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石墨烯:如何加速推動產業化

日期:【2015-01-15】

作為一種獨特的先進碳材料,石墨烯正在掀起一場席卷全球的顛覆性產業革命。但總的來講,目前石墨烯產業仍處在發展初期,特別是石墨烯整個產業鏈未實現疏通和整合。石墨烯產業發展之路究竟該怎么走?帶著這一問題,近日采訪了多位業內人士。

 

外部環境:加速推動產業化

 

  石墨烯是世界上已發現的最薄、強度最高的納米材料,也是導電性、導熱性最出色的材料。在各國政府關注石墨烯產業發展之時,我國也先后推出了促進石墨烯產業化發展的相關規劃和政策。據悉,石墨烯在今年被科技部列為“863”計劃納米材料專項重點支持內容;而在“十三五”科技發展規劃中,石墨烯研發及產業化也有望獨占一席。國家自然科學基金委對石墨烯基礎研究也給予了高度重視,近年來每年都支持數百個與石墨烯相關的研究課題,相關項目累計已達1000多個。國家發改委、工信部在商討出臺新材料重大研究計劃時,也多次組織對石墨烯產業的調研。

 

  除了國家層面的支持,地方政府在推動石墨烯產業化發展方面也頻頻發力。此前,江蘇省無錫市發布了《無錫石墨烯產業發展規劃綱要》,積極推進石墨烯產業分工合作、資源共享與區域聯動發展,進而將無錫打造成國家級石墨烯產業應用示范基地和具有國際競爭力的石墨烯產業發展示范區。無錫石墨烯產業發展示范區、無錫市石墨烯技術及應用研發中心、江蘇省石墨烯檢測技術重點實驗室也于不久前揭牌。

 

  此外,行業聯盟的成立加速了石墨烯產業鏈、創新鏈、價值鏈的形成。去年7月13日,由清華大學、中科院金屬研究所、南京科孚納米技術有限公司、中科院寧波材料技術與工程研究所、北京現代華清材料科技發展中心等核心單位發起,聯合國內從事石墨烯研發、產業化的22家法人機構,在中國產學研合作促進會的支持下成立了中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟。短短1年多時間,聯盟在促進產業化發展方面成績斐然:先后在無錫、青島、深圳和寧波布局了4個石墨烯產業創新基地;推動成立江蘇省、山東省等省級石墨烯產業技術創新戰略聯盟;啟動中國(泰州)石墨烯研究及檢測公共服務平臺;成立中國石墨烯標準化委員會,并發布全球首個明確給出石墨烯關鍵名詞術語和定義的標準即中國石墨烯第1號標準《石墨烯材料的名詞術語與定義》。

 

  除了政策扶持和行業自身的努力,石墨烯產業化的進行還需要資金支持。國務院參事、中國生產力促進中心協會理事長石定寰表示,創新活動光有產學研還遠遠不夠,還需要金融、財政的支持,形成一套完善的金融服務體系,不然創新活動就成了“無米之炊”。

 

  中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春也表示:“當一項技術發展到成熟階段進入產業化通道時,資本就變得尤為重要。”濟南墨希新材料科技有限公司常務副總經理高飛告訴中國化工報記者,石墨烯是朝陽產業,長遠來看是非常好的投資選擇,然而目前石墨烯行業剛剛起步,大規模商業化應用尚未展開,企業盈利能力很弱,可能未來兩三年都見不到回報,并不適合短期投資。“政府投資是一個不錯的風向標。”他說,“無錫、寧波、青島等地政府都對石墨烯產業投入巨資進行扶持。”

 

  為進一步推進石墨烯產業化,意在利用投融資方式創新和加強協同創新能力加速推進石墨烯產業化進程的中國石墨烯產業投融資聯盟也已正式成立。杭州道弘新材料基金總裁謝鋅昊表示,中國石墨烯產業投融資聯盟將成立聯盟內基金,優選石墨烯項目,引進專業投資人,培育扶持石墨烯企業健康快速發展。

 

加速手段:國際合作聯合創新

 

  雖然國內產業化已經起步,但我們應該清醒地看到,由石墨烯應用引發的產業化革命正處于黎明前的準備期。創新與合作、應用研究與產業化推進將成為劃破黑暗的曙光。這是不久前召開的2014中國國際石墨烯創新大會達成的共識。在這場20多個國家、360多家機構的1000余位石墨烯專家和企業代表聚首的行業盛宴上,誕生了《石墨烯創新寧波宣言》。《宣言》提出,石墨烯行業應注重原始創新和開放合作,積極參與國際交流合作,充分利用全球創新資源,加快重大產品的創新突破,推動石墨烯產品的國際化發展。

 

  近年來,世界石墨烯技術發展呈現突飛猛進的持續升溫態勢,各國都在這新一輪的高技術競爭中爭分奪秒搶占先機。2013年,歐盟宣布將石墨烯列入未來新興旗艦技術項目。中國作為石墨資源大國和制造業大國,不但在石墨烯研究方面與國際同步,而且在石墨烯應用方面具有巨大的市場空間,由此成為全球石墨烯行業共同關注的焦點。

 

  據了解,中歐雙方目前對石墨烯都給予了高度重視,同時也都取得了較大進展。雙方在石墨烯領域的研究有競爭,但更多的是互補。歐盟石墨烯旗艦計劃共列了13個大方向,雖然基本涵蓋了石墨烯的所有領域,但布局更側重于基礎和前沿領域,包括石墨烯在高頻電子、傳感器、柔性顯示等領域的應用。而對于石墨烯在儲能電池、觸摸顯示、散熱、復合材料等領域的產業化研究,相對來說目前中國的商業化基礎更好,更有優勢。因此加強兩方的合作與溝通,能夠取長補短,并實現資源的更有效配置,加速石墨烯產業的快速健康發展。

