我国石 墨烯产业发展的现状、存在的问题及对策

2018-07-10 11:15工信部 赛迪研究院原材料所  肖劲松

石墨烯 是由碳原子紧密堆积而成的二维晶体,是目前 已知的最薄也最坚硬的纳米材料,具有超薄、超轻、超柔韧、超高强度、超强导电性、优异的 导热和透光性等特性,集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强 度高等多种优异性能于一身,在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和 传感器等诸多领域有着广阔而巨大的应用潜能,是主导 未来高科技竞争的超级材料,被称为“黑金”、“新材料之王”。自2010年两位 发现者获得诺奖之后,全球就 掀起了石墨烯制备、改性和 应用的研究热潮,并被产业界、各国政府、国际知 名大企业和公众寄予无限的希望。


一、全球石 墨烯产业发展概况


各国纷纷布局石墨烯,抢占产业制高点。

石墨烯 作为一种新型的二维纳米材料,因其优 异的性能在电子信息、新材料、新能源、生物医药、环境保 护等诸多领域具有巨大的应用潜能和革命性变革,世界各 国和跨国企业纷纷投入巨资加强石墨烯的研发、生产和应用,以期占 抢占产业制高点。


目前,全球已有80多个国 家投入石墨烯的研发、生产。美国、欧盟、日本、韩国等 相继发布或资助了一系列相关研究计划和项目。特别是 欧盟制定了石墨烯旗舰计划,计划投入10亿欧元。全球石墨烯研发、生产综 合实力最强的前三甲是美国、日本、中国。不仅如此,IBM、英特尔、陶氏化学、三星等 国际知名跨国企业纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,而且还 涌现出了大批专门从事石墨烯研发、生产和 应用的机构和企业。


正处于概念导入期、产业化突破前期。

实验室 成果和专利产品要成为商品,一般需要经过5个阶段:实验室研发——实验工厂(小试)——示范生产线(中试)——示范工厂——规模化生产,每个阶段都不可或缺,并且都潜在着风险,不可能一蹴而就,这个过程需要10年、20年、甚至更长时间。比如,硅材料历经了20多年、碳纤维 坚持了半个多世纪。


从Gartner的技术 成熟度曲线来看,石墨烯 产业总体上正处于概念导入期、产业化突破前期,正从实 验室走向产业化。目前以石墨烯粉末(体)为原料的低端产品,如功能涂料、复合材料、电极材 料和结构增强型材料等,虽然部 分已初步产业化,但规模小、技术含量不高、附加值较低。


而以石 墨烯薄膜为原料的高端产品,如微电 子材料和显示屏薄膜材料等,或处于实验室阶段,或处于中试阶段,短时间 内均难以实现产业化。欧美等发达国家认为,目前石 墨烯技术成熟度还在1-4级,尚不适 宜大规模产业化。


二、我国石 墨烯产业发展的现状及存在的问题


全球石 墨烯研发和产业化最为活跃的国家之一。

我国高 度重视石墨烯的研发与产业化发展。上至国家领导人,下至地方政府、媒体、企业和 普通老百姓都十分关注石墨烯及产业的发展进展。国家自然基金委、科技部、国家发改委、工信部 等相关部委都高度重视石墨烯的研发、生产与应用,不断加 大投入和支持力度。目前已 经有几百家科研机构和公司从事石墨烯材料及其相关产品的研发。


我国石 墨烯技术创新成果频出,产业化发展势头迅猛,走在世界前列。据统计,截止2016年底,我国石 墨烯专利申请量占全球68.2%,85%以上的 理工科学校都有石墨烯相关的研究团队,有的高 校甚至一个学校就多达10多个研究团队。2017年,两项石 墨烯研究成果获得国家科技进步奖。不仅如此,我国从事石墨烯研发、生产的 企业数也是全球最多。


截至2017年2月底,全国在 工商登记注册的石墨烯企业2509家,仅2016年一年就新增457家。我国石 墨烯应用产品上百种,但是得 到市场认可的寥寥无几。资本市 场也纷纷拿石墨烯进行炒作,一些投 资机构和上市企业纷纷进军石墨烯领域。目前涉 及石墨烯概念股将近40-50家。各地政 府纷纷通过制定产业规划、建立产业园区、设立重 点科技专项和产业引导基金、建立产 业联盟和技术创新联盟、组建研 究院和出台扶持政策等措施,支持石 墨烯产业的发展。


