石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜,厚度在一個納米以下,**早是由諾貝爾獎獲得者-英國曼徹斯特大學物理學家AndreGeim和Konstantin Novoselov用微機械剝離法從石墨中分離得到的。石墨烯具有非常良好的抗拉強度及透光、導電和導熱性能,被譽為新世紀的「材料之王」。
近年來,石墨烯概念在全球受到追捧,各國政府、科研院所、企業和金融機構等都對此給予了較大關注。根據BCC Research**新研究報告預測:2018年全球石墨烯市場規模將達到1.95億美元,到2023年將超過13億美元。
中國石墨烯產業發展也較快,2015年全國石墨烯市場規模約610萬美元,同比增長超過336%,初步統計2016年已突破2000萬美元。然而在快速發展的同時,中國的石墨烯產業也飽受爭議,業界有人質疑其將「淪為下一個光伏產業」,給產業的後續發展構成障礙。
1、中國石墨烯產業發展現狀
由於技術進步和成本下降速度不夠快的原因,目前中國的石墨烯行業還沒有出現大規模產業化,政府的產業扶持政策體系也在完善過程中。但依據目前的市場需求預測,中國的石墨烯產業化將會在較短時間內取得突破。
中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟發布的2016年數據顯示:到2020年,全球石墨烯市場規模將超過1000億元,新能源行業的鋰電池和超級電容市場規模將突破534億元,其中中國佔比50%-80%。
(1)產業鏈發展現狀
按照產品屬性進行劃分,石墨烯產業可分為上遊、中遊和下遊三個部分。
上遊:石墨烯的原材料產業,包括石墨開採和烴類物質加工等;
中遊:石墨烯的生產加工產業,包括石墨烯薄膜、石墨烯粉體等產品的加工等;
下遊:石墨烯的應用,主要包括半導體、柔性電子、生物醫藥、環保等領域。
①石墨產業
上遊的石墨等產業發展較為成熟。首先,資源儲量較大。據中國地質調查局的報告,中國是世界第二大石墨資源國,石墨基礎儲量約佔世界總儲量的33%,已查明資源儲量2.6億噸,預測資源潛力18.7億噸,主要分布在黑龍江、內蒙古和山東等省區。
中國是世界**大石墨生產國,2015年全國石墨產量達到86萬噸,佔世界總產量的67.7%。目前國內有石墨礦山194座,其中大型礦山40座,中型19座,小型135座,主要分布在內蒙古、黑龍江、河北、山東、湖南及四川等地。
中國同時也是世界**大石墨出口國和消費國,2015年出口量為25.1萬噸,佔世界貿易量的79.0%;消費量約為61.4萬噸,佔世界消費總量的53.4%。
②石墨烯生產加工業
目前,中國從事石墨烯研發、生產和應用的相關企業數量超過400家,約佔全球石墨烯從業企業總量的3/4。
從企業地理分布來看:北部以山東青島為主,東部以江蘇的常州、無錫為主,南部以廣東省的深圳、東莞為主,在中西部地區和東北各省份有零星的石墨烯從業企業,但未形成產業集群。典型的從業企業有江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司、上海南江集團、中科重慶綠色智能技術研究院等。
從企業類型上看:目前將石墨烯作為主營業務的企業有近70家,其中包括石墨烯粉體相關企業50多家,石墨烯薄膜相關企業近10家。
從企業生產技術來看:在石墨烯的生產技術方法上,採用微機械剝離法、化學氣相沉積法(CVD)、外延生長法等傳統技術的企業較多,採用乙氧鈉裂解法和切割碳納米管法等複雜技術的較少。
