產業(yè)成果爆發(fā)
石墨烯作為戰(zhàn)略新材料，將逐漸向產業(yè)化生產、規(guī)?；瘧眠^渡。我國石墨烯產業(yè)起步較早，產業(yè)鏈初步形成，整體呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭。下游生產企業(yè)已經(jīng)有能力參與到全球石墨烯市場的競爭，并在石墨烯的研究和生產等方面取得較為領先的優(yōu)勢，是我國為數(shù)不多的能與國際先進國家基本處于同步階段的新型產業(yè)。2015年以來，中國石墨烯產業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，至2018年石墨烯產業(yè)規(guī)模超過70億元。
石墨烯是從石墨材料中剝離出來的二維碳材料，按照碳原子層數(shù)可分為單層石墨烯、多層石墨烯及石墨烯微片。其中單層石墨烯是指碳原子僅僅在二維平面以六角蜂巢結構排列構成的嚴格單層碳材料，是一種沒有能隙具有線性能量分布的半導體，由于電子可以在晶體中自由移動而賦予單層石墨烯非常好的導電性。
石墨烯被納入我國《新材料產業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》中鼓勵發(fā)展的新材料，而《中國制造2025》則進一步明確規(guī)劃了未來十年我國石墨烯產業(yè)的發(fā)展路徑，總體目標是2020年形成百億元規(guī)模，2025年突破千億元，重點是石墨烯制備實現(xiàn)規(guī)?；?，儲能電化學器件等領域實現(xiàn)產業(yè)化。
全國人大代表、圣泉集團總裁唐一林表示，近幾年是我國石墨烯產業(yè)發(fā)展成果爆發(fā)期，我們要抓活創(chuàng)業(yè)思路，加大創(chuàng)新步伐。2017年由圣泉集團牽頭籌建成立了中國石墨烯改性纖維及應用開發(fā)產業(yè)發(fā)展聯(lián)盟。
唐一林介紹，2014年圣泉集團在全球范圍內率先從植物秸稈玉米芯纖維素中提取出生物質石墨烯，也打通了石墨烯材料到經(jīng)濟消費品的石墨烯產業(yè)鏈。
2015年將石墨烯添加到粘膠纖維中，并研發(fā)制造出了基于這種內暖新材料而制成的養(yǎng)體內衣系列、除臭襪品系列等產品，實現(xiàn)了石墨烯的產業(yè)化和商業(yè)化應用，同年與滌綸復合研發(fā)成功，使石墨烯應用在紡織行業(yè)取得了重大的突破。
2016年又將生物質石墨烯與錦綸、晴綸、氨綸、羽絨棉、維尼綸、聚氨酯、乳膠等全化纖系列材料成功復合應用，研發(fā)出內暖絨健康被、內暖絨服、石墨烯助眠枕等系列產品，成功打造出了推動中國傳統(tǒng)紡織行業(yè)轉型升級的內暖纖維、內暖烯孔、內暖絨三大系列上百個衍生產品。
搶占發(fā)展先機
在力學方面，石墨烯是人類已知強度最高的材料之一，與單壁碳納米管相當，強度是普通鋼材的100倍。此外，石墨烯還具有良好的韌性，是碳纖維的20倍。在熱學方面，石墨烯是室溫下最好的導熱材料，導熱性能是碳納米管的1.51倍，是銅的13倍。在電學方面，石墨烯是室溫下最好的導電材料，由于其特殊的能帶結構使常溫下電子運動干擾小，傳輸質量大幅提高。石墨烯的電學性能突出表現(xiàn)在高載流子遷移率及高電流密度，其載流子遷移率相當于商用硅片的10倍，電流密度耐性相當于銅的100倍。2018年，在全球主要優(yōu)先權專利申請件數(shù)排位中，中國、韓國、美國申請件數(shù)名列前三，分別為6714、2892、2632件。石墨烯的研發(fā)主要集中在亞洲及北美洲，其中中國是主要的研發(fā)國家，最早優(yōu)先權專利申請數(shù)約占全球50%。全球前十位石墨烯專利申請人中，有五位是中國高校，兩位是韓國高校，只有三家是企業(yè)，高校占70%，可見目前石墨烯的研發(fā)主力仍然在高校。從專利數(shù)量看，專利申請數(shù)最多的申請人為韓國三星、韓國高科技學院及美國IBM，專利申請數(shù)分別為503、223、199件，可見全球石墨烯研發(fā)技術領先機構主要分布在韓國。全球石墨烯專利最為集中的前五個領域分別為鋰電子電池、生化傳感器、超級電容器、催化劑及導電復合材料。
全球便攜式鋰電池市場規(guī)模自2012年以來逐年增長，預計在2022年以前保持每年約10%的平均增長率。其中鋰電池在手機、平板電腦及筆記本方面的需求量將保持8%的年平均增長率， 2017年便攜式鋰電池在手機、平板電腦及筆記本方面的需求量持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計，當前CVD法生產單層石墨烯的成本約為7歐元/平方厘米，未來幾年內隨著石墨烯生產工藝的成熟，生產成本將進一步降低。預計2020年，CVD法生產單層石墨的成本將降至0.07歐元/平方厘米。石墨烯生產價格的大幅降低，將使石墨烯導電劑突破成本瓶頸，從而以更加合理價格占領下游市場。根據(jù)石墨烯產業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年石墨烯導電劑的價格為230美元/千克，與碳納米管導電劑價格大致相同。但是，石墨烯導電劑價格下降的幅度將遠超于碳納米管導電劑價格的下降幅度，預計到2020年，石墨烯導電劑價格將降至113美元/千克，碳納米管價格依然維持在200美元/千克的水平，石墨烯導電劑的價格優(yōu)勢逐漸凸顯。中國對石墨烯產業(yè)的重視與日俱增。經(jīng)過梳理可以發(fā)現(xiàn)，2010年-2019年，我國石墨烯相關支持政策230多條，其中國家層面共出臺了40多條政策。 