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專題 | 我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望

2017-06-27 15:31:33 作者：王元來源：《腐蝕防護(hù)之友》分享至：

石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨中剝離出了石墨烯，打破了理論物理學(xué)界半個世紀(jì)以來關(guān)于石墨烯無法穩(wěn)定存在的結(jié)論。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來情況如何呢？

政策助力產(chǎn)業(yè)化步伐悄然加速

1、國家大力支持的新興產(chǎn)業(yè)

石墨烯各方面優(yōu)異的特性顯示出巨大的應(yīng)用潛力與商業(yè)化價值，各國政府先后發(fā)布政策投入人力物力，開展石墨烯的應(yīng)用與研發(fā)。

我國對石墨烯領(lǐng)域的研究與開發(fā)也較早就給予了關(guān)注。2007-2012 年，中國國家自然科學(xué)基金委員會對石墨烯項目累計資助經(jīng)費達(dá)到 3.30 億元，科技部和中國科學(xué)院對石墨烯的累計資助經(jīng)費分別達(dá)到了 5915 萬元和 4605萬元。十二五規(guī)劃、十三五規(guī)劃等一系列文件都將石墨烯納入大力發(fā)展的新材料領(lǐng)域。

2、石墨烯專利持有我國獨占鰲頭

在國家戰(zhàn)略指引下，石墨烯相關(guān)研發(fā)成果呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，2005 年至2014 年，全球關(guān)于石墨烯的專利共有25855 項，其中 2014 年有超過 9000 項申請。我國對石墨烯的研究和開發(fā)與國際一直保持同步，并在石墨烯技術(shù)研發(fā)方面處于國際前列，石墨烯研發(fā)和專利持有已在全球占據(jù)一席之地，截至 2014年，我國石墨烯申請專利占全球總專利數(shù)的 47%，遙遙領(lǐng)先于第二名的美國（占比 18%）。此外，截止到 2015 年 8月，中國在石墨烯領(lǐng)域發(fā)表文章占全球的 34%，遠(yuǎn)高于第二名美國（19%）。

但同時也應(yīng)看到，我國的石墨烯專利數(shù)量雖多但質(zhì)量較差，基礎(chǔ)專利少、應(yīng)用專利多，且大多集中在導(dǎo)電添加劑、防腐涂料等低端應(yīng)用領(lǐng)域，而美國、歐洲等則將主要目標(biāo)瞄準(zhǔn)高頻晶體管、光電探測器以及傳感器等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

3、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)入快車道

產(chǎn)業(yè)化方面，2013 年包括華為、東旭光電在內(nèi)的主流企業(yè)與清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)共同建立了“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”（CGIA），以構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研一體化平臺，共同推動石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在地方政府的支持下，寧波、常州、無錫、青島、重慶五地設(shè)立石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，集中發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，無錫市計劃在 2015 年石墨烯及相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破50億元，2020年達(dá)到300億元。

寧波市計劃在三年內(nèi)設(shè)立 9000 萬的財政資金，并在 10 年內(nèi)打造千億級規(guī)模的產(chǎn)業(yè)特色群。此外，江蘇、內(nèi)蒙古、山東等地相繼成立石墨烯聯(lián)盟，旨在促進(jìn)政、企、產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，構(gòu)建以石墨烯原材料、研發(fā)、制備、應(yīng)用為主體的產(chǎn)業(yè)鏈。各方的共同推動使我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程進(jìn)入快車道，石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭，第六元素、寧波墨西、重慶墨希、二維碳素等優(yōu)秀石墨烯企業(yè)不斷涌現(xiàn)。

石墨烯專利繁華的背后

現(xiàn)階段石墨烯制備仍處于實驗室階段，實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化生產(chǎn)一直是業(yè)界的一個難題，這是造成石墨烯成本高的直接原因。雖然有企業(yè)表示實現(xiàn)了石墨烯量產(chǎn)，但其品質(zhì)不穩(wěn)定性仍成為制約石墨烯下游產(chǎn)品發(fā)展的重要原因。石墨烯專利量高質(zhì)低，“高端坑”占得少。專利總是先于市場，石墨烯也不例外，石墨烯的產(chǎn)品現(xiàn)在雖然不算多，但是關(guān)于石墨烯的專利市場已經(jīng)是熱鬧非凡了。我國的石墨烯申請量居世界第一，從數(shù)量上，已遠(yuǎn)超歐美發(fā)達(dá)國家。然而，市場對于我國石墨烯產(chǎn)品的反饋并不理想。這種產(chǎn)品與專利的不匹配性因何而來？

經(jīng)過對我國石墨烯專利的進(jìn)一步分析，并結(jié)合業(yè)內(nèi)專家的意見，可以發(fā)現(xiàn)，我國石墨烯專利存在以下諸多問題：