從企業規模上看:目前從事石墨烯生產的企業80%以上為中小型企業,年銷售額多數在百萬元級別。不過已有一些上市企業開始涉足石墨烯產業。據初步統計,截至2016年9月14日,共有18家上市公司參與石墨烯產業鏈布局,其中包括主板的東旭光電、力合股份等6家公司,中小板的康得新等5家企業以及創業板、新三板的其他7家中小企業。
從企業盈利情況來看:目前石墨烯生產企業的總體盈利能力很弱。一些宣稱具備百噸年產能的生產企業,企業產值和盈利能力遠遠沒有預期的高,多數企業處於虧損狀態。根據2016年年中的企業業績報告,上半年常州第六元素材料科技股份有限公司淨利潤為-1367.27萬元,常州二維碳素材料淨利潤為-521.4萬元,青島華高墨烯淨利潤為-283.8萬元。
③下遊應用業
石墨烯特殊的平面二維結構,有利於電子的傳輸,因而有多方面的應用。
作導電添加劑,可進一步降低電池的內阻,提高電池倍率性能和循環壽命;
作導熱材料,對熱導纖維和導熱塑料等進行改性,可提升材料的散熱能力;
作新型導電油墨和塑料主填充料,可調節導電油墨的電阻率和附著性能;
作防腐漆膜骨架,可提高膜的抗腐蝕效能。
另外,石墨烯優異的抗靜電、防輻射功能和溶脹性、吸溼性、抗菌性等其他方面特性,使之可以為生物醫用紡織材料、抗菌醫用材料、柔性傳感器等提供新材料。
目前來看,中國在複合材料、鋰電池、超級電容等方面的石墨烯應用已開始起步,而在柔性顯示、傳感器、超級電容器、散熱材料、半導體器件及生物醫藥等領域的應用還處在探索階段。
近兩年來,國內一些科研機構在石墨烯材料的應用上取得了一些突破。
江南石墨烯研究院等實現了石墨烯薄膜材料和現有ITO模組工藝線的對接,在全球成功製成電容觸控螢幕手機樣機;
中國科技大學利用石墨烯精確快速篩選離子的功能,製成用於海水淡化的石墨烯氧化薄膜;
中科院上海矽酸鹽所研製出氮摻雜有序介孔石墨烯,用作高性能超級電容器電極材料,使汽車只需充電7s,續航就能達到35km。
不過從整體來看,中國石墨烯產業鏈還很脆弱,完整的、成熟的上下遊產業鏈有待鞏固。目前可以這麼說,大部分從業企業把資金和精力都投在石墨烯的材料生產上,而下遊應用集中於低附加值產品上,一些高附加值產品因為缺乏相關人才和技術,進展甚微。
(2)石墨烯技術與專利
目前,國際上關於石墨烯的技術研究熱點是導電性、導熱性、製備方法優化以及納米材料製備等;
中國關於石墨烯的技術研究熱點則集中在石墨烯製備、石墨烯納米材料及複合材料、石墨烯在鋰離子與太陽能電池電極材料及光電器件等方面。
中國的科研管理機構較為重視對石墨烯相關技術研究的資助。從2009年開始,中國科學院、科技部、國家自然科學基金委等相繼啟動了多個石墨烯研究項目,其中包括863計劃課題「石墨烯的控制製備及其在光電領域的應用」和973計劃課題「石墨烯的可控制備、物性與器件研究」,以及一系列的自然科學基金項目等。
據統計,國家自然科學基金委已陸續撥款超過3億元,用於資助石墨烯相關基礎研究項目,其中2014年資助石墨烯相關研究項目385項,2015年資助石墨烯相關研究項目396項。
在技術進步的同時,中國石墨烯領域的專利申請也很火熱。根據《2017石墨烯技術專利分析報告》,石墨烯中國專利申請 18931 件,發明數量 17306,實用新型 1616件,外觀 9 件。其中 PCT 發明專利 737 件,數據檢索時間為 2017 年 3 月 1 日。
目前涉及石墨烯原材料、製備技術、生產工藝和檢測技術的發明專利一共有2152件。
原材料包括粉體-漿料、石墨烯膜、石墨烯纖維、宏觀組裝體、量子點、多孔石墨烯等;