据粗略统计,截至目前,全国石墨烯产业园区、研究院等多达37家;几乎每个月都有1-2场石墨烯相关的会议、论坛等。近年来,石墨烯 也受到各种媒体的热捧,关于石 墨烯的各种报道铺天盖地,频繁进入人们的眼球,充斥着“一片蓝海”、“带来万亿级市场”、“颠覆性革命”、“充电十分钟,可跑1000公里”、全面代 替硅材料等言过其实、过分夸 大石墨烯性能的标题。


产业低 端化发展苗头初显。

与美、日、韩等发达国家相比,我国石 墨烯研究和产业发展基本处于产业链和价值链的低端,虽然资本界、学术界、媒体界等“热情高涨”,但无法 掩盖上游材料生产企业盲目扩大产能,下游应 用集中在附加值低的产品、低端产能扩张过快、产品同 质化严重等问题,已经初步显示出“低端化“发展的苗头。


主要表现在:专利“重量轻质”。虽然我 国石墨烯专利申请量超过全球申请总量半数以上,稳居全球首位,但存在 实用新型专利多、原创基础专利少,国内专利多、国际专利少,高校专利多、企业专利少的现象。下游“优材低用”。目前下 游应用多集中在粉体(类石墨烯)领域,产品主 要是石墨烯智能保暖理疗暖贴、石墨烯发热服装、石墨烯织物等轻应用,同质化现象十分严重,即将石 墨烯作为改性添加剂应用于涂料、复合材料、动力电 池等规模大但对石墨烯的品质要求并不高的领域,产品附加值不高,在晶体管、传感器、柔性触摸屏、可穿戴设备、环境治 理等高端应用领域偏少。环保“隐患犹存”。目前的 制备技术普遍存在能耗、水耗大 和工艺不环保等问题,对生态 环境保护存在较大隐患。


面临技术、市场、成本三 大产业化制约瓶颈。

目前,石墨烯 虽然已经走出了实验室,但是大 规模商业化应用仍然面临着很多制约因素。

首先是技术问题。包括制备、分散、应用和 环保等关键技术和装备都尚未突破。虽然目 前石墨烯制备技术已经有20多种,但规模化、低成本、高品质 和大尺寸的宏量制备技术尚未取得实质性突破,难以满 足工业化量产的需求。材料的分散技术,以及与下游工艺、工程化 应用相结合的技术等都还制约着产业化进程。

其次是市场问题。虽然目 前各种应用产品层出不穷,百花齐放,但是缺 乏真正的高品质、高附加 值和体现石墨烯独特性能的杀手锏级产品,绝大多 数只不过是对传统材料进行改性或者努力替代已经成熟的材料,经过改 性后的材料性能提升并不明显,或者石 墨烯并不是非添加不可,个别甚 至在添加之后出现不良后果,难以得到市场认可。一些研 究机构或企业号称取得了突破进展,也只不 过是做出了样品或实验室产品,根本没有形成商品。目前大 多数石墨烯生产企业还主要是给科研机构或下游应用企业提供石墨烯试用品。如果下 游应用市场没有激活,石墨烯就很难产业化。

三是成本问题。目前大 多数企业尚处于小批量生产的探索阶段,还不能 形成稳定的规模化生产能力,没有资金的回笼;且企业 前期的研发投入资金量大、周期长,应用市场没有打开,所以不论是材料本身,还是应 用产品的成本都很高,这都阻 碍了石墨烯进一步走向市场。


此外,石墨烯 产业化之路还存在其他一些障碍。比如,石墨烯 在某些性能方面本身也存在竞争性材料,如碳纤维、碳纳米管、硅材料、石墨烯粉体等。石墨烯 制备还存在着环境风险。氧化石 墨烯制备过程中需要大量的酸、碱,材料本 身具有较强的稳定性和极易扩散,对环境 具有较大的风险。石墨烯的标准缺乏,加之一些误导,使得人 们对石墨烯还存在认知上的误区,如片面 夸大石墨烯的微观性能、将“类石墨烯”石墨烯化(如将石墨烯、氧化石墨烯、石墨粉体等混为一谈)、石墨烯 必须依托石墨资源等。


三、推进我 国石墨烯产业健康发展的对策建议


国内外 学者和产业界都认为石墨烯是一种新型的二维碳材料,看好其 广阔的应用前景。我国有 着丰富的石墨资源,国家高 度重视石墨烯产业的发展,在研发 和产业化方面走在前列。但是,在媒体、资本的热炒下,石墨烯 也呈现出产业化虚假繁荣的泡沫和低端化趋势,市场化应用频频遇冷,遭到了人们的质疑。如果人 们被鼓噪起来的热情和厚望迟迟得不到兑现或者幻灭,最终将 导致石墨烯产业陷入纳米、超导等材料的命运,狂热之 后是彻底地逃离、失望和不信任,这对石 墨烯的研发和产业化将是致命的打击。


