我国独具优势的“镁经济”

镁是地球上最丰富的金属元素之一，既有重要的工业价值，又可实现能源的循环利用，被誉为“21 世纪最具开发应用潜力、绿色的战略性原材料”。“镁经济”是基于燃料电池关键技术的自主创新而构建起来的绿色循环经济及与其密切关联的现代产业集群。它既为可再生能源的储能消纳、工业废弃物的综合利用提供了清洁安全高效的解决方案，又为发展高端制造提供重要基础材料，开创了质优价廉的工业化来源。更为重要的是，“镁经济”对众多产业升级的带动和未来新兴产业的培育，及其中蕴含的前沿科技交叉融合、多点突破，为我国在激烈的国际竞争中开辟发展新领域新赛道、赢得发展主动权制高点，提供了难得机遇。

“镁经济”是新能源与新材料相融合的绿色循环经济

“镁经济”简而言之是以镁为循环介质，同时实现新能源和新材料两大产业的绿色循环、优势整合，其核心产业链是：以东部沿海/西部盐湖大量堆积、难以处理的盐场废弃物苦卤为原料，以风光电为能源，先经电解工艺制取金属镁，再通过镁燃料电池发电，最终产物除了清洁稳定的电能外，就是极具经济价值、粒度在纳米级、纯度高达 99.5%~99.95% 的氧化镁(以下简称“超纯超细氧化镁”)，全过程没有工业三废和二氧化碳排放。

“镁经济”核心产业主要包括可再生能源发电、盐化工、镁燃料电池发电、金属镁/镁合金和超纯超细氧化镁制造，其外延产业将涉及冶金陶瓷、航空航天、国防装备、电动汽车、电子电器、光学仪表、食品医药等众多领域。

“镁经济”的绿色循环能以经济高效方式构建起来，得益于燃料电池关键技术的一个重大突破。镁燃料电池在军事和民用领域有巨大发展潜力，因为镁资源丰富、能量密度高(理论上约是锂离子电池的 15 倍)，不存在回收利用难题、无污染物排放，从生产、使用到储运的全过程及长期储存都是安全的，没有易燃易爆和腐蚀性问题。但是，包括镁燃料电池在内的所有燃料电池都须使用稀有贵金属铂做催化剂， 导致资源受限且成本居高不下。我国科研人员已成功开发出经过特殊设计处理、可完全替代铂的碳基催化剂，使镁燃料电池成本至少能降低 60%以上，进而通过镁循环实现一举多得的“镁经济”、引领诸多产业变革。

特别需要强调的是，“镁经济”的重要产物之一——超纯超细氧化镁，在全世界范围内都是非常稀缺且昂贵的重要基础材料。目前纯度能达到 98.5%的氧化镁即被称为“高纯氧化镁”，广泛应用于高端制造领域，每吨市场售价高达几万至几十万元人民币。国际上高纯氧化镁主要是通过海水提取，化学制备工艺非常复杂，且生产过程需大量使用有毒的氨水，还存在“硼难以去除”的世界性难题。目前这一技术只掌握在日本、荷兰、美国等少数发达国家手中。我国虽然是全球氧化镁生产的第一大国，但高纯氧化镁却长期依赖进口。“镁经济”不仅能实现超纯超细氧化镁的工业化生产，还能把成本降至目前市场价的 1/3 以下，既打破了国外的技术垄断，生产工艺又清洁低碳无污染。

“镁经济”对我国制造业升级有重大深远影响

工业产品追根溯源，最重要的支撑就是基础材料。没有尖端的基础材料，高端产品就是无源之水。高纯氧化镁正是高端制造业所必需的尖端基础材料之一。

高纯氧化镁因能在 2850℃高温下具有优良的热稳定性、抗侵蚀性、电绝缘性、光透过性、高导热性、高分散性和纳米活性，作为高温耐热材料和精细化工原料被广泛用于冶金陶瓷、石油化工、电子电器、光学仪表、国防航空、食品医药等高端制造领域。氧化镁的纯度和粒度不同，所生产的产品就有高下之分。比如，硅钢片涂层是决定硅钢片质量的重要因素，99%纯度的氧化镁是目前最好的涂层原料，日本已用它来取代 98%纯度的氧化镁，因为仅一个百分点的纯度提升，就能显著增强硅钢片的绝缘性能、降低铁芯损耗，使电机、变压器等设备更加安全和节能。

我国是制造大国，但高端产品还比较匮乏，其中一个重要原因是基础材料受限。比常规高纯氧化镁综合性能更优异的超纯超细氧化镁，若在我国实现工业化生产和应用，必将对基础材料的创新和制造产业的升级产生重大深远影响。

