石墨烯:魔幻的世纪产业

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文/李希平

石墨烯是一种碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的“新材料之王”。
在江苏省常州市举办的“石墨烯的现在与未来发展”圆桌对话上,与会嘉宾曾现场分享了石墨烯产业的最新趋势,共同探讨中国石墨烯发展面临的新挑战。与会嘉宾认为,经过十多年的发展,随着低成本、高性能、规模化应用技术的突破,今天的石墨烯已成为发达国家竞相布局的焦点。石墨烯在相关领域的应用有望催生革命性的技术进步。

产业成果爆发

石墨烯作为战略新材料,将逐渐向产业化生产、规模化应用过渡。我国石墨烯产业起步较早,产业链初步形成,整体呈现出蓬勃发展的势头。下游生产企业已经有能力参与到全球石墨烯市场的竞争,并在石墨烯的研究和生产等方面取得较为领先的优势,是我国为数不多的能与国际先进国家基本处于同步阶段的新型产业。2015年以来,中国石墨烯产业发展势头迅猛,至2018年石墨烯产业规模超过70亿元。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来的二维碳材料,按照碳原子层数可分为单层石墨烯、多层石墨烯及石墨烯微片。其中单层石墨烯是指碳原子仅仅在二维平面以六角蜂巢结构排列构成的严格单层碳材料,是一种没有能隙具有线性能量分布的半导体,由于电子可以在晶体中自由移动而赋予单层石墨烯非常好的导电性。
石墨烯被纳入我国《新材料产业十二五发展规划》中鼓励发展的新材料,而《中国制造2025》则进一步明确规划了未来十年我国石墨烯产业的发展路径,总体目标是2020年形成百亿元规模,2025年突破千亿元,重点是石墨烯制备实现规模化,储能电化学器件等领域实现产业化。

全国人大代表、圣泉集团总裁唐一林在接受记者采访时表示,近几年是我国石墨烯产业发展成果爆发期,我们要抓活创业思路,加大创新步伐。2017年由圣泉集团牵头筹建成立了中国石墨烯改性纤维及应用开发产业发展联盟。

唐一林介绍,2014年圣泉集团在全球范围内率先从植物秸秆玉米芯纤维素中提取出生物质石墨烯,也打通了石墨烯材料到经济消费品的石墨烯产业链;2015年将石墨烯添加到粘胶纤维中,并研发制造出了基于这种内暖新材料而制成的养体内衣系列、除臭袜品系列等产品,实现了石墨烯的产业化和商业化应用,同年与涤纶复合研发成功,使石墨烯应用在纺织行业取得了重大的突破;2016年又将生物质石墨烯与锦纶、晴纶、氨纶、羽绒棉、维尼纶、聚氨酯、乳胶等全化纤系列材料成功复合应用,研发出内暖绒健康被、内暖绒服、石墨烯助眠枕等系列产品,成功打造出了推动中国传统纺织行业转型升级的内暖纤维、内暖烯孔、内暖绒三大系列上百个衍生产品。

抢占发展先机

在力学方面,石墨烯是人类已知强度最高的材料之一,与单壁碳纳米管相当,强度是普通钢材的100倍。此外,石墨烯还具有良好的韧性,是碳纤维的20倍。在热学方面,石墨烯是室温下最好的导热材料,导热性能是碳纳米管的1.51倍,是铜的13倍。在电学方面,石墨烯是室温下最好的导电材料,由于其特殊的能带结构使常温下电子运动干扰小,传输质量大幅提高。石墨烯的电学性能突出表现在高载流子迁移率及高电流密度,其载流子迁移率相当于商用硅片的10倍,电流密度耐性相当于铜的100倍。

2018年,在全球主要优先权专利申请件数排位中,中国、韩国、美国申请件数名列前三,分别为6714、2892、2632件。石墨烯的研发主要集中在亚洲及北美洲,其中中国是主要的研发国家,最早优先权专利申请数约占全球50%。全球前十位石墨烯专利申请人中,有五位是中国高校,两位是韩国高校,只有三家是企业,高校占70%,可见目前石墨烯的研发主力仍然在高校。从专利数量看,专利申请数最多的申请人为韩国三星、韩国高科技学院及美国IBM,专利申请数分别为503、223、199件,可见全球石墨烯研发技术领先机构主要分布在韩国。

全球石墨烯专利最为集中的前五个领域分别为锂电子电池、生化传感器、超级电容器、催化剂及导电复合材料。

全球便携式锂电池市场规模自2012年以来逐年增长,预计在2022年以前保持每年约10%的平均增长率。其中锂电池在手机、平板电脑及笔记本方面的需求量将保持8%的年平均增长率, 2017年便携式锂电池在手机、平板电脑及笔记本方面的需求量持续增加。

据统计,当前CVD法生产单层石墨烯的成本约为7欧元/平方厘米,未来几年内随着石墨烯生产工艺的成熟,生产成本将进一步降低。预计2020年,CVD法生产单层石墨的成本将降至0.07欧元/平方厘米。石墨烯生产价格的大幅降低,将使石墨烯导电剂突破成本瓶颈,从而以更加合理价格占领下游市场。

