出（浸出渣）→萃取（镍钴盐）→含锂废液→沉锂（废水）→锂盐。以上路线中破碎分选过程物料混杂，造成分选率低，产品纯度差；火法冶金过程Ni/Co/Cu合金回收率在70~80%，Li/Al/Fe重金属废渣则未回收；湿法冶金过程虽然Ni/Co回收率达到85%，但是Li的回收率只有50%左右，并且存在回收路径长；此外，整个回收过程存在严重的三废排放的问题：重金属废渣（火法~1.5t、湿法0.6t废渣/t电芯）、废水（20~40t废水/t电芯）、氟/磷废气排放强度高。 新能源废料是高纯原料制造的人工矿物（以废旧动力电池和光伏废料为主），具有典型的宏观组成非均匀、复杂，组元均匀、高纯，组元间结合方式多样，并且含有多种毒性物质。针对宏观多样-介观高纯-微观复杂的新能源废料亟需废料短流程-高值化-清洁利用理论和方法。 “十四五”针对国家战略新兴产业体系构筑明确指出加快发展新能源产业、深入推进资源循环利用。新能源产业发展的主要关键资源对外依存度高。因此，新能源废料等二次资源对资源供给安全意义重大。新能源废料易造成严重的环境和安全风险，亟待推进新能源废料的清洁高值化利用。典型新能源废料处理过程依赖传统冶矿原理，以高价值金属回收为目标，存在金属流失严重、流程复杂、回收产品功能降级、伴生元素利用率低、以及二次污染严重等问题。针对新能源废料宏观组成非均匀、复杂，组元均匀、高纯，组元间结合方式多样，以及含有多种毒性物质的典型特征，亟需发展宏观多样-介观高纯-微观复杂的新能源废料短流程-高值化-清洁利用理论和方法。
推荐机构： 中国化工学会
载人火星 推进 核动力 航天器
载人火星探测是一项艰巨的任务，以往的研究方案多以低速度增量需求的长期火表停留任务为主，增加了航天员在轨长期驻留的风险挑战，因此开发快速往返技术是安全实现载人火星任务的最基本要求。采用先进推进技术，降低发射重量，提高推进效率是快速往返的必然选择，但目前工程实施难度大。需通过顶层设计规划，选择合适出发窗口，进行轨道设计与优化，决策推进技术途径，攻关关键技术，开展在轨演示验证，形成载人火星快速往返能力。
推荐机构： 中国宇航学会