仅以钢铁工业为例简要说明。

特钢的应用遍布各个行业，是工业化的基础材料，也是一个国家高端制造发展水平的重要标志。虽然近年来我国特钢产量有明显进步，但仍以中低端为主，高端特钢还要依赖进口，每年高达上千万吨，与国际先进水平仍有差距。

要提高钢材的品质，一个重要前提是提高钢水的洁净度、减少有害元素和非金属夹杂物的引入，而炼钢过程中高温材料(如高温容器衬里、钢水控流元件等)的侵蚀磨损是造成钢水“污染”的重要祸源之一。要解决此问题，与钢水接触的所有高温材料采用以高纯氧化镁为主要组成的碱性材料， 是全球公认的成功之举，可有效抵抗钢水的冲刷侵蚀、提高钢水的脱硫脱磷效果、减少非金属夹杂物，并提升设备的安全性和使用寿命。

无论是作为主原料、辅助原料还是合成材料的添加组分(如镁铝尖晶石等)，高纯氧化镁对高温材料的整体性能都起到至关重要的作用。一是它不仅自身性能优异，还能有效弥补氧化钙、氧化锆等材料在生产和使用过程中的缺陷，使其扬长避短;二是目前最常用的几种耐高温的氧化物中，只有氧化镁的高纯化批量生产还是技术难题。可以说，氧化镁的品质在很大程度上决定着高温材料的品质，进而影响着钢水的洁净度和终端钢材的品质。因我国高纯氧化镁的纯度不够高、粒度不够细，与钢水接触的高温材料的性能还难以满足高品质洁净钢的苛刻要求。超纯超细氧化镁的规模化生产和应用，必将极大促进高温材料的性能突破和品种创新，为我国高端洁净钢冶炼和钢铁产业转型升级打下重要基础。

我国具有开创、引领“镁经济”的显著优势

“镁经济”的核心产业链“风光电+海洋/盐湖资源→金属镁→镁燃料电池→清洁电能+超纯超细氧化镁”，不仅关键技术完全自主可控，而且从上游资源来源到下游市场应用， 我国还有发达国家所不具备的资源、市场和完整产业链优势， 主要体现在四个方面：

一是让无法处理的工业废弃物苦卤“变废为宝”。苦卤的主要成分是氯化镁，是我国东部盐场和西部盐湖盐化工行业的主要副产物，因找不到用武之地，只能当废弃物堆放。我国最大的钾肥生产基地察尔汗盐湖累积的苦卤已达数千万吨，而全国的苦卤总量还在以每年近千万吨的速度增加，既是巨大资源浪费，又给环境造成很大破坏。“镁经济”用风光电来电解氯化镁，产物是金属镁(即镁燃料电池的燃料)和氯气(即化工原料)。4 吨无水氯化镁可生成 1 吨金属镁，进而产生 1.66 吨氧化镁。从目前氧化镁的年需求量看，“镁经济”至少可把全国每年新增的苦卤消纳掉，使总量不再增加。

二是让镁材料的生产工艺既环境友好又成本低廉。我国镁资源储量占世界 70%，目前拥有全世界 90%的金属镁产能和 2/3 的氧化镁产能，但两者的生产工艺都是高耗能高污染高成本。“皮江法”每生产 1 吨金属镁，大约消耗 11 吨白云石、5 吨标准煤、1 吨硅铁和1200 度电，产生约 8 吨工业废渣和 17 吨 CO2 排放，还有大量粉尘污染，过高的成本也限制了镁合金产业大规模发展。通过高温煅烧菱镁矿来制取氧化镁，还无法实现 98.5%以上的高纯度。发展“镁经济”不仅可使我国镁材料产业清洁低碳，还能使金属镁的成本至少降低 2/3、以普通氧化镁的成本实现超纯超细氧化镁的量产。

三是超纯超细氧化镁在我国有庞大产业需求和配套。目前高纯氧化镁最主要的应用是高温材料，与之最紧密关联的是耐火材料产业，我国产量高居世界 65%以上，且品类最齐全;耐火材料的下游应用如钢铁、玻璃、水泥、陶瓷等基础制造业，我国产量都占全球一半以上。实现超纯超细氧化镁的工业化生产，使耐火材料产业升级换代，进而带动中国制造向高端化发展，有庞大市场需求。此外，我国大力发展的电子电器、光学仪表、国防航天等产业，也都要用到超纯超细氧化镁。“镁经济”将为“短板产业补链、优势产业延链、传统产业升链、新兴产业建链”的产业发展大势提供有力支撑。

