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我国石墨烯产业发展现状及未来展望

2018-04-24 10:10:49
作者:王元
来源:《腐蚀防护之友》

石墨烯 (Graphene) 是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004 年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中剥离出了石墨烯,打破了理论物理学界半个世纪以来关于石墨烯无法稳定存在的结论。我国石墨烯产业发展现状及未来情况如何呢?

     石墨烯 (Graphene) 是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004 年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中剥离出了石墨烯,打破了理论物理学界半个世纪以来关于石墨烯无法稳定存在的结论。我国石墨烯产业发展现状及未来情况如何呢?


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    政策助力 产业化步伐悄然加速
 
    1、国家大力支持的新兴产业
 
    石墨烯各方面优异的特性显示出巨大的应用潜力与商业化价值,各国政府先后发布政策投入人力物力,开展石墨烯的应用与研发。

    我国对石墨烯领域的研究与开发也较早就给予了关注。2007-2012 年,中国国家自然科学基金委员会对石墨烯项目累计资助经费达到 3.30 亿元,科技部和中国科学院对石墨烯的累计资助经费分别达到了 5915 万元和 4605万元。十二五规划、十三五规划等一系列文件都将石墨烯纳入大力发展的新材料领域。

    2、石墨烯专利持有我国独占鳌头
 
    在国家战略指引下,石墨烯相关研发成果呈现出爆发式增长,2005 年至2014 年,全球关于石墨烯的专利共有25855 项,其中 2014 年有超过 9000 项申请。我国对石墨烯的研究和开发与国际一直保持同步,并在石墨烯技术研发方面处于国际前列,石墨烯研发和专利持有已在全球占据一席之地,截至 2014年,我国石墨烯申请专利占全球总专利数的 47%,遥遥领先于第二名的美国( 占比 18%)。此外,截止到 2015 年 8月,中国在石墨烯领域发表文章占全球的 34%,远高于第二名美国 (19%)。

    但同时也应看到,我国的石墨烯专利数量虽多但质量较差,基础专利少、应用专利多,且大多集中在导电添加剂、防腐涂料等低端应用领域,而美国、欧洲等则将主要目标瞄准高频晶体管、光电探测器以及传感器等高端应用领域。

    3、产业化进入快车道
 
    产业化方面,2013 年包括华为、东旭光电在内的主流企业与清华大学等科研机构共同建立了“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”(CGIA),以构建产学研一体化平台,共同推动石墨烯的产业化发展。在地方政府的支持下,宁波、常州、无锡、青岛、重庆五地设立石墨烯产业园区,集中发展石墨烯产业,无锡市计划在 2015 年石墨烯及相关产业规模突破50亿元,2020年达到300亿元。

    宁波市计划在三年内设立 9000 万的财政资金,并在 10 年内打造千亿级规模的产业特色群。此外,江苏、内蒙古、山东等地相继成立石墨烯联盟,旨在促进政、企、产、学、研相结合,构建以石墨烯原材料、研发、制备、应用为主体的产业链。各方的共同推动使我国石墨烯产业化进程进入快车道,石墨烯产业呈现出蓬勃发展的势头,第六元素、宁波墨西、重庆墨希、二维碳素等优秀石墨烯企业不断涌现。

    石墨烯专利繁华的背后
 
    现阶段石墨烯制备仍处于实验室阶段,实现石墨烯的工业化生产一直是业界的一个难题,这是造成石墨烯成本高的直接原因。虽然有企业表示实现了石墨烯量产,但其品质不稳定性仍成为制约石墨烯下游产品发展的重要原因。石墨烯专利量高质低,“高端坑”占得少。专利总是先于市场,石墨烯也不例外,石墨烯的产品现在虽然不算多,但是关于石墨烯的专利市场已经是热闹非凡了。我国的石墨烯申请量居世界第一,从数量上,已远超欧美发达国家。然而,市场对于我国石墨烯产品的反馈并不理想。这种产品与专利的不匹配性因何而来?

