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石墨烯产业化之路有多远

2019-12-03 10:34:21来源:励志吧0次阅读

中国石墨烯产业化之路不可能一蹴而就,搭建政产学研用互促合作的产业化转换平台,稳步推动高端应用领域的技术升级,合理加快低端应用领域的市场化进程是比较现实的途径。

石墨烯是人类发现的第一种由单层原子构成的材料,也是目前已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,几乎完全透明。由于其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管,被业界视为将引领多项产业革命的关键材料,在移动设备、航天航空、新能源电池等领域拥有广阔的应用前景。

自2004年面世以来,石墨烯技术专利申请量就呈井喷之势,专利布局日趋成熟。2012年,全球石墨烯专利申请数量达1829件,同比增长100%。

在得到高校和科研机构青睐的同时,石墨烯也获得了政府政策资金的大力支持。2013年,欧盟将石墨烯选入未来新兴旗舰技术项目,计划未来十年投入10亿欧元打造石墨烯产业链;韩国政府投入42.3万美元成立石墨烯联盟;中国也投入2.1亿元推动石墨烯产业化。

但目前中国石墨烯产业化进程面临研发成果缺产业化平台、高端应用缺技术、低端应用缺市场三重挑战。

石墨烯产业的虚假繁荣

石墨烯自诞生之日起就受到资本市场追捧,甚至被认为将替代硅材料,从而开启全新的微电子时代。

这背后一方面源于石墨烯自身优越的性能,另一方面是资本逐利的本质使然。但实际上,中国现有的石墨烯产业化呈两极分化现象,以石墨烯粉末为原料的低端产品,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、技术含量与附加值均比较低。以石墨烯薄膜为原料的高端产品,比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,短时间内均不能实现产业化。

目前,国内能够量产的石墨烯项目,大多并非真正的石墨烯,而是石墨烯粉体,一种不具备石墨烯薄膜优良理化性能的“类石墨烯”,并不具备前者最好的导电和导热性、最坚硬的强度等特质,一般只作为添加剂用于功能涂料、复合材料、散热材料、电池等领域。

另一个现实的问题是,现阶段下,石墨烯投资与回报还难以成正比。石墨烯产业化背后的研发成本、生产成本、人力成本以及资源成本都很高。

例如,仅有宁波墨西科技可以将石墨烯粉末售价控制在每克一元钱,一台生产石墨烯薄膜的化学气相沉积法生产仪器售价高达数百万。对于复合材料、功能涂料和结构增强型材料等产值规模较小的领域,如果使用石墨烯,就可能存在投资与回报不匹配的现象。

资本市场将石墨烯过度渲染为引领第三次产业革命的关键材料,却未对当前应用石墨烯的低投资回报率问题给予重视甚至有意回避,导致现阶段石墨烯的产业地位被夸大。

产业化三大短板

制约中国石墨烯产业化进程的因素主要包括三个方面:

其一,研发成果缺产业化平台。现阶段,中国石墨烯的研发主体为高校和研究机构,研发偏重于基础科学而非实用技术,产业化主体则是企业,它更强调市场应用。高校、科研机构与企业之间缺乏合作沟通,企业和企业之间因为利益竞争,也不可能通过合作共促石墨烯产业化进程,因此研发主体和产业化主体之间,以及产业化主体内部均呈现出封闭式的“自产自销”现象,导致石墨烯的产业化进程缓慢,潜在市场需求不能充分挖掘。

在石墨烯产业化进程发展较快的美国和韩国,其研发和产业化主体都以企业为主,各企业的研发部门通过建立联盟实现技术共享,企业既掌握核心技术,又洞悉市场需求,从而可有效推动石墨烯的研发进程、研发成果转化进程和产业化进程。中国亟需建立连接研发主体和产业化主体的产业化转换平台,推动研发成果向产业化应用转化。

其二,高端应用缺技术。实际上,能够体现石墨烯核心价值、打造万亿级产业链的应用领域是半导体和微电子产业,属于石墨烯的高端应用领域,同时也是对石墨烯生产工艺要求最高、尚不能实现工业化生产的领域。

目前中国能够克服高端石墨烯产业化生产瓶颈并掌握石墨烯规模化生产技术的单位还微乎其微。中科院重庆研究院制备出的国内首片15英寸单层石墨烯,以及中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室用化学气相沉积法制备出的锗衬底单层石墨烯等研发成果,都因生产工艺不成熟导致生产成本高昂,也就无法实现低成本和规模化生产。

