編者按：石墨烯是世界最薄、最硬的材料，是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，其潛在用途有保護(hù)涂層、透明可彎折電子元件、超大容量電容器，還可以用于動(dòng)力電池，業(yè)內(nèi)認(rèn)為這正是電動(dòng)汽車能否取得跨越式發(fā)展的關(guān)鍵。 近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)政策加速推動(dòng)各類石墨烯產(chǎn)品的研發(fā)，其市場(chǎng)未來(lái)發(fā)展空間巨大。然而，目前石墨烯發(fā)展尚存在許多瓶頸，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化還需要各方繼續(xù)發(fā)力。
從目前已知技術(shù)進(jìn)展看，石墨烯有望提升超級(jí)電容器能量密度10倍以上，將大大改變目前超級(jí)電容器性能上的不足。因?yàn)榭吹搅耸┳鳛樾虏牧系膬?yōu)越性，世界各國(guó)都投入了大量的人力和財(cái)力推進(jìn)其研發(fā)和生產(chǎn)。美國(guó)作為科技強(qiáng)國(guó)，自然不會(huì)錯(cuò)過(guò)這一難得的機(jī)遇，包括IBM、英特爾、波音等國(guó)際大公司等，開(kāi)始投入大量的科研力量進(jìn)行石墨烯的研發(fā)。歐盟更是將石墨烯列為未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目之一，計(jì)劃十年內(nèi)提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。在亞洲，石墨烯的發(fā)展也極其活躍，韓國(guó)預(yù)計(jì)2010年—2018年間，向石墨烯領(lǐng)域提供總額為2.5億美元資助，三星則在手機(jī)及芯片的石墨烯應(yīng)用上，投入巨大的研發(fā)力量。日本眾多企業(yè)，如日立、索尼、東芝等也投入了大量資金和人力，從事石墨烯的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
石墨烯超級(jí)電容器領(lǐng)域市場(chǎng)空間巨大
電極材料是制作超級(jí)電容器的關(guān)鍵技術(shù)，其制作難度較高。超級(jí)電容器可以分為電極、電解質(zhì)、集流體和隔離物4大部分，其中電極是超級(jí)電容的關(guān)鍵部件，電極成本占到整個(gè)電容器材料成本的40%-50%，是技術(shù)難度最高的環(huán)節(jié)，因此電極材料制造能力是超級(jí)電容的核心能力。
電極材料的性能要求，包括高比表面、高中孔率、高電導(dǎo)率、高堆積比重、高純度、高性價(jià)比6個(gè)方面。目前，雙電層型超級(jí)電容器的電極材料，主要包括活性碳電極材料、碳纖維電極材料、碳?xì)饽z電極材料、碳納米管電極材料，但是，由于成本優(yōu)勢(shì)，目前超高比表面活性炭占了電極材料的很大部分。
相對(duì)于活性炭，石墨烯材料具有多重優(yōu)勢(shì)，比如很高的比表面積和更加優(yōu)異的導(dǎo)電性，比容量也高于一般的活性炭和碳納米管。此外，其特殊的平面二維結(jié)構(gòu)使之具有更為豐富的微觀結(jié)構(gòu)，有利于電解液的滲透和電子的傳輸。因此，石墨烯化工行業(yè)非常適合作為超級(jí)電容器的電極材料。
目前，石墨烯電極材料較大的一個(gè)劣勢(shì)在于成本較高。未來(lái)，隨著石墨烯粉體生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、石墨烯粉體制造工藝及生產(chǎn)技術(shù)不斷升級(jí)，石墨烯電極成本會(huì)大幅度下降，石墨烯電極取代目前電容器碳電極將成為可能。
近年來(lái)，在國(guó)家政策的推動(dòng)下，我國(guó)超級(jí)電容器行業(yè)取得了較快發(fā)展，2015年行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模突破40億元，同比增長(zhǎng)40%。“十三五”期間，推動(dòng)我國(guó)超級(jí)電容器行業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿θ匀辉谟谡撸履茉雌嚒L(fēng)電、交通軌道、電力、軍工等超級(jí)電容應(yīng)用領(lǐng)域，都是國(guó)家“十三五”期間政策重點(diǎn)扶持對(duì)象。
中投顧問(wèn)產(chǎn)業(yè)研究中心預(yù)測(cè)，未來(lái)五年國(guó)內(nèi)超級(jí)電容器行業(yè)仍將保持高景氣度，預(yù)計(jì)未來(lái)五年的年復(fù)合增長(zhǎng)有望達(dá)到30%，至2020年超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到150億元，以45%的電極材料成本估算，2020年電極材料市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)67.5億元。
與大多數(shù)石墨烯粉體應(yīng)用市場(chǎng)不同，當(dāng)前石墨烯在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)具備，阻礙其市場(chǎng)滲透率提高的主要原因在于成本過(guò)高，一旦石墨烯成本下降至普遍可以接受的范圍，市場(chǎng)滲透率將快速提升。以10%的滲透率估算，2020年超級(jí)電容器領(lǐng)域石墨烯市場(chǎng)規(guī)模約為7億元。
超級(jí)電容器領(lǐng)域石墨烯市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
國(guó)家政策鼓勵(lì)支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展
近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)政策，鼓勵(lì)支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)家各部委不斷出臺(tái)指導(dǎo)意見(jiàn)和規(guī)劃文件，明確了對(duì)石墨烯材料的支持與發(fā)展要求。習(xí)近平總書記曾在兩年內(nèi)3次考察調(diào)研石墨烯，并在參觀英國(guó)曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究院時(shí)指出，“中國(guó)是石墨資源大國(guó)，也是石墨烯研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)最活躍的國(guó)家之一”。