一是重視數(shù)量，忽視質(zhì)量。我國石墨烯專利數(shù)量龐大，說明大家已經(jīng)開始重視保護(hù)自主知識產(chǎn)權(quán)，懂得讓自己的技術(shù)提前在專利市場中“占坑”。但對專利質(zhì)量的忽視，使得專利技術(shù)成果的轉(zhuǎn)換大打折扣，也降低了技術(shù)應(yīng)用中可能獲利的概率。經(jīng)過幾年的積累，我國在石墨烯領(lǐng)域占的“坑”不少，但是由于忽視質(zhì)量，“坑”占得很雞肋。

二是基礎(chǔ)專利少。石墨烯相關(guān)專利，從宏觀上來看可以分為基礎(chǔ)專利和應(yīng)用專利。基礎(chǔ)專利是涉及石墨烯原材料（石墨烯/氧化石墨烯粉體、石墨烯薄膜等）及其制備工藝的專利，這也是石墨烯核心技術(shù)分布區(qū)域，占據(jù)石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的上游。應(yīng)用專利是涉及石墨烯應(yīng)用的專利，如基于石墨烯材料的電池、芯片等，此部分技術(shù)入門門檻相對較低，市場廣，附加值也較高。基礎(chǔ)專利少，并非是指數(shù)量少，而是指能夠應(yīng)用于市場、用于制約競爭對手的專利較少，即真正達(dá)到高質(zhì)量保護(hù)效果的基礎(chǔ)專利少。基礎(chǔ)專利關(guān)乎原材料技術(shù)，位于石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的最頂端，誰在基礎(chǔ)專利上獲得有利地位，誰就擁有了權(quán)威話語權(quán)，更需要研究者利用專利布局占“坑”，搶占市場制高點。

三是技術(shù)研發(fā)，專利先行。雖然石墨烯專利數(shù)量上風(fēng)光無限，卻大部分集中在下游應(yīng)用產(chǎn)品上，且下游應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)受制于石墨烯的原材料量產(chǎn)技術(shù)，而量產(chǎn)技術(shù)的專利國人持有比例偏低，能真正做到實質(zhì)保護(hù)技術(shù)和產(chǎn)品的專利更是少之又少。希望更多的石墨烯量產(chǎn)技術(shù)能得到有效保護(hù)，使國人在新型材料領(lǐng)域占有更多的話語權(quán)。

低端領(lǐng)域現(xiàn)已切入高端領(lǐng)域未來可期

1、制備：石墨烯粉體及多晶薄膜已初具規(guī)模，單晶薄膜有待突破

自 2004 年石墨烯被首次制備以來，研究人員發(fā)展了多種方法制備石墨烯，各類制備方法可歸納為 2 個主流路線，即自上而下（Top-Down）和自下而上（Down-Top）的方法。前者通常以石墨為原料，采用物理或化學(xué)的方法將石墨解離成單層或多層的石墨烯，制成的石墨烯單晶一般尺寸較小，以微片形式存在。包括機(jī)械剝離法、液相剝離法、氧化還原法等。后者通常以含碳?xì)怏w或固體化合物為原料，通過化學(xué)方法利用碳原子構(gòu)建石墨烯。除此之外，還有一些比較另類的生產(chǎn)方法如碳納米管展開法、分子自組裝法等。目前，高質(zhì)量大面積石墨烯單晶的制備還處于探索階段，不同制備方法得到的石墨烯，其物理化學(xué)特性不一樣，對應(yīng)著不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

2、我國石墨烯制備的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

低端領(lǐng)域生產(chǎn)已經(jīng)初具規(guī)模。目前，國內(nèi)部分廠家如第六元素、寧波墨西、重慶墨希、二維碳素等廠家已經(jīng)實現(xiàn)了氧化還原法或液相剝離法石墨烯粉體以及 CVD 法石墨烯薄膜的規(guī)模化生產(chǎn)。根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國石墨烯粉體產(chǎn)能共計 3450 噸 / 年，石墨烯薄膜產(chǎn)能105 萬平米 / 年，但目前生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量較差，僅能滿足涂料、鋰電池添加劑、復(fù)合材料添加劑、觸摸屏等低端領(lǐng)域的需求。

高端領(lǐng)域生產(chǎn)短期內(nèi)較難突破。高速電子器件、光電探測器等高端領(lǐng)域需要大面積高質(zhì)量的石墨烯單晶，與普通多晶態(tài)石墨烯薄膜相比，單晶石墨烯薄膜制備異常困難，目前只能做到毫米級大小，與可實用化的晶圓級大小仍有相當(dāng)距離，短期內(nèi)較難突破，化學(xué)氣相沉積法是最具開發(fā)潛力的制備技術(shù)。

3、應(yīng)用：低端需求逐步打開，高端領(lǐng)域受制于高質(zhì)量石墨烯的制備

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸薄膜制備等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，目前鋰離子正極材料導(dǎo)電添加劑、導(dǎo)熱材料、塑料添加劑、導(dǎo)電油墨等低端應(yīng)用領(lǐng)域即將進(jìn)入或已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)正逐漸由產(chǎn)業(yè)化初期步入快速成長期。