石墨烯 作为一种新材料,从发现到大规模应用,是一个 循序渐进的过程,不可能一蹴而就,需要遵循“料-材-器-用”的规律 和新兴产业发展规律,更需要 扎扎实实的不懈努力和锲而不舍的创新精神、工匠精神。


(一)加强顶 层设计和政策引导

一是要 重新审视和评估我国石墨烯发展方向和阶段。在深入研究美国、欧盟、日本、韩国等 国家的石墨烯发展策略、重点方向、研发布局等,把握国 际研究的主流方向,对我国 石墨烯的研发方向进行重新审视,避免方 向的错误和偏差.

二是将 石墨烯重点研究方向与制造业强国战略相统一.围绕新一代信息技术、航空航天装备、节能与新能源汽车、生物医 药等重点领域发展需求,聚焦重点,从国家 层面进行前沿性和战略性方向、专利和产品的布局,而对于 那些技术含量不高的产品、技术交给市场。

三是遵 循相应的科学规律和阶段性特征,加强顶 层设计和政策指导。制定相应的发展战略、规划和路线图,对各阶段的发展目标、产业布局、重点企业培育、关键技术突破、下游应用行业、政策等进行统一部署,合理规 划产能和发展路径,推进石墨烯差异化、特色化、集群化发展,避免低 端同质化重复建设。

四是加 强专利的前瞻布局和质量提升。加强石 墨烯专利申请前的评估、细化专利鼓励政策、建立完 善公众专利审查制度、加强专 利授权事后审查等,提升专利质量和水平;引导实 力较强的研究院所联合企业加强专利的前瞻性、系统性布局,尤其在半导体器件、医疗健康、环境领域(如海水淡化、污水处理等)、基因测 序等高技术含量领域进行专利布局。

五是尽 快研究制定石墨烯技术成熟度路线图.对技术 进行成熟度评价和重点企业技术成熟度、经营状况、产品销售等进行评估,科学评 判其产业化阶段性和发展前景,避免盲目乐观,过度炒作。坚决制止一蹴而就、急功近利和投机心理,树立严谨务实、坚持不懈的工匠精神,引导媒体正确地宣传。

(二)推动制 约产业发展的关键技术的突破

整合各类创新资源,建立国 家级石墨烯创新中心,制定技 术创新目录和技术突破路线图,对材料制备技术、清洁生产技术、下游高 端应用等关键技术加强攻关。设立石墨烯产业基金,采用政 策性财政支出和社会资本共同参与的模式,加快关 键技术成果的转化,寻找杀 手锏级的高端应用领域、方向和产品。

(三)加快石 墨烯标准体系建设

一是加 强国际交流合作。积极参 与国际标准制定,制定与 国际接轨的石墨烯材料标准体系。

二是尽 快研究制定一批国家标准和行业标准,建立标准规范体系。包括相关产品定义、检测和使用标准、行业规范条件,从产业布局、生产工艺与装备、清洁生产、质量管 理等方面加以规范。

三是加 强对石墨烯领域标准制定工作的财政扶持,鼓励有 条件的企业和研究机构参与制定工作,尤其是 目前技术成熟度高、产业化 应用较为成熟的复合材料、防腐涂料、锂离子 电池等下游应用领域,其标准 的的制定更要提高相关应用企业的参与度。


(四)搭建政 产学研产业发展平台


出台扶 植石墨烯产业发展相关政策,加强政策引导,营造良好的发展环境;加强技 术研发和人才培养;鼓励企业创新,加强企业与高校、科研机构的紧密合作,成立企业技术中心,搭建产学研合作平台,形成以企业为主体、产学研 结合的技术创新体系,聚焦重点产品,完善重点产品产业链,刺激重 点产品的市场需求,加快重 点产品的产业化进程;鼓励地 方创立石墨烯专业园区,建设完 善公共服务平台,发挥专 业园区在产学研合作中的载体作用,形成产 业孵化培育体系,推动科 研成果的产业化转化。  


(五)培育领 军型企业和人才


充分发 挥产业政策和财政资金的引导作用,鼓励社会资本参与,以培育 具有国际竞争力的企业为目标,选择少 数真正有创新实力的企业进行重点培育,促进人才、资源、资本向优势企业集中;加强企 业高端人才队伍建设,结合国家“千人计划”和国际合作项目等,帮助优 势企业引进能够带来核心技术的高端人才或技术团队,建立健 全高端人才保障机制。

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