常州二维碳素科技有限公司2013年投产的年产3万平方米的全球最大规模石墨烯透明导电薄膜生产线,也因未克服生产大尺寸单晶石墨烯薄膜的技术瓶颈,以及高昂的化学气相沉积法的生产成本,导致下游生产商缺乏购买积极性。华为和中兴等目标客户普遍持观望态度,并没有将石墨烯透明导电薄膜正式应用于其产业化生产中,因此也就无法形成规模化的产业链。

其三,低端应用缺市场。对于石墨烯的低端应用,最大瓶颈仍在于缺市场,下游应用市场发展缓慢制约了石墨烯的推广应用。

目前,还没有一个应用领域可以实现石墨烯的规模化生产。以动力电池用石墨烯为例,宁波于2012年建成全球首条年产300吨的石墨烯生产线,并可以实现电动汽车用高容量锂离子电池和高性能磷酸铁锂动力电池的产业化生产。但是,受我国现有电动车的配套服务、基础装置等不健全影响,该产业链至今尚未完全市场化。

此外,石墨烯散热器件是另一个技术门槛低、产业化前景好的应用领域,但由于石墨烯只有几个原子厚,无法用于大型器件的散热,因此下游产业化市场只能被局限在微小器件的散热配件中。现阶段,一个年产量400公斤的石墨烯生产商,平均每年只能卖出200公斤,需求主要来自高校和研究机构,且采购量多以克计,不足以支撑石墨烯的产业化发展。

高端升级技术低端加快应用

中国石墨烯产业化之路不可能一蹴而就,需要逐步推进。从宏观上而言,要搭建政产学研用互促合作的产业化转换平台。

一是加强“政产学研用”合作创新体系建设,提升产业创新能力和核心竞争力。出台扶植石墨烯产业发展的相关政策,加强政策引导,营造良好的发展环境;整合高校和研发机构等创新资源,加强技术研发和人才培养,推动石墨烯重点关键技术实现突破;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、产学研相结合的技术创新体系。

二是鼓励地方创立石墨烯专业园区,建设完善的公共服务平台,发挥专业园区在产学研合作中的载体作用,进而形成产业孵化培育体系,推动科研成果的产业化发展。

具体部署中,一方面,稳步进行高端应用领域的技术升级。可以从三个方向突进,一要推动单层石墨烯薄膜的研发进程,实现高纯度和无夹杂单层石墨烯的可控微操作,满足下游半导体和微电子产业的研发和工业生产要求,推动半导体和微电子产业的改革升级,为即将到来的“后摩尔时代”进行研发和产业储备。

二需推动石墨烯薄膜生产设备的研发进程,降低化学气相生产法的生产成本,突破技术瓶颈实现石墨烯薄膜的连续化和规模化生产。

三则搭建薄膜领域研发主体和产业化主体的合作平台,有针对性地稳步推进下游厂商所需的石墨烯透明导电薄膜的研发进程,突破大尺寸石墨烯薄膜的生产瓶颈,调动下游厂商促进石墨烯薄膜产业化的积极性。

另一方面,合理加快低端应用领域的市场化进程。石墨烯电极领域要拓市场,重点要突破下游厂商所需石墨烯电极生产瓶颈,加快重点产品的产业化进程。提高电动汽车和电动公交车等的市场认知度和接受度,建立健全电动车的配套装置设施,搭建平坦畅通的石墨烯粉末-石墨烯电极-超级电容(或锂离子电池)的产业化通道。

同时,石墨烯粉末应用领域要重规划。合理规划现有产能和发展路径,避免重复碳纤维和稀土产业那样的盲目发展、产能过剩、淘汰落后的“三步走”老路。

还有要进一步加快石墨烯粉末的产业化进程,加快相关企业从中试到产业化生产的转化速度,淘汰小批量小作坊式的生产工艺,形成大规模生产,进一步降低生产成本,形成价格优势,刺激下游企业的购买和应用欲望。

对于功能涂料、散热材料、复合材料等领域要重升级。应加强与科研机构、高校的合作,加快技术升级进程,克服低投资回报率的障碍;搭建生产厂商、下游厂商和研发机构的合作桥梁,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,努力打造石墨烯市场化的产业链。

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