根据石墨烯产业联盟的统计数据,2015年石墨烯导电剂的价格为230美元/千克,与碳纳米管导电剂价格大致相同。但是,石墨烯导电剂价格下降的幅度将远超于碳纳米管导电剂价格的下降幅度,预计到2020年,石墨烯导电剂价格将降至113美元/千克,碳纳米管价格依然维持在200美元/千克的水平,石墨烯导电剂的价格优势逐渐凸显。

中国对石墨烯产业的重视与日俱增。经过梳理可以发现,2010年-2019年,我国石墨烯相关支持政策230多条,其中国家层面共出台了40多条政策。 2015年11月,工信部、发改委、科技部联合出台了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见。已有20多个省市在“十三五”规划等政策中对石墨烯进行了布局,地方政府纷纷通过编制专项规划、设立产业园、科技专项、产业基金、出台扶持政策等,促进石墨烯关键技术研发和产业化应用示范,抢占石墨烯产业发展先机。

随着石墨烯产业的快速发展,全产业链布局已经初见雏形,基本覆盖了从制备到应用研究到石墨烯产品生产,直至下游应用的所有环节。基本形成以北京为核心,东部沿海地区产业带和内蒙古-黑龙江地区产业带为集聚区,多地点状分布式的产业发展格局。截至2019年9月底,在工商、民政等部门注册的与石墨烯相关的单位数量达12228家;实际开展石墨烯业务的单位约3000多家,其中从事技术服务、销售、投资及检测的单位占比45.26%,从事石墨烯相关研发的单位占比25.73%,设备和制备的单位占12.66%,下游应用方向的单位数量占16.35%,石墨烯的市场化在逐步展开。从应用领域看,基本覆盖了新能源、储能、电子显示、防腐涂料、大健康等多领域。

良好应用前景

石墨烯作为未来产业之一,人们对其在材料领域的革命寄予厚望。日前,被誉为世界石墨烯之父的诺贝尔奖得主安德烈•盖姆来到位于山东莱西市南墅镇的青岛德通纳米技术有限公司,跟石墨烯领域的企业坐在一起讨论时表示,中国虽然还处于石墨烯时代的前半期,但中国石墨烯产业已引领世界石墨烯产业的发展。他说,我们从最早经历了石器时代、青铜时代、铁器时代,以及到现在的硅时代皆是如此。现在随着石墨烯和二维材料的发展我们逐渐进入到一个低维材料的新的时代,这些低维材料是跟石墨烯很相似的材料,只有一个原子层的厚度。“当然我们还处于石墨烯时代的前半期,所以我们将看到三五十年后石墨烯真正进入到我们的生活中来改变我们的生活,会在我们生活的很多不同领域发挥作用。”

安德烈认为, 世界上已经有许多石墨烯产业化的公司,即使在中国也有超过500家的公司在做。中国的石墨烯产业领导着世界石墨烯产业的发展。欧洲和美国的石墨烯领域主要集中在大学为主的科研方面,还没有一些正式的产品,在中国由于当地政府的大力支持,不仅有一些高校的科研工作在围绕石墨烯展开,还有很多公司实实在在地生产出了产品。“政府的支持非常重要,正是有了政府的大力支持,才会造就中国的石墨烯产业在世界上的领导地位。”

继华为推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池之后,被视为“新材料之王”的石墨烯在应用方面又有新突破。2016年12月6日,全球首个石墨烯高端产业应用——“石墨烯表面波探测技术”在北京发布。该技术可以替代基于传统SPR技术的探测系统。此外,石墨烯表面波探测技术还可以极大提高探测技术在科技、医疗、安防等行业中的应用效果,甚至帮助特殊人群完成“不可能完成的任务”。

我国约占全球石墨烯企业的3/4,以中小初创企业为主。截止到2016年8月底,我国从事石墨烯研发、生产、应用等相关企业数量超过400家,约占全球石墨烯企业数量的四分之三,主要集中在长三角、珠三角和京津冀鲁区域,宁波、常州、无锡、青岛、重庆等地都纷纷设立了石墨烯产业园区。国内涉及石墨烯产品研发的主要以中小企业和初创企业为主;同时也有少数大型公司参与。

“石墨烯+”行动目前已开始实施,主要采取“一条龙”模式,组织推动石墨烯材料及其改性产品的首批次示范应用。

根据中国石墨烯改性纤维及应用开发产业发展联盟预测,全球石墨烯应用市场将在2020年形成产业爆发点,而中国的石墨烯市场将占据全球石墨烯市场份额的70%以上,在全球石墨烯市场上占据主导地位。
石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

据石墨烯产业发展白皮书预测,到2025年,全球石墨烯的市场规模将达到21.03亿美元。石墨烯的电子应用将是这一特定领域的主要贡献者,其收入的复合年增长率为38%。中国和世界能够同步的科学技术不多,而石墨烯是我们有望走在前面的一个新产业,因此值得投入和推广这一产业。石墨烯产业的发展整体呈现出良好的应用前景,未来产业发展趋势将更偏向石墨烯绿色、高质量、规模化制备,多级次多功能组装集成,未来产业资源将进一步整合,应用在新能源、生物医药、电子信息、航空航天等领域继续深化。


来源:中国周刊网

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