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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
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征集年度
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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
2023年度
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
路基工程 多灾种 风险评估 性能保持
川藏铁路超高宽幅站场路基灾变风险评估与长期性能保持是关系到工程全生命周期建设与运营的技术难题，超高宽幅站场路基功能分区多，长期稳定与空间变形演化十分复杂。该难题致力于构建板块挤压、高原隆升、气候变化和工程扰动等内外动力作用下超高宽幅站场路基灾变风险评估与性能保持的理论与技术体系，阐明川藏地区多灾种综合风险内涵与形成机制，量化区域多灾种危险性、承灾体脆弱性和恢复力，实现多灾种、全要素、多层级的综合风险动态模拟与评估，突破多灾种多尺度多物理场的超高宽幅站场路基灾害全过程分阶段风险评估技术瓶颈，有助于支撑川藏铁路等重大工程高起点高标准高质量建设、贯彻落实“交通强国”战略。
推荐机构： 中国地震学会
天然气提氦 气体分离 膜分离技术 离子液体膜
氦气是国家重要战略稀有气体资源，在国防军工、高端医疗、电子制造和大科学装置等领域都发挥着不可替代的作用。我国对氦气的需求量极大全球第二，但超过95%的氦气都依赖进口，是严重的“卡脖子”气体。氦气通常是与天然气伴生的，我国已发现的氦气藏普遍品位低，其中浓度低于500 ppm的气藏约占一半，低品位含氦天然气因提取困难而未得到充分利用，造成了严重的资源浪费，因此开发面向贫氦天然气的低成本提取技术是保障我国氦资源安全的关键难题。气体分离膜技术因分离过程不涉及相变，具有绿色、高效、节能的显著优点，为低成本天然气提氦提供了新机遇。开发气体分离膜与低温吸附或者低温精馏的耦合提氦技术被认为是实现低成本天然气提氦的有效途径，即通过膜分离富集的粗氦再经低温吸附或低温精馏得到高纯氦。膜富集得到氦气的纯度决定了低温吸附或低温精馏的设备投资和运行成本，因此膜分离技术也是实现低成本天然气提氦的关键。膜分离技术的核心是膜材料，开发具有自主知识产权的高性能天然气提氦膜材料与膜组件，并考察膜分离性能与低温技术耦合及经济性的关联对于我国低成本天然气提取和保障氦资源安全具有重要意义。
2022年度
地球健康体检 对地观测技术 健康地学 谱遥感
对地观测（遥感卫星）系统是空间基础设施的重要组成部分，因其综合、动态、快速、大范围获取数据的优势，可作为全球资源环境动态监测及评估的核心技术。全球人类活动的不断加剧已使得地球生态环境的健康状况逐步下降，进而反作用于人类的自身健康。基于开展有效地球健康诊断、评估与识别的迫切需求，提出了对地观测技术发展的重点技术。围绕地球健康体检的科学内涵和健康地学目标，在系统梳理国内外新型对地观测技术进展基础上，提出了地球健康体检的主要内容、技术流程及其关键技术，总结了新型对地观测技术开展地球健康光谱监测网络建设平台构建方法以及开展地球体检的示范思路和展望。
推荐机构： 中国遥感应用协会
隧道工程 灾变机制 安全控制 性能保持
青藏高原山川密布，地质复杂，气象多变，严寒缺氧。川藏铁路横穿内外动力耦合作用最活跃、最复杂的青藏高原东部地形急变带，隧道群密集，长大深埋隧道众多，这些隧道面临着大位移活动断层位错、强烈大变形、极强岩爆、高温热害、高水压突水涌泥等重大工程地质灾害，隧道建造安全风险极大。与此同时，板块构造运动、自然沉积等作用引起超长深埋隧道周边环境具有显著的空间非均匀性和多相性，部分岩体物理力学特征呈现高度各项异性，这些非均匀各向异性自然效应严重影响隧道的长期正常服役。