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石墨烯:如何加速推动产业化

日期:【2015-01-15】

作为一种独特的先进碳材料,石墨烯正在掀起一场席卷全球的颠覆性产业革命。但总的来讲,目前石墨烯产业仍处在发展初期,特别是石墨烯整个产业链未实现疏通和整合。石墨烯产业发展之路究竟该怎么走?带着这一问题,近日采访了多位业内人士。

 

外部环境:加速推动产业化

 

  石墨烯是世界上已发现的最薄、强度最高的纳米材料,也是导电性、导热性最出色的材料。在各国政府关注石墨烯产业发展之时,我国也先后推出了促进石墨烯产业化发展的相关规划和政策。据悉,石墨烯在今年被科技部列为“863”计划纳米材料专项重点支持内容;而在“十三五”科技发展规划中,石墨烯研发及产业化也有望独占一席。国家自然科学基金委对石墨烯基础研究也给予了高度重视,近年来每年都支持数百个与石墨烯相关的研究课题,相关项目累计已达1000多个。国家发改委、工信部在商讨出台新材料重大研究计划时,也多次组织对石墨烯产业的调研。

 

  除了国家层面的支持,地方政府在推动石墨烯产业化发展方面也频频发力。此前,江苏省无锡市发布了《无锡石墨烯产业发展规划纲要》,积极推进石墨烯产业分工合作、资源共享与区域联动发展,进而将无锡打造成国家级石墨烯产业应用示范基地和具有国际竞争力的石墨烯产业发展示范区。无锡石墨烯产业发展示范区、无锡市石墨烯技术及应用研发中心、江苏省石墨烯检测技术重点实验室也于不久前揭牌。

 

  此外,行业联盟的成立加速了石墨烯产业链、创新链、价值链的形成。去年7月13日,由清华大学、中科院金属研究所、南京科孚纳米技术有限公司、中科院宁波材料技术与工程研究所、北京现代华清材料科技发展中心等核心单位发起,联合国内从事石墨烯研发、产业化的22家法人机构,在中国产学研合作促进会的支持下成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟。短短1年多时间,联盟在促进产业化发展方面成绩斐然:先后在无锡、青岛、深圳和宁波布局了4个石墨烯产业创新基地;推动成立江苏省、山东省等省级石墨烯产业技术创新战略联盟;启动中国(泰州)石墨烯研究及检测公共服务平台;成立中国石墨烯标准化委员会,并发布全球首个明确给出石墨烯关键名词术语和定义的标准即中国石墨烯第1号标准《石墨烯材料的名词术语与定义》。

 

  除了政策扶持和行业自身的努力,石墨烯产业化的进行还需要资金支持。国务院参事、中国生产力促进中心协会理事长石定寰表示,创新活动光有产学研还远远不够,还需要金融、财政的支持,形成一套完善的金融服务体系,不然创新活动就成了“无米之炊”。

 

  中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春也表示:“当一项技术发展到成熟阶段进入产业化通道时,资本就变得尤为重要。”济南墨希新材料科技有限公司常务副总经理高飞告诉中国化工报记者,石墨烯是朝阳产业,长远来看是非常好的投资选择,然而目前石墨烯行业刚刚起步,大规模商业化应用尚未展开,企业盈利能力很弱,可能未来两三年都见不到回报,并不适合短期投资。“政府投资是一个不错的风向标。”他说,“无锡、宁波、青岛等地政府都对石墨烯产业投入巨资进行扶持。”

 

  为进一步推进石墨烯产业化,意在利用投融资方式创新和加强协同创新能力加速推进石墨烯产业化进程的中国石墨烯产业投融资联盟也已正式成立。杭州道弘新材料基金总裁谢锌昊表示,中国石墨烯产业投融资联盟将成立联盟内基金,优选石墨烯项目,引进专业投资人,培育扶持石墨烯企业健康快速发展。

 

加速手段:国际合作联合创新

 

  虽然国内产业化已经起步,但我们应该清醒地看到,由石墨烯应用引发的产业化革命正处于黎明前的准备期。创新与合作、应用研究与产业化推进将成为划破黑暗的曙光。这是不久前召开的2014中国国际石墨烯创新大会达成的共识。在这场20多个国家、360多家机构的1000余位石墨烯专家和企业代表聚首的行业盛宴上,诞生了《石墨烯创新宁波宣言》。《宣言》提出,石墨烯行业应注重原始创新和开放合作,积极参与国际交流合作,充分利用全球创新资源,加快重大产品的创新突破,推动石墨烯产品的国际化发展。

 

  近年来,世界石墨烯技术发展呈现突飞猛进的持续升温态势,各国都在这新一轮的高技术竞争中争分夺秒抢占先机。2013年,欧盟宣布将石墨烯列入未来新兴旗舰技术项目。中国作为石墨资源大国和制造业大国,不但在石墨烯研究方面与国际同步,而且在石墨烯应用方面具有巨大的市场空间,由此成为全球石墨烯行业共同关注的焦点。

 

  据了解,中欧双方目前对石墨烯都给予了高度重视,同时也都取得了较大进展。双方在石墨烯领域的研究有竞争,但更多的是互补。欧盟石墨烯旗舰计划共列了13个大方向,虽然基本涵盖了石墨烯的所有领域,但布局更侧重于基础和前沿领域,包括石墨烯在高频电子、传感器、柔性显示等领域的应用。而对于石墨烯在储能电池、触摸显示、散热、复合材料等领域的产业化研究,相对来说目前中国的商业化基础更好,更有优势。因此加强两方的合作与沟通,能够取长补短,并实现资源的更有效配置,加速石墨烯产业的快速健康发展。

