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石墨烯产业化之路有多远
时间:2021-06-27 00:38 点击次数:
本文摘要:石墨烯是人类发现的第一种单层原子所含的材料,也是目前未知世界上最厚、最柔软的纳米材料,完全半透明。由于电阻率极低,电子转入速度慢,预计将用于发展更厚、导电速度慢的下一代电子部件和晶体管,被业界视为引导多项产业革命的重要材料,在移动设备、宇宙航空、新能源电池等领域享有广阔的应用。自2004年上市以来,石墨烯技术专利申请量呈圆形井喷趋势,专利布局越来越成熟。 2012年,全球石墨烯专利申请数约为1829件,比上年快速增长100%。

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石墨烯是人类发现的第一种单层原子所含的材料,也是目前未知世界上最厚、最柔软的纳米材料,完全半透明。由于电阻率极低,电子转入速度慢,预计将用于发展更厚、导电速度慢的下一代电子部件和晶体管,被业界视为引导多项产业革命的重要材料,在移动设备、宇宙航空、新能源电池等领域享有广阔的应用。自2004年上市以来,石墨烯技术专利申请量呈圆形井喷趋势,专利布局越来越成熟。

2012年,全球石墨烯专利申请数约为1829件,比上年快速增长100%。在获得高校和科研机构的关注的同时,石墨烯也获得了政府政策资金的大力支持。2013年,欧盟将石墨烯选为未来新兴旗舰技术项目,预计今后10年投入10亿欧元建设石墨烯产业链的韩国政府投入42.3万美元正式成立石墨烯联盟,中国也投入2.1亿元推进石墨烯产业化。但目前,中国石墨烯产业化进程面临研发成果补充产业化平台、高端应用于补充技术、低端应用于补充市场三重挑战。

石墨烯产业欺诈繁荣的石墨烯从出现之日起就受到资本市场的欢迎,被指出取代硅材料,开辟了新的微电子时代。这背后一方面来自石墨烯本身的良好性能,另一方面资本利益的本质大不相同。但实质上,我国目前石墨烯产业化呈圆形两极分化现象,以石墨烯粉末为原料的低端产品,如功能涂料、复合材料、电极材料和结构强化型材料等,部分可行性产业化,但规模小,技术含量和附加值低。以石墨烯薄膜为原料的高级产品,如微电子材料和显示膜材料等,处于实验室阶段,或者处于中考阶段,短时间内无法构筑产业化。

目前国内需要批量生产的石墨烯项目大多不是确实的石墨烯,而是石墨烯粉体,不具备石墨烯薄膜优良化学系性能的类石墨烯,不具备前者最差的导电和导热性、最柔软的强度等特质,一般只作为添加剂作为功能涂料、复合材料、风扇材料、电池等领域使用。另一个现实的问题是,现阶段石墨烯投资与报酬不成比例。

石墨烯产业化背后的研发成本、生产成本、人工费、资源成本都很高。例如,只有宁波墨西科学技术才能将石墨烯粉末的销售价格控制在每克,生产石墨烯薄膜的化学气相沉积法的生产仪器的销售价格约为数百万。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,如果用于石墨烯,可能没有投资和报酬。

资本市场以石墨烯过度图形为引导第三次产业革命的重要材料,但目前石墨烯应用的低投资回报率问题不受尊敬或回避,现阶段石墨烯产业地位被高估。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:一是研发成果补充产业化平台。现阶段,中国石墨烯的研发主体是高校和研究机构,研发偏重于基础科学而不是实用技术,产业化主体是企业,特别强调市场应用。

高中、科研机构与企业之间缺乏合作交流,企业与企业之间由于利益竞争,合作促进石墨烯产业化进程的可能性也不高,因此研究开发主体与产业化主体之间、产业化主体内部呈封闭式自产自销现象,石墨烯产业化进程缓慢,潜在市场需求无法充分挖掘。在石墨烯产业化进程发展缓慢的美国和韩国,其研究开发和产业化主体多为企业,各企业研究开发部门通过创建联盟构建技术共享,企业控制核心技术,看穿市场需求,有效推进石墨烯的研究开发进程、研究开发成果中国需要建立相连的研究开发主体和产业化主体的产业转换平台,将研究开发成果应用于产业化。其二,高端应用于补充技术。实质上,反映石墨烯的核心价值,创造兆级产业链的应用领域是半导体和微电子产业,属于石墨烯的高级应用领域,同时也是拒绝石墨烯生产技术最低、无法构筑工业生产的领域。

