科幻電影《阿凡達》中，神奇的室溫超導礦石“Unobtanium”借助母樹附近的強大磁場懸托起了哈利路亞山。而現(xiàn)實中室溫超導研究也疑似實現(xiàn)顛覆性突破，近日物理學家Ranga Dias及其團隊宣布已經(jīng)研發(fā)出在室溫和相對較低壓力條件下表現(xiàn)出超導性的材料：由镥-氮-氫（Lu-N-H）構成的三元化合物。室溫超導是否能夠掀起新的一輪能源革命尚待驗證，但這次研究成果的出圈再一次讓超導材料迎來了高光時刻。

　　超導全稱超導電性，是指在一定條件下電阻等于零，電流可在其間無損流動的現(xiàn)象，具備這種特性的材料被稱為超導材料或超導體。超導材料具有常規(guī)材料所不具備的零電阻、完全抗磁性和量子隧穿效應，在醫(yī)療裝備、能源、交通、大科學工程（CFETR、重離子加速器）和國防等諸多領域具有獨特的應用優(yōu)勢。

 

 

 

　　一、發(fā)展環(huán)境

　　國家有關部門相繼出臺利好政策，我國超導材料迎發(fā)展新機遇

　　早在2006年，超導材料便被列入國家“863”計劃中“超導材料與技術專項”，在電力應用、強磁體應用以及弱電應用等方面全面開展研發(fā)。近年來，國家層面圍繞著超導材料的頂層設計政策密集出臺，鼓勵和規(guī)范著行業(yè)健康有序發(fā)展。《中國制造2025》將超導材料列為前沿顛覆性新材料中重點發(fā)展的項目之一，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出積極開發(fā)新型超導材料，參與國際熱核聚變實驗堆計劃，不斷完善全超導托卡馬克核聚變實驗裝置等國家重大科技基礎設施，推動了超導材料的發(fā)展革新；工信部、發(fā)改委、科技部、財政部聯(lián)合發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，提出加強超導材料基礎研究、工程技術研究，在電力輸送、醫(yī)療器械等領域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，明確了我國超導材料重點發(fā)力方向和增量市場來源；2021年12月，工信部、科技部、自然資源部聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》則作為綱領性文件，提出發(fā)展超導材料前瞻布局行動，強化應用領域的支持和引導，明確了超導材料在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中的定位。

 

　　我國超導材料基礎研究能力不斷突破，但在規(guī)模化制備方面與國際水平仍存在差距

　　隨著國家重點研發(fā)計劃支持不斷，我國在超導材料各環(huán)節(jié)的關鍵技術不斷突破。一方面，我國在超導材料基礎研究方面處于國際先進水平，創(chuàng)造了低溫超導材料臨界電流密度的世界紀錄、率先發(fā)現(xiàn)了YBCO高溫超導材料、新型鐵基超導材料等，引領了國際超導材料發(fā)展方向；另一方面，隨著高溫超導材料開始進入商業(yè)化階段，我國在部分高溫超導應用層技術開始接近或達到國際先進水平。例如，全球首條35千伏公里級超導電纜在滬投運，完成國際熱核聚變堆（ITER）計劃用超導線材供貨任務、高性能YBCO涂層導體實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、高電壓等級超導限流器實現(xiàn)掛網(wǎng)、癌癥治療用加速器實現(xiàn)應用、超導弱電技術實現(xiàn)軍民兩用等。與此同時，由于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展相對滯后、產(chǎn)學研用結(jié)合不足，現(xiàn)階段我國超導材料與技術研究發(fā)展總體水平與國際水平尚存在差距，如實用化超導材料的規(guī)模化制備和高端醫(yī)療設備、分析儀器、科研裝備等領域超導應用層技術。

　　（1）上游：產(chǎn)業(yè)鏈上游為原材料，其中低溫超導原材料以鈦、鈮、錫為主，高溫超導原材料主要包括釔、鋇、鉍、鍶、硼。

　　（2）中游：超導材料按照臨界溫度可被分為低溫超導材料和高溫超導材料，目前國內(nèi)低溫超導材料及應用占超導市場總量的90%以上，高溫超導材料仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。已實現(xiàn)商業(yè)化的低溫超導線材主要為NbTi和Nb3Sn超導線材。其中，NbTi具有良好的加工塑性，主要應用于MRI、MCZ、NMR、核聚變實驗堆、加速器等領域；Nb3Sn屬脆性材料，主要應用于NMR、核聚變實驗堆等領域。具備實用價值的高溫超導材料主要包括鉍系（BSCCO）、釔系（YBCO）、二硼化鎂（MgB2）超導材料及鐵基超導材料等，制備方法有固相法、液相法和氣相法三種。高溫超導材料具有使用成本低、應用限制少等兩大優(yōu)勢，現(xiàn)階段在感應加熱、電力傳輸?shù)阮I域已實現(xiàn)初步應用，在可控核聚變領域應用的可行性已得到證實，未來有望在更多領域代替低溫超導材料。