 

  為此,國內石墨烯行業將與歐洲石墨烯旗艦計劃組、Phantoms基金會等共同發起成立國際石墨烯創新聯盟,聯盟將通過建立公益性、非政府的全球石墨烯創新服務平臺,在全球石墨烯產業戰略發展藍圖繪制、增強國際化聯合創新、架設技術與資本的橋梁等國際產業環境建設等方面發揮重要的推動作用。據悉,聯盟總部有望設在中國。

 

  中國高新區協會理事長張景安表示,中國在石墨烯領域研發起步較晚,但發展較快,有潛在優勢和后發優勢。特別是石墨烯許多應用領域的市場空間在中國、在全球石墨烯研發及產業化布局中有很強的互補性。因此,在推動石墨烯產業發展的同時,加強國際間的合作尤為重要。

 

加速方向:從應用領域突破瓶頸

 

  石墨烯產業化目前風風火火,但仍然煉不出橫亙其前的最重要的一塊金子——應用研究的根本突破。

 

  石墨烯應用領域十分廣泛,未來將在散熱材料、鋰電材料、儲能材料等領域獲得應用。但專家指出,目前最有價值的應用應該還是在半導體領域如晶體管、高頻元件、傳感器等。一旦晶圓級尺寸石墨烯單晶薄膜的規模化制備技術取得突破,石墨烯將有望取代硅成為新一代半導體器件的核心材料,將為電子信息技術帶來革命性的變化。但是這對全世界都是一個巨大的難題,可能需要十幾年甚至數十年的努力,而且這一領域本身的資金、技術門檻都很高。

 

  至于石墨烯最早能實現產業化應用的領域,專家認為可能還是石墨烯粉體以高端添加劑的形式應用于鋰離子電池、涂料、油墨、塑料等領域。例如,將石墨烯應用于鋰離子電池可以解決傳統鋰電池能量密度和功率密度難以兼得的問題,因此石墨烯在鋰離子電池中應用是一個非常有前途的方向。石墨烯可以在多個方面應用于鋰電池中,比如石墨烯復合負極材料,如硅碳復合負極材料;也可以作為鋰電池正負極材料的導電添加劑,還可以涂覆于鋁箔集流體上,形成石墨烯功能涂層鋁箔石。

 

  然而,上述這些目前都處在“進行時”甚至“將來時”。近年來,石墨烯粉體在規模化制備技術上取得了巨大進步,目前成本已經從最初的幾千元1克降到大批量生產時的每克幾元甚至低于1元。盡管尚未經過產品均一性、穩定性等的考驗,但為其在下游的應用提供了極大可能。

 

  相比之下,石墨烯在下游的應用研究就顯得相對滯后。目前石墨烯產業最大的瓶頸仍在于下游應用,還沒有一個領域可以實現石墨烯的規模化應用。因此,業內人士指出,盡快實現石墨烯在下游的某一兩個應用領域的突破是當前石墨烯產業化的關鍵。

 

  “有了大訂單,才可能有發展”。中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉兆平接受中國化工報記者采訪時曾表示,目前石墨烯市場比較混亂,行業面臨的問題較多,其中最重要的是應用技術的研發,這個問題搞清楚了,就可以有針對性地生產符合需求的石墨烯產品。高飛也向記者表示:“目前國內石墨烯規模制備技術迅速發展,成本問題可以通過技術創新、規模效應來解決,但如何將石墨烯完美添加到產品里面并有效提升產品性能,這是最重要的。”他同時認為:“石墨烯應用研究應該接地氣,要能實現產業化,還要對現有生產線改動盡量小。”高飛還表示,目前生產研發企業和下游企業缺乏溝通,科研單位的研發與企業應用缺少有效對接,業內過分偏重基礎科學研究而實用型技術人才太少,這些都在制約石墨烯產業的進一步發展。

 

另外,石墨烯粉體或者薄膜產品本身的成本、品質、穩定性等仍有較大的改進空間。國家半導體照明工程研發及產業聯盟理事長吳玲曾表示,目前LED行業正在快速發展,但LED最終能否走進老百姓家里,還要看它的價格。現在LED上的ITO用的是銦,石墨烯如果做好了就可以替代它,至少在半導體照明的光效提升方面,會是石墨烯的大客戶。

 

  當然,業內對石墨烯的未來仍然持樂觀態度。石墨烯的發現者和諾貝爾獎獲得者Andre Geim教授在今年的一次講座中曾提出,預計三五年內,石墨烯會有令人驚奇的應用。在國際石墨烯創新大會上,美國CVD equipment公司、西班牙ICN2、德國耐馳公司、英國國家石墨烯研究所、西班牙Graphenea公司等10余家國外機構,墨西科技、廈門凱納、上海新池、中科院金屬所等20余家國內單位展示了其最新成果和產品。從近期報道的消息來看,不少研究成果已經開始觸摸到了應用層面,這些研究成果的應用,讓消費者對可彎曲的智能手表、可折疊成智能手機的平板電腦、15分鐘便充好電且續航能力達500千米的電動車蓄電池等石墨烯革命可能帶來的改變,更加充滿期待。石墨烯時代將不再遙遠。
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