 

  为此,国内石墨烯行业将与欧洲石墨烯旗舰计划组、Phantoms基金会等共同发起成立国际石墨烯创新联盟,联盟将通过建立公益性、非政府的全球石墨烯创新服务平台,在全球石墨烯产业战略发展蓝图绘制、增强国际化联合创新、架设技术与资本的桥梁等国际产业环境建设等方面发挥重要的推动作用。据悉,联盟总部有望设在中国。

 

  中国高新区协会理事长张景安表示,中国在石墨烯领域研发起步较晚,但发展较快,有潜在优势和后发优势。特别是石墨烯许多应用领域的市场空间在中国、在全球石墨烯研发及产业化布局中有很强的互补性。因此,在推动石墨烯产业发展的同时,加强国际间的合作尤为重要。

 

加速方向:从应用领域突破瓶颈

 

  石墨烯产业化目前风风火火,但仍然炼不出横亘其前的最重要的一块金子——应用研究的根本突破。

 

  石墨烯应用领域十分广泛,未来将在散热材料、锂电材料、储能材料等领域获得应用。但专家指出,目前最有价值的应用应该还是在半导体领域如晶体管、高频元件、传感器等。一旦晶圆级尺寸石墨烯单晶薄膜的规模化制备技术取得突破,石墨烯将有望取代硅成为新一代半导体器件的核心材料,将为电子信息技术带来革命性的变化。但是这对全世界都是一个巨大的难题,可能需要十几年甚至数十年的努力,而且这一领域本身的资金、技术门槛都很高。

 

  至于石墨烯最早能实现产业化应用的领域,专家认为可能还是石墨烯粉体以高端添加剂的形式应用于锂离子电池、涂料、油墨、塑料等领域。例如,将石墨烯应用于锂离子电池可以解决传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得的问题,因此石墨烯在锂离子电池中应用是一个非常有前途的方向。石墨烯可以在多个方面应用于锂电池中,比如石墨烯复合负极材料,如硅碳复合负极材料;也可以作为锂电池正负极材料的导电添加剂,还可以涂覆于铝箔集流体上,形成石墨烯功能涂层铝箔石。

 

  然而,上述这些目前都处在“进行时”甚至“将来时”。近年来,石墨烯粉体在规模化制备技术上取得了巨大进步,目前成本已经从最初的几千元1克降到大批量生产时的每克几元甚至低于1元。尽管尚未经过产品均一性、稳定性等的考验,但为其在下游的应用提供了极大可能。

 

  相比之下,石墨烯在下游的应用研究就显得相对滞后。目前石墨烯产业最大的瓶颈仍在于下游应用,还没有一个领域可以实现石墨烯的规模化应用。因此,业内人士指出,尽快实现石墨烯在下游的某一两个应用领域的突破是当前石墨烯产业化的关键。

 

  “有了大订单,才可能有发展”。中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员刘兆平接受中国化工报记者采访时曾表示,目前石墨烯市场比较混乱,行业面临的问题较多,其中最重要的是应用技术的研发,这个问题搞清楚了,就可以有针对性地生产符合需求的石墨烯产品。高飞也向记者表示:“目前国内石墨烯规模制备技术迅速发展,成本问题可以通过技术创新、规模效应来解决,但如何将石墨烯完美添加到产品里面并有效提升产品性能,这是最重要的。”他同时认为:“石墨烯应用研究应该接地气,要能实现产业化,还要对现有生产线改动尽量小。”高飞还表示,目前生产研发企业和下游企业缺乏沟通,科研单位的研发与企业应用缺少有效对接,业内过分偏重基础科学研究而实用型技术人才太少,这些都在制约石墨烯产业的进一步发展。

 

另外,石墨烯粉体或者薄膜产品本身的成本、品质、稳定性等仍有较大的改进空间。国家半导体照明工程研发及产业联盟理事长吴玲曾表示,目前LED行业正在快速发展,但LED最终能否走进老百姓家里,还要看它的价格。现在LED上的ITO用的是铟,石墨烯如果做好了就可以替代它,至少在半导体照明的光效提升方面,会是石墨烯的大客户。

 

  当然,业内对石墨烯的未来仍然持乐观态度。石墨烯的发现者和诺贝尔奖获得者Andre Geim教授在今年的一次讲座中曾提出,预计三五年内,石墨烯会有令人惊奇的应用。在国际石墨烯创新大会上,美国CVD equipment公司、西班牙ICN2、德国耐驰公司、英国国家石墨烯研究所、西班牙Graphenea公司等10余家国外机构,墨西科技、厦门凯纳、上海新池、中科院金属所等20余家国内单位展示了其最新成果和产品。从近期报道的消息来看,不少研究成果已经开始触摸到了应用层面,这些研究成果的应用,让消费者对可弯曲的智能手表、可折叠成智能手机的平板电脑、15分钟便充好电且续航能力达500千米的电动车蓄电池等石墨烯革命可能带来的改变,更加充满期待。石墨烯时代将不再遥远。
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