石墨烯产业化之路到底有多远

西北新闻网 2019-05-15

石墨烯产业化之路到底有多远


石墨烯产业化之路到底有多远


文/肖劲松

石墨烯被誉为“材料之王”,自2010年获得诺贝尔物理学奖之后,就成为学界、资本市场和媒体的宠儿,并被产业界寄予无限希望,但其产业化过程频频遇冷,也遭到人们质疑。


产业化之路有多远?

石墨烯作为一种新型二维纳米材料,因其优异性能在电子信息、新材料、新能源、生物医药、环境保护等诸多领域具有巨大应用潜能和革命性变革,被誉为“材料之王”、“黑金”,世界各国也在加紧研发和部署,以期占领石墨烯领域的制高点。资本界、学术界、媒体界等“热情高涨”,专利井喷、企业如雨后春笋诞生、媒体爆炸式宣传、资本狂热追逐、应用产品百花齐放,呈现出一片繁荣景象,这是否就意味着石墨烯产业化之路已近在咫尺?但是,石墨烯规模化应用频频遇冷,相关企业并没有盈利迹象。那么,石墨烯产业化之路到底有多远?

解码产业化真相

正处于概念导入期、产业化突破前期

石墨烯自诞生之日起就受到各方追捧,仿佛一夜之间就可以发生天翻地覆的变化,形成千亿级、万亿级产业。而事实上,石墨烯产业目前还处在以研究为主的阶段,产品大都处在实验室阶段,产业化进程相对较慢,滞后于媒体、资本市场的宣传炒作。在这一阶段,得到各方面广泛关注,被给予厚望,这无可厚非。但是目前在媒体、资本的热炒下,呈现出产业化虚假繁荣的泡沫,对产业发展十分不利。

应该清醒认识到,科学研究和专利产品要变为现成产品,需要经过5个阶段:实验室阶段——实验工厂阶段(小试)——示范生产线(中试)——示范工厂——工厂,每个阶段缺一不可,都潜在风险,不可能一蹴而就,这个过程需要10年、20年、甚至更长时间。比如,硅材料历经了20多年、碳纤维坚持了半个多世纪。从Gartner的技术成熟度曲线看,石墨烯产业总体正处于概念导入期、产业化突破前期。目前以石墨烯粉末(体)为原料的低端产品,如功能涂料、复合材料、电极材料和结构增强型材料等,虽然部分已初步产业化,但规模小、技术含量不高、附加值较低。而以石墨烯薄膜为原料的高端产品,如微电子材料和显示屏薄膜材料等,或处于实验室阶段,或处于中试阶段,短时间内均难以实现产业化。按照硅材料产业的成熟周期为20年来推断,石墨烯产业化成熟至少还需要5~10年,接下来如何“破局”是关键。

工业和信息化部、发展改革委、科技部三部委联合发布的《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》中明确将石墨烯产业定位为先导产业。

产业化面临着技术、市场、成本三大瓶颈

目前,石墨烯虽然走出了实验室,但是大规模商用仍存在三大难题。首先是技术问题。包括制备、分散、应用和环保等关键技术都没有获得实质性突破。虽然目前石墨烯制备技术已有20多种,但规模化、低成本、高品质的石墨烯制备技术尚未突破,无法满足工业化需求。此外,材料的分散技术,与下游工艺、工程化结合起来的应用技术等都还制约着产业化进程。其次是市场问题。虽然目前各种应用产品层出不穷,百花齐放,但是缺乏真正的高品质、高附加值和体现石墨烯优良性能的拳头产品,绝大多数是对传统材料进行改性,但是其性能提升不显著或非必须添加品,甚至很多企业只做出了样品,根本没有形成商品。如果不能找到石墨烯杀手锏级的应用领域和方向,仅仅是替代或者用来生产低端产品,产业不可能发展起来。三是成本问题。目前大多数企业尚处于小批量生产的探索阶段,还不能形成稳定的规模化生产能力,没有资金的回笼;且企业前期的研发投入资金量大、周期长,应用市场没有打开,所以不论是材料本身,还是应用产品的成本都很高,这都阻碍了石墨烯进一步走向市场。

此外,还存在着环境风险。石墨烯的制备需要大量的酸、碱,材料本身具有较强的稳定性和极易扩散,对环境具有较大的风险。

产业地位被片面夸大

石墨烯自诞生之日起就受到各方热捧和青睐,一旦有新的研究成果或新产品发布,就号称可以带来千亿级、万亿级产业。其实,人们对石墨烯的认知存在很多误区:一是石墨烯产业的发展必须依托石墨资源,而且需求量大。众所周知,石墨烯的制备有两条路径,石墨烯薄膜的生产是以甲烷、乙炔等含碳气体为原料,与石墨没有关系。而石墨烯粉体虽然由石墨生产,作为“工业味精”,对资源的需求量很小。二是将“类石墨烯”石墨烯化。研究表明,石墨烯的优良特性主要是单层、少层石墨烯,层数越多,石墨烯的优良特性就丧失,一般10层以上就是石墨烯粉体。目前,业界宣称能够量产的石墨烯项目,多是石墨烯粉末(体),并且将大量膨胀石墨、石墨微片在其中鱼目混珠。企业向原有材料中添加石墨烯粉体,就可以声称提高甚至大幅提高了产品性能,从而得到资本市场的炒作。三是石墨烯所具有的优良特性只是单原子厚度石墨烯的微观性能。但是,这些微观特性往往被夸大成宏观特性。如一张保鲜膜厚的石墨烯能撑起一头大象,用石墨烯制造防弹衣、太空绳。其实,石墨烯无法用于大型器件散热,而更适合极微小器件散热;用石墨烯制作超级电缆,不适合制造普通电缆、导线,只适合作微电路。