目前,中国需要解决高端石墨烯产业化生产瓶颈,控制石墨烯规模化生产技术的机构还很少。中国科学院重庆研究院制取出国内首个15英寸单层石墨烯和中国科学院上海微系统信息功能材料国家重点实验室用化学气相沉积法取出锗底单层石墨烯等研发成果,由于生产技术不成熟期生产成本高,无法构建低成本和规模生产。

常州二维碳技术有限公司2013年生产的年产3万平方米世界上最大规模的石墨烯半透明导电膜生产线,由于没有解决生产大规模单晶石墨烯膜的技术瓶颈和高化学气体沉积法的生产成本,下游厂商销售积极性不足。华为和中兴等目标客户保持着平静的态度,石墨烯半透明导电膜月份没有应用于产业化生产,不能构成规模化的产业链。其三,低端应用于补充市场。石墨烯的低端应用,仅次于瓶颈还在补充市场,下游应用于市场发展缓慢限制了石墨烯的普及应用。

目前,石墨烯的规模生产尚未建立。以动力电池用石墨烯为例,宁波于2012年完成世界首条年产300吨石墨烯生产线,可构建电动汽车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。

但不受我国现有电动汽车设施服务、基础装置等不完善的影响,该产业链至今几乎没有市场化。另外,石墨烯散热器是另一个技术门槛低、产业化前景好的应用领域,但石墨烯只有几个原子薄,不能作为大型设备的风扇,因此下游产业化市场不能局限于微型设备的风扇部件。现阶段,一个年产量400kg的石墨烯生产商,平均值一年卖不出200kg,市场需求主要来自高校和研究机构,订单量多为克计,足以承担石墨烯的产业化发展。高端升级技术的低端缓慢应用于中国石墨烯产业化的道路不可能一蹴而就,必须逐步推进。

宏观上,必须建立政产学研究相互合作的产业转换平台。一是加强政产学研用合作创意体系建设,提升产业创新能力和核心竞争力。实施支持石墨烯产业发展的政策,加强政策领导,整合创造良好发展环境的高中和研究开发机构等创造性资源,加强技术研究开发和人才培养,希望推进石墨烯重点技术构建突破的企业创造力,加强企业与高中、科研机构的密切合作,正式建立企业技术中心,建立产学研究合作平台,构成以企业为主体、产学研究结合的技术创新体系。

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二是地方创建石墨烯专业园区,建设完善的公共服务平台,充分发挥专业园区在产学研合作中的载体,构成产业产卵培育体系,推动科学研究成果产业化发展。在明确部署中,一方面,高端应用领域的技术升级迅速开展。可以从三个方向前进,一是推进单层石墨烯薄膜的研发过程,构建高纯度和无夹杂单层石墨烯的高效微操作,符合下游半导体和微电子产业的研发和工业生产拒绝,推进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开展研发和产业储备。

二要推进石墨烯薄膜生产设备的研发过程,减少化学气相生产法的生产成本,突破技术瓶颈构建石墨烯薄膜的倒数简化和规模化生产。三是搭建薄膜领域研发主体和产业化主体的合作平台,有针对性地向下游厂商急剧前进所需的石墨烯半透明导电薄膜的研发过程,突破大型石墨烯薄膜的生产瓶颈,调动下游厂商提高石墨烯薄膜产业化的积极性。另一方面,合理减缓低端应用领域的市场化进程。

石墨烯电极领域开拓市场,重点突破下游厂商需要石墨烯电极生产瓶颈,缓解重点产品产业化进程。提高电动汽车和电动公共汽车等市场认知度和接受度,建立健全电动汽车设施设施,搭建平滑的石墨烯粉末石墨烯电极超容量(或锂离子电池)产业化地下通道。同时,石墨烯粉末的应用领域必须轻松规划。

合理规划现有产能和发展路径,防止重复碳纤维和稀土产业这样盲目发展、产能不足、出局领先的三步走老路。此外,还要进一步缓解石墨烯粉末的产业化进程,缓解企业尝试产业化生产的转换速度,采用小批量小作坊式生产技术,构成大规模生产,进一步降低生产成本,构成价格优势,刺激下游企业的销售和应用于性欲。

功能涂料、风扇材料、复合材料等领域应轻微升级。不应加强与科研机构、大学的合作,延缓技术升级进程,解决低投资回报率障碍的厂家、下游厂家和研发机构的合作桥梁,探讨重点产品,完善重点产品产业链,刺激重点产品的市场需求,延缓重点产品的产业化进程。


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