为探明川藏铁路深埋超长隧道工程在四高（高海拔、高水压、高地应力、高地温）和两强（强动力扰动与强卸荷）作用下的灾变机理，构建深埋超长隧道工程的安全建造技术体系，构建超长深埋隧道非均匀各向异性自然效应作用下超长深埋隧道的受荷模式及其结构性能劣化模式，亟需开展大型活动断裂带黏滑及蠕滑作用下隧道灾变机制与减震结构、深部复杂软岩损伤时效演化过程与大变形防治、极高地应力岩体能量赋存规律与岩爆控制、高原岩溶和构造带高压水灾变机理与防控、高地温隧道固液气多相耦合传热机理与热害防治、非均匀各向异性自然效应下超长深埋隧道劣化机理与性能保持技术等方面的研究，以解决青藏高原内外动力与工程扰动叠加条件下超长超深埋隧道的建造安全面临的重大风险难题，进而构建极复杂地质超长深埋隧道灾害风险防控理论与安全建造技术体系，形成超长深埋隧道性能保持技术。
推荐机构： 詹天佑科学技术发展基金会
高温气体动力学 跨介质 热/力/化学耦合 热防护
高温跨介质热/力/化学行为源于超高速度、超高温度、超长作用时间极端环境气体与表/界面等对象的相互作用过程，并因此产生了极端物理化学反应、跨介质热/力载荷和跨尺度传热传质等基础科学难题。由于环境条件与时空尺度超越目前的经典高温气体动力学模型、实验模拟条件和基础科学认知，其科学属性包括高温气体动力学、离解与催化动力学、极端环境空气动力学、流/固耦合、材料计算设计和先进功能/结构设计等交叉领域，因此符合前沿科学问题定位。具体如：1) 空间流场组分演变、相态变化及与流动耦合问题。高温条件下气体分子会离解和电离、液体分子会破碎和气化，并会出现热非平衡及辐射效应等现象，同时高温气体基本性质认识不足，增加了分析与模拟的难度；2）跨介质的高动态多尺度响应影响问题。高温跨介质带来不同系统的质量与能量交换及能量与载荷的传递过程，存在不同介质的响应、形变及与流场的耦合过程，同时流场的高频量与结构响应相耦合，会为工程设计带来严重困难；3）结构高敏感影响参数的识别、非线性响应与防护方法问题。高温结构界面处的热流、摩阻、脉动压力及空气阻尼等参数与局部流动尺度密切相关，而材料与结构的响应亦与边界载荷和材料工艺特性相关，耦合特征呈现强非线性，为防护措施的选择带来极大难度；4）多效应耦合下的地面模拟验证方法与高精度测试表征问题。地面试验来流条件的限制使其难以模拟工程设计需要的实际运行条件，高温高速带来了空间流场相关参数测试的难度，尺度和灵敏度的限制使结构表面和内部相关量的测量异常艰难。
推荐机构： 中国空气动力学会
全固态锂金属电池 工程化应用 高能量密度 高安全性
全固态锂金属电池使用高电导率的全固态电解质膜来代替传统锂离子电池中的聚合物隔膜及电解液，并使用锂金属负极来代替低能量密度的石墨负极，拥有当前锂离子电池体系无法比拟的能量密度及安全性优势，非常有潜力成为下一代高性能电化学储能设备，推动交通电气化及低碳经济的发展。目前，全固态锂金属电池在原材料开发、电芯设计、生产工艺、智能制造、系统测试等环节还面临着诸多突出难题，还没有任何一种固态电解质能够满足全固态锂金属电池的所有要求，也没有任何一家机构宣称已成功制造出商用规模的全固态锂金属电池，全固态锂金属电池的工程化还处在萌芽阶段。通过国家的战略统筹，加速解决如何实现全固态锂金属电池的工程化应用问题，不仅是我国科学技术进步的象征，推动低碳经济发展的必然需求，也是稳固我国在储能领域国际领先地位的坚实保障。
推荐机构： 中国汽车工程学会
心源性休克 综合救治体系 精准化治疗 区域转诊中心
心源性休克（cardiogenic shock, CS）是一种由左、右或双心室衰竭引起的低心输出量状态，常与多器官功能衰竭相关，具有极高的死亡率，严重威胁我国国民健康。美国心脏协会CS专家共识提出建立以拥有标准化CS多学科救治团队为区域转诊中心的CS综合救治体系，有助于改善患者预后。然而，我国目前仍缺乏符合我国国情的此类CS综合救治体系。本问题旨在探讨如何创建心源性休克的综合救治体系？
推荐机构： 中国生物医学工程学会
曲面电路 随形制造 复杂曲面 高精密
随着半导体技术和印刷电子技术的发展，传统电子电路制造技术已到达瓶颈，为了使电子产品更加微型化、轻量化，曲面电路技术已经成为热点方向，目前的柔性电子及转印技术无法达到在复杂曲面的高精密随形要求。在复杂硬曲面上直接成型高精密随形电路，为电子电路制造带来了颠覆式技术革新和应用解决方案。
推荐机构： 中国电子学会