4、石墨烯下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

低端需求初步打開。受制于石墨烯的規(guī)模化制備，目前僅導(dǎo)電墨水、鋰電池添加劑、涂料及復(fù)合材料添加劑、觸摸屏等低端應(yīng)用領(lǐng)域的需求初步打開。

（1）鋰電池方面應(yīng)用

石墨烯作為導(dǎo)電添加劑還可以解決鈷酸鋰等正極材料高壓實比與電池性能之間的矛盾問題，采用石墨烯導(dǎo)電劑的鈷酸鋰電池容量高出 3%，且具有明顯更好的 2C 倍率放電性能。石墨烯還可涂覆在鋁箔集流體上，形成石墨烯功能涂層鋁箔有助于進(jìn)一步提升鋰電池的綜合性能。隨著寧波墨西科技有限公司石墨烯涂層鋁箔試生產(chǎn)線的建成，此項新技術(shù)有望在鋰離子電池中得到廣泛應(yīng)用。值得一提的是，作為添加劑，石墨烯僅僅增強(qiáng)了正極材料的導(dǎo)電性，并沒有改變電極材料的比容量，因而不會大幅增加鋰電池的能量密度。要想大幅增加鋰電池能量密度，需選取具有更高比容量的電極材料。目前，多篇已發(fā)表論文稱利用石墨烯-硫或石墨烯-硅作為鋰電池的正負(fù)極可大大增加鋰電池的能量密度，但此類電池目前還處于實驗室階段，距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需較長時間。

（2）石墨烯導(dǎo)熱材料

石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率和熱輻射系數(shù)，同時比表面積巨大，因此作為輔助散熱的表面涂層具有巨大的應(yīng)用前景。利用石墨烯可制成具有高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨烯散熱片 / 膜，應(yīng)用于手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品以及高功率 LED 芯片中，以增強(qiáng)器件性能，延長其工作壽命。此外，作為添加劑還可利用石墨烯制成石墨烯改性的復(fù)合材料，如熱導(dǎo)纖維和導(dǎo)熱塑料等。該技術(shù)領(lǐng)域市場巨大，在我國的電子和工程領(lǐng)域有迫切的市場需求，技術(shù)難度小、工藝相對成熟，有快速進(jìn)入市場的機(jī)會。

（3）石墨烯導(dǎo)電塑料和油墨

石墨烯可作為新型導(dǎo)電油墨和塑料的主填充料，也可與納米銀粉等混合配制成新型導(dǎo)電漿料或油墨，通過改變石墨烯的填充比例，可調(diào)節(jié)導(dǎo)電油墨的電阻率和附著性能。美國 Vorbek 材料公司的石墨烯導(dǎo)電油墨已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)隱形條形碼技術(shù)中開始應(yīng)用。我國物聯(lián)網(wǎng)市場巨大，前景誘人，以添加石墨烯為主的導(dǎo)電塑料可以在防靜電應(yīng)用領(lǐng)域得到大力推廣，工藝簡便、成本低廉、效果明顯。

（4）石墨烯防腐涂料

石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)使得它既可以在涂層中構(gòu)建導(dǎo)電導(dǎo)熱通道，又可以互相拼接形成嚴(yán)密的迷宮式物理屏障，隔絕腐蝕因子。因此，石墨烯涂料具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐、電磁屏蔽等多種功能。另外，石墨烯微片可以增強(qiáng)涂層的附著力，使涂層具有優(yōu)良的耐磨和耐刮擦性能。因此，石墨烯涂料在飛機(jī)、船舶、車輛、橋梁、建筑物、集裝箱、油罐、等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

（5）石墨烯電容屏

石墨烯薄膜最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域是觸摸屏領(lǐng)域，用于替代傳統(tǒng)的ITO（氧化銦錫）薄膜。2012 年 1 月 8 日，江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技公司聯(lián)合相關(guān)企業(yè)通過研究實現(xiàn)了石墨烯薄膜材料和現(xiàn)有 ITO 模組工藝線的對接，全球首次成功制成石墨烯電容屏手機(jī)樣機(jī)。2015 年 3 月 2 日，重慶墨希科技有限公司與嘉樂派科技有限公司聯(lián)合發(fā)布了全球首批 3 萬部石墨烯手機(jī)，該款手機(jī)采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜，開啟了石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新時代。

未來市場規(guī)模巨大

未來 5-10 年，導(dǎo)電添加劑、防腐涂料、觸摸屏等低端應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化將趨于成熟，超級電容、傳感器、電子芯片等中高端領(lǐng)域也將逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，石墨烯產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速成長期，市場空間將快速擴(kuò)大。

據(jù)預(yù)測，2018 年全球石墨烯市場規(guī)模可能高達(dá) 1.95 億美元，之后將加速發(fā)展，于 2023 年超過 13 億美元，復(fù)合增長率高達(dá) 47%。2023 年石墨烯下游主要市場領(lǐng)域包括超級電容、顯示、結(jié)構(gòu)材料等。

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