    经过对我国石墨烯专利的进一步分析,并结合业内专家的意见,可以发现,我国石墨烯专利存在以下诸多问题:

    一是重视数量,忽视质量。我国石墨烯专利数量庞大,说明大家已经开始重视保护自主知识产权,懂得让自己的技术提前在专利市场中“占坑”。但对专利质量的忽视,使得专利技术成果的转换大打折扣,也降低了技术应用中可能获利的概率。经过几年的积累,我国在石墨烯领域占的“坑”不少,但是由于忽视质量,“坑”占得很鸡肋。

    二是基础专利少。石墨烯相关专利,从宏观上来看可以分为基础专利和应用专利。基础专利是涉及石墨烯原材料(石墨烯/氧化石墨烯粉体、石墨烯薄膜等)及其制备工艺的专利,这也是石墨烯核心技术分布区域,占据石墨烯相关产业链的上游。应用专利是涉及石墨烯应用的专利,如基于石墨烯材料的电池、芯片等,此部分技术入门门槛相对较低,市场广,附加值也较高。基础专利少,并非是指数量少,而是指能够应用于市场、用于制约竞争对手的专利较少,即真正达到高质量保护效果的基础专利少。基础专利关乎原材料技术,位于石墨烯产业链的最顶端,谁在基础专利上获得有利地位,谁就拥有了权威话语权,更需要研究者利用专利布局占“坑”,抢占市场制高点。

    三是技术研发,专利先行。虽然石墨烯专利数量上风光无限,却大部分集中在下游应用产品上,且下游应用产品的开发受制于石墨烯的原材料量产技术,而量产技术的专利国人持有比例偏低,能真正做到实质保护技术和产品的专利更是少之又少。希望更多的石墨烯量产技术能得到有效保护,使国人在新型材料领域占有更多的话语权。

    低端领域现已切入 高端领域未来可期
 
    1、制备:石墨烯粉体及多晶薄膜已初具规模,单晶薄膜有待突破
 
    自 2004 年石墨烯被首次制备以来,研究人员发展了多种方法制备石墨烯,各类制备方法可归纳为 2 个主流路线,即自上而下 (Top-Down) 和自下而上 (Down-Top) 的方法。前者通常以石墨为原料,采用物理或化学的方法将石墨解离成单层或多层的石墨烯,制成的石墨烯单晶一般尺寸较小,以微片形式存在。包括机械剥离法、液相剥离法、氧化还原法等。后者通常以含碳气体或固体化合物为原料,通过化学方法利用碳原子构建石墨烯。除此之外,还有一些比较另类的生产方法如碳纳米管展开法、分子自组装法等。目前,高质量大面积石墨烯单晶的制备还处于探索阶段,不同制备方法得到的石墨烯,其物理化学特性不一样,对应着不同的应用领域。

    2、我国石墨烯制备的产业化现状
 
    低端领域生产已经初具规模。目前,国内部分厂家如第六元素、宁波墨西、重庆墨希、二维碳素等厂家已经实现了氧化还原法或液相剥离法石墨烯粉体以及 CVD 法石墨烯薄膜的规模化生产。根据不完全统计,目前我国石墨烯粉体产能共计 3450 吨 / 年,石墨烯薄膜产能105 万平米 / 年,但目前生产的石墨烯质量较差,仅能满足涂料、锂电池添加剂、复合材料添加剂、触摸屏等低端领域的需求。

    高端领域生产短期内较难突破。高速电子器件、光电探测器等高端领域需要大面积高质量的石墨烯单晶,与普通多晶态石墨烯薄膜相比,单晶石墨烯薄膜制备异常困难,目前只能做到毫米级大小,与可实用化的晶圆级大小仍有相当距离,短期内较难突破,化学气相沉积法是最具开发潜力的制备技术。

    3、应用:低端需求逐步打开,高端领域受制于高质量石墨烯的制备
 
    随着批量化生产以及大尺寸薄膜制备等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,目前锂离子正极材料导电添加剂、导热材料、塑料添加剂、导电油墨等低端应用领域即将进入或已经实现产业化。我国石墨烯产业正逐渐由产业化初期步入快速成长期。