 

 

　　市場規(guī)模：“市場+技術“推動產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健增長，全球市場規(guī)模已達68億歐元

　　在市場需求和相關技術深化融合之下，全球超導材料市場規(guī)模迎來穩(wěn)健增長。一方面，低溫超導材料供需兩側(cè)潛力不斷釋放，批量化加工技術方面不斷發(fā)展的同時，MRI、MCZ、加速器、受控熱核聚變等終端應用迎來跨越式增長；另一方面，隨著全球各國不斷探索高溫超導微觀機理、加速高溫超導材料研發(fā)，疊加高可靠性和高效率的制冷系統(tǒng)的發(fā)展，高溫超導材料已在多個超導電子領域取得了初步規(guī)模化應用。根據(jù)Conectus數(shù)據(jù)，全球超導產(chǎn)品市場規(guī)模從2012年的51.9億歐元增長至2022年的68億歐元。

 

 

　　三、發(fā)展展望

　　超導材料推動儲能行業(yè)升級，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和用電質(zhì)量

　　隨著電網(wǎng)特高壓及遠距離輸電技術飛速進步、疊加5G等高耗能基礎設施的建設進一步拉動電力需求。在雙碳背景下，以風電、光伏為代表的可再生能源的并網(wǎng)、分布式發(fā)電比重逐漸增加，給電力系統(tǒng)帶來諸多穩(wěn)定性及電網(wǎng)質(zhì)量問題。儲能裝置可有效解決新能源供給間歇性與用戶用電需求持續(xù)性之間的矛盾，實現(xiàn)電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻，平滑用戶需求，提升能源利用率，近年來重要性進一步凸顯。

　　在儲能行業(yè)多種技術路線并存的現(xiàn)狀下，超導儲能裝置基于超導線圈運行在超導態(tài)下沒有直流焦耳損耗的特點，可達到很高的能量密度并長時間無損耗儲存能量。同時通過SMES變流器控制與電網(wǎng)的能量交換，可高效調(diào)節(jié)系統(tǒng)與超導磁體之間的功率交換，相比其他儲能裝置具有蓄能量高、轉(zhuǎn)換效率好、響應速度快、應用靈活等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)負荷調(diào)峰填谷，遏制電網(wǎng)低頻振蕩方面效果顯著。未來有望在解決電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性問題、提升用電質(zhì)量以及電能可靠性等方面發(fā)揮不可替代的作用。

　　高通量篩選+機器學習，助力進一步探索高溫乃至室溫常壓超導材料

　　臨界溫度遠低于室溫這一痛點嚴重制約了超導材料的工程化應用，然而近年來，更高臨界溫度的超導材料隨著實驗研究陸續(xù)問世。放眼未來，高通量篩選與機器學習等技術有望基于數(shù)以千計的稀土金屬、氮、氫和碳的可能組合中，實現(xiàn)預測、篩選、甚至設計出新型高溫乃至常溫常壓超導體。

　　一方面，高通量篩選的方法可以在短時間內(nèi)同時對數(shù)千種可能超導材料組合進行過濾，具有自動化程度高、可并行、可擴展的優(yōu)點，大幅度提升候選高溫超導材料搜索效率，從而指導新型高溫超導體的計算和實驗研究；另一方面，隨著更復雜的算法帶來更高的準確性，機器學習為應用高質(zhì)量數(shù)據(jù)優(yōu)化探索及決策過程提供了一系列工具方法，現(xiàn)已被應用于眾多新興材料的研究與設計之中, 包括金屬有機框架材料、軟物質(zhì)、生物材料、鋰離子電池材料、熱電材料、催化材料、碳材料等。在高溫超導機理尚不完全明確之際，利用機器學習挖掘材料的微觀性質(zhì)和宏觀性能之間的對應關系，有望助力科學家們在探索超導材料更高臨界溫度的道路上取得重大突破。