此外,将石墨烯代替硅材料也想像得过于乐观。目前石墨烯半导体还处于理论假设和概念宣传阶段。石墨烯的特性更接近于导体,通过掺杂实现石墨烯的半导体在学术理论中还有不小的问题。而氧化石墨烯虽然能够表现出半导体的特性,但性能差强人意。石墨烯成为硅半导体的替代材料在20~30年内难以实现。

我国石墨烯产业低端化发展苗头初显

作为石墨烯研究最为活跃的国家之一,我国石墨烯技术创新成果频出,产业化发展势头迅猛,走在世界前列。但与美、日、韩等发达国家相比,我国石墨烯研究和产业发展基本处于产业链和价值链的低端,虽然资本界、学术界、媒体界等“热情高涨”,但无法掩盖其以材料生产为主,下游应用集中在附加值低的产品、低端产能扩张过快、产品同质化严重等问题,已经初步显示出“低端化”发展的苗头。主要表现在:专利“重量轻质”。虽然2016年我国石墨烯专利申请量约占全球申请总量的68.2%,稳居全球首位。但存在实用新型专利多、原创基础专利少,国内专利多、国际专利少,高校专利多、企业专利少的现象。下游“优材低用”。目前下游应用多集中在粉体(类石墨烯)领域,产品的低端同质化现象十分严重,即将石墨烯作为改性添加剂应用于涂料、复合材料、动力电池等规模大但对石墨烯的品质要求并不高的领域,产品附加值不高,企业甚至盲目扩大产能。环保“隐患犹存”。目前的制备技术普遍存在能耗、水耗大和工艺不环保等问题,对生态环境保护存在较大隐患。

推进我国石墨烯产业健康发展的对策建议

虽然目前在媒体、资本的热炒下,石墨烯呈现出产业化虚假繁荣的泡沫,遭到人们的质疑,但作为一种新型二维材料,石墨烯前途是光明的,道路是曲折的,需要遵循新型材料发展规律和新兴产业的发展规律,搭建产业化平台,坚持不懈地努力。

加强顶层设计和政策引导

根据Gartner的技术成熟度曲线,建立在新技术上的新兴产业,其产业化发展与技术成熟度紧密相关,具有相应的发展规律和发展阶段。同时,新材料产业一般是按照“料—材—器—用”这样的产业链发展。因此,作为新型材料和新的技术,石墨烯产业发展要遵循相应的科学规律和阶段性特征,加强顶层设计和政策指导。制定相应的发展战略、规划和路线图,对各阶段的发展目标、产业布局、重点企业培育、关键技术突破、下游应用行业、政策等进行统一部署,合理规划产能和发展路径,推进石墨烯差异化、特色化、集群化发展,避免低端同质化重复建设。坚决制止一蹴而就、急功近利和投机心理,树立严谨务实、坚持不懈的工匠精神,引导媒体正确地宣传。此外,尽快研究制定一批国家标准和行业标准,建立标准规范体系。包括相关产品定义、检测和使用标准、行业规范条件,从产业布局、生产工艺与装备、清洁生产、质量管理等方面加以规范。

推动制约产业发展的关键技术的突破

整合各类创新资源,成立国家级石墨烯创新中心,制定技术创新目录和技术突破路线图,对材料制备技术、清洁生产技术、下游高端应用等关键技术加强攻关。设立石墨烯产业基金,采用政策性财政支出和社会资本共同参与的模式,加快关键技术成果的转化,寻找杀手锏级的高端应用领域、方向和产品。

搭建政产学研用互促合作的产业化平台

出台扶植石墨烯产业发展相关政策,加强政策引导,营造良好的发展环境;加强技术研发和人才培养;鼓励企业创新,加强企业与高校、科研机构的紧密合作,成立企业技术中心,搭建产学研合作平台,形成以企业为主体、产学研结合的技术创新体系,聚焦重点产品,完善重点产品产业链,刺激重点产品的市场需求,加快重点产品的产业化进程;鼓励地方创立石墨烯专业园区,建设完善公共服务平台,发挥专业园区在产学研合作中的载体作用,形成产业孵化培育体系,推动科研成果的产业化转化。

培育领军企业

充分发挥产业政策和财政资金的引导作用,鼓励社会资本参与,以培育具有国际竞争力的企业为目标,选择少数真正有创新实力的企业进行重点培育,促进人才、资源、资本向优势企业集中;加强企业高端人才队伍建设,结合国家“千人计划”和国际合作项目等,帮助优势企业引进能够带来核心技术的高端人才或技术团队,建立健全高端人才保障机制。