    4、石墨烯下游应用产业化现状
 
    低端需求初步打开。受制于石墨烯的规模化制备,目前仅导电墨水、锂电池添加剂、涂料及复合材料添加剂、触摸屏等低端应用领域的需求初步打开。

    (1) 锂电池方面应用
 
    石墨烯作为导电添加剂还可以解决钴酸锂等正极材料高压实比与电池性能之间的矛盾问题,采用石墨烯导电剂的钴酸锂电池容量高出 3%,且具有明显更好的 2C 倍率放电性能。石墨烯还可涂覆在铝箔集流体上,形成石墨烯功能涂层铝箔有助于进一步提升锂电池的综合性能。随着宁波墨西科技有限公司石墨烯涂层铝箔试生产线的建成,此项新技术有望在锂离子电池中得到广泛应用。值得一提的是,作为添加剂,石墨烯仅仅增强了正极材料的导电性,并没有改变电极材料的比容量,因而不会大幅增加锂电池的能量密度。要想大幅增加锂电池能量密度,需选取具有更高比容量的电极材料。目前,多篇已发表论文称利用石墨烯-硫或石墨烯-硅作为锂电池的正负极可大大增加锂电池的能量密度,但此类电池目前还处于实验室阶段,距离产业化应用还需较长时间。

    (2) 石墨烯导热材料
 
    石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数,同时比表面积巨大,因此作为辅助散热的表面涂层具有巨大的应用前景。利用石墨烯可制成具有高导热系数的石墨烯散热片 / 膜,应用于手机、电脑等电子产品以及高功率 LED 芯片中,以增强器件性能,延长其工作寿命。此外,作为添加剂还可利用石墨烯制成石墨烯改性的复合材料,如热导纤维和导热塑料等。该技术领域市场巨大,在我国的电子和工程领域有迫切的市场需求,技术难度小、工艺相对成熟,有快速进入市场的机会。

    (3) 石墨烯导电塑料和油墨
 
    石墨烯可作为新型导电油墨和塑料的主填充料,也可与纳米银粉等混合配制成新型导电浆料或油墨,通过改变石墨烯的填充比例,可调节导电油墨的电阻率和附着性能。美国 Vorbek 材料公司的石墨烯导电油墨已经在物联网隐形条形码技术中开始应用。我国物联网市场巨大,前景诱人,以添加石墨烯为主的导电塑料可以在防静电应用领域得到大力推广,工艺简便、成本低廉、效果明显。

    (4) 石墨烯防腐涂料
 
    石墨烯独特的二维结构使得它既可以在涂层中构建导电导热通道,又可以互相拼接形成严密的迷宫式物理屏障,隔绝腐蚀因子。因此,石墨烯涂料具有导电、导热、防腐、电磁屏蔽等多种功能。另外,石墨烯微片可以增强涂层的附着力,使涂层具有优良的耐磨和耐刮擦性能。因此,石墨烯涂料在飞机、船舶、车辆、桥梁、建筑物、集装箱、油罐、等领域具有应用前景。

    (5) 石墨烯电容屏
 
    石墨烯薄膜最先实现商业化应用的领域是触摸屏领域,用于替代传统的ITO( 氧化铟锡 ) 薄膜。2012 年 1 月 8 日,江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技公司联合相关企业通过研究实现了石墨烯薄膜材料和现有 ITO 模组工艺线的对接,全球首次成功制成石墨烯电容屏手机样机。2015 年 3 月 2 日,重庆墨希科技有限公司与嘉乐派科技有限公司联合发布了全球首批 3 万部石墨烯手机,该款手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜,开启了石墨烯产业化应用的新时代。

    未来市场规模巨大
 
    未来 5-10 年,导电添加剂、防腐涂料、触摸屏等低端应用领域的产业化将趋于成熟,超级电容、传感器、电子芯片等中高端领域也将逐渐进入产业化,石墨烯产业将进入快速成长期,市场空间将快速扩大。

    据预测,2018 年全球石墨烯市场规模可能高达 1.95 亿美元,之后将加速发展,于 2023 年超过 13 亿美元,复合增长率高达 47%。2023 年石墨烯下游主要市场领域包括超级电容、显示、结构材料等。

标签: 石墨烯, 石墨烯产业, 未来发展

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