2015年11月，工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合出臺了《關于加快石墨烯產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見。已有20多個省市在“十三五”規(guī)劃等政策中對石墨烯進行了布局，地方政府紛紛通過編制專項規(guī)劃、設立產業(yè)園、科技專項、產業(yè)基金、出臺扶持政策等，促進石墨烯關鍵技術研發(fā)和產業(yè)化應用示范，搶占石墨烯產業(yè)發(fā)展先機。隨著石墨烯產業(yè)的快速發(fā)展，全產業(yè)鏈布局已經(jīng)初見雛形，基本覆蓋了從制備到應用研究到石墨烯產品生產，直至下游應用的所有環(huán)節(jié)。基本形成以北京為核心，東部沿海地區(qū)產業(yè)帶和內蒙古-黑龍江地區(qū)產業(yè)帶為集聚區(qū)，多地點狀分布式的產業(yè)發(fā)展格局。
截至2019年9月底，在工商、民政等部門注冊的與石墨烯相關的單位數(shù)量達12228家；實際開展石墨烯業(yè)務的單位約3000多家，其中從事技術服務、銷售、投資及檢測的單位占比45.26%，從事石墨烯相關研發(fā)的單位占比25.73%，設備和制備的單位占12.66%，下游應用方向的單位數(shù)量占16.35%，石墨烯的市場化在逐步展開。從應用領域看，基本覆蓋了新能源、儲能、電子顯示、防腐涂料、大健康等多領域。
良好應用前景
石墨烯作為未來產業(yè)之一,人們對其在材料領域的革命寄予厚望。日前,被譽為世界石墨烯之父的諾貝爾獎得主安德烈•蓋姆來到位于山東萊西市南墅鎮(zhèn)的青島德通納米技術有限公司,跟石墨烯領域的企業(yè)坐在一起討論時表示,中國雖然還處于石墨烯時代的前半期,但中國石墨烯產業(yè)已引領世界石墨烯產業(yè)的發(fā)展。他說,我們從最早經(jīng)歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代,以及到現(xiàn)在的硅時代皆是如此。現(xiàn)在隨著石墨烯和二維材料的發(fā)展我們逐漸進入到一個低維材料的新的時代,這些低維材料是跟石墨烯很相似的材料,只有一個原子層的厚度。“當然我們還處于石墨烯時代的前半期,所以我們將看到三五十年后石墨烯真正進入到我們的生活中來改變我們的生活,會在我們生活的很多不同領域發(fā)揮作用。”
安德烈認為, 世界上已經(jīng)有許多石墨烯產業(yè)化的公司,即使在中國也有超過500家的公司在做。中國的石墨烯產業(yè)領導著世界石墨烯產業(yè)的發(fā)展。歐洲和美國的石墨烯領域主要集中在大學為主的科研方面,還沒有一些正式的產品,在中國由于當?shù)卣拇罅χС?不僅有一些高校的科研工作在圍繞石墨烯展開,還有很多公司實實在在地生產出了產品。“政府的支持非常重要,正是有了政府的大力支持,才會造就中國的石墨烯產業(yè)在世界上的領導地位。”
繼華為推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池之后，被視為“新材料之王”的石墨烯在應用方面又有新突破。2016年12月6日，全球首個石墨烯高端產業(yè)應用——“石墨烯表面波探測技術”在北京發(fā)布。
該技術可以替代基于傳統(tǒng)SPR技術的探測系統(tǒng)。此外，石墨烯表面波探測技術還可以極大提高探測技術在科技、醫(yī)療、安防等行業(yè)中的應用效果，甚至幫助特殊人群完成“不可能完成的任務”。
我國約占全球石墨烯企業(yè)的3/4，以中小初創(chuàng)企業(yè)為主。截止到2016年8月底，我國從事石墨烯研發(fā)、生產、應用等相關企業(yè)數(shù)量超過400家，約占全球石墨烯企業(yè)數(shù)量的四分之三，主要集中在長三角、珠三角和京津冀魯區(qū)域，寧波、常州、無錫、青島、重慶等地都紛紛設立了石墨烯產業(yè)園區(qū)。國內涉及石墨烯產品研發(fā)的主要以中小企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)為主；同時也有少數(shù)大型公司參與。“石墨烯+”行動目前已開始實施，主要采取“一條龍”模式，組織推動石墨烯材料及其改性產品的首批次示范應用。根據(jù)中國石墨烯改性纖維及應用開發(fā)產業(yè)發(fā)展聯(lián)盟預測，全球石墨烯應用市場將在2020年形成產業(yè)爆發(fā)點，而中國的石墨烯市場將占據(jù)全球石墨烯市場份額的70%以上，在全球石墨烯市場上占據(jù)主導地位。
石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。石墨烯目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數(shù)百倍。據(jù)石墨烯產業(yè)發(fā)展白皮書預測，到2025年，全球石墨烯的市場規(guī)模將達到21.03億美元。石墨烯的電子應用將是這一特定領域的主要貢獻者，其收入的復合年增長率為38％。中國和世界能夠同步的科學技術不多，而石墨烯是我們有望走在前面的一個新產業(yè)，因此值得投入和推廣這一產業(yè)。石墨烯產業(yè)的發(fā)展整體呈現(xiàn)出良好的應用前景，未來產業(yè)發(fā)展趨勢將更偏向石墨烯綠色、高質量、規(guī)?；苽?，多級次多功能組裝集成，未來產業(yè)資源將進一步整合，應用在新能源、生物醫(yī)藥、電子信息、航空航天等領域繼續(xù)深化。