四是“镁经济”将助力提升我国的能源安全保障。通过金属镁实现风光电的储能，再通过镁燃料电池发电，这一能源循环有着其他储能技术难以替代的优势。比如镁燃料电池可采用模块化灵活部署，既没有燃爆风险，又能承受极端苛刻工作环境(如挤压、穿刺、水淹等)，非常适合做紧急状况下的应急电源、军用装备的保障电源、偏远海岛的发电站等。此外，离网充电已是电动汽车产业发展的重要方向之一， 可解决电动汽车充电难并避免集中充电对电网的冲击。利用镁燃料电池实现离网充电，不仅建设成本低、充电速度快， 而且投资回报高(副产品是超纯超细氧化镁)、运行维护便捷。

政策建议

“镁经济”核心产业链中最关键且带动效应最大的技术创新——通过镁燃料电池生产超纯超细氧化镁，目前已在河北唐山建成了年产 300 吨级的生产线，生产工艺和产品质量的可靠性先进性已得到实践检验。这标志着“镁经济”的绿色循环不仅切实可行，而且为我国加快形成新质生产力提供了重要抓手。为此，提出以下五点建议：

一是充分认识“镁经济”对我国的重要战略意义。“镁经济”以颠覆性的技术创新，实现了三大突破——超纯超细氧化镁实现工业化生产、金属镁/镁合金的成本大幅降低、镁燃料电池不再受制于铂的稀缺昂贵，为性能优异的镁质新材料和镁能源大规模推广应用扫除了最大障碍。在“镁经济”的新领域新赛道上，中国有着得天独厚的资源和产业优势，且核心技术全部自主，不仅不会被“卡脖子”，反而可占领创新高地。建议从国家战略高度推动 “镁经济”，高效推进新能源与新材料产业交叉融合、多点突破，赢得发展主动权。

二是积极开展“镁经济”的绿色循环示范区建设。可将已有良好研发和工业基础的唐山作为首个示范地，建立以“海上风电、镁燃料电池、金属镁/镁合金和超纯超细氧化镁制造、溴素制取、电动汽车等”为支撑的现代产业集群。暂不考虑“镁经济”外延产业的巨大价值，仅风电和镁质新材料直接产生的经济、减排效益就十分可观。保守测算，若建设 2GW 海上风电，可形成年产 40 万吨金属镁、66 万吨超纯超细氧化镁和 5 万吨溴素的产能，总投资约 350 亿元人民币，年收入至少在 300 亿元以上，年减排 1300 多万吨 CO2。“镁经济” 立足海洋资源，将是市场潜力巨大和带动效应巨大的绿色经济增长点。

三是加快推进超纯超细氧化镁与产业升级相结合。超纯超细氧化镁是有重要价值的基础材料，但要真正推进一个产品或产业实现优化升级，还须在应用环节进行充分的工业研发试验。就拿特钢冶炼所用的碱性耐火材料来说，要引入或改用超纯超细氧化镁为原料，需重新设计生产线，增建测试平台，开发的新产品还须有特钢企业试用或联合攻关，整个过程需大量资金投入和上下游企业联动。建议借鉴宝钢工程带动国内钢铁产业升级的成功经验，从国家层面明确战略目标和布局，高效链接钢铁冶金领域的研究院、设计院和骨干企业，产学研协同推进超纯超细氧化镁这一重大突破的成果落地转化。

四是尽快提升镁材料产业的国际竞争力和话语权。超纯超细氧化镁比高纯氧化镁应用更高端和广泛，实现工业化生产将使世界高纯氧化镁的市场格局重新洗牌。目前我国高纯氧化镁行业生产规模小、产品质量低，且用于高温材料的基础技术、检测技术、产品技术的标准滞后于国外。应考虑成立超纯超细氧化镁大型生产企业，并尽快健全法规标准，抓住机遇走向国际市场。此外，因成本昂贵，目前全球金属镁/镁合金的产能远远小于铝/铝合金、钢铁的产能，其重要工业价值远未发挥出来。建议依托“镁经济”的技术成本优势迅速扩大金属镁/镁合金产能，占领这块价值巨大但还远未做大的新兴市场。

五是深入拓展镁质新材料应用的前沿科技和产业。纳米金属材料的应用大大推进了粉末冶金技术和金属部件 3D 打印质量的跃升，纳米磁性材料的应用开创了癌症靶向诊疗方法。镁质新材料具有优异的物理化学性能、吸附催化性能、 高灵敏度和快速响应特性，除了目前已知的应用外，还有很多全新领域尚未发掘，特别是关联效应巨大的超纯超细氧化镁。比如可合成世界上还无法实现的高纯度镁铝尖晶石，开发能承受极端苛刻环境的陶瓷集成电路基板等。建议设立与镁质新材料应用有关的国家重大科技专项，提前谋划、及早布局前沿应用和基础研究，使我国成为未来新兴产业的领跑者和开拓者。

(本文作者王亦楠系国务院发展研究中心研究员)

(本文刊发于《中国经济周刊》2023年第20期)