2014年9月，科技部863計(jì)劃納米材料專項(xiàng)提出，將石墨烯研發(fā)作為一個(gè)重點(diǎn)支持的內(nèi)容，石墨烯研發(fā)正式進(jìn)入到國(guó)家支持層面；2015年出臺(tái)的《<中國(guó)制造2025>重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》則明確了未來(lái)十年我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，并制定了2020年形成百億產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億的政策目標(biāo)。同年，國(guó)家發(fā)改委、工業(yè)和信息化部、科技部等3部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》，提出將石墨烯打造為先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，并明確了2020年底石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)、發(fā)展重點(diǎn)和路線圖。 {$page$}
與此同時(shí)，一些地方在石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面也進(jìn)行了大力開(kāi)拓。北京在石墨烯領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了一系列工作。其中北京市科委啟動(dòng)了《石墨烯科技創(chuàng)新專項(xiàng)（2016-2025）》，力爭(zhēng)在石墨烯材料制備及應(yīng)用等領(lǐng)域取得重大突破，搶占全球石墨烯科技制高點(diǎn)。此外，北京還在積極籌建北京石墨烯研究院。中關(guān)村豐臺(tái)科技園正在建設(shè)石墨烯產(chǎn)業(yè)園。江蘇常州和山東青島是石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早的兩個(gè)城市，已成為兩個(gè)國(guó)家級(jí)的石墨烯產(chǎn)業(yè)化基地。例如，青島高新區(qū)建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)國(guó)際石墨烯創(chuàng)新中心和北方地區(qū)惟一的國(guó)家級(jí)石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新示范基地，吸引了包括中央“千人計(jì)劃”專家、“長(zhǎng)江學(xué)者”和山東省“泰山學(xué)者”在內(nèi)的我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)頂級(jí)人才紛紛前來(lái)落戶，引進(jìn)石墨烯及先進(jìn)碳材料項(xiàng)目50個(gè)。目前，青島市已形成了以青島高新區(qū)、平度市、萊西市為代表的一批石墨烯產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，形成了“區(qū)域合作、地區(qū)聯(lián)動(dòng)、協(xié)同發(fā)展”的良好態(tài)勢(shì)，以石墨烯為引領(lǐng)的先進(jìn)碳材料特色產(chǎn)業(yè)集群初步顯現(xiàn)。此外，浙江寧波、廣東深圳等城市的起步也較早。目前，石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正在從沿海向內(nèi)陸進(jìn)行蔓延，四川、內(nèi)蒙古、廣西、寧夏等省區(qū)也在大力發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)。
隨著政策支持力度不斷加大，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也取得了令人矚目的成績(jī)。截至2015年，我國(guó)石墨烯專利技術(shù)申請(qǐng)量約占全球石墨烯專利技術(shù)總量的1/3，并且相繼推出了高品質(zhì)石墨烯制備、石墨烯基鋰電池、石墨烯柔性顯示屏、石墨烯防腐涂料等相關(guān)產(chǎn)品。
石墨烯發(fā)展仍存在瓶頸
在我國(guó)，石墨烯產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，眾多石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)不斷涌現(xiàn)，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大。然而，石墨烯發(fā)展存在許多瓶頸。“國(guó)內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展還比較粗放，雷聲大雨點(diǎn)小，許多公司都號(hào)稱有了引領(lǐng)時(shí)代的產(chǎn)品，但實(shí)際上目前根本還不能投入市場(chǎng)。”科技部發(fā)展戰(zhàn)略研究院產(chǎn)業(yè)科技研究所副所長(zhǎng)陳志提到，中國(guó)石墨烯發(fā)展的瓶頸主要集中在高質(zhì)量石墨烯實(shí)現(xiàn)低成本制備、下游應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)拓、石墨烯產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，以及應(yīng)用石墨烯材料特性的電子器件研發(fā)等。“未來(lái)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，亟須加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，使石墨烯材料研發(fā)制備環(huán)節(jié)與下游應(yīng)用需求緊密結(jié)合。”陳志說(shuō)。
粗放經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致大量石墨資源浪費(fèi)
石墨烯被人們逐漸了解，是從2010年才開(kāi)始的。隨后數(shù)年，石墨烯制備技術(shù)研發(fā)不斷升溫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，華麗家族、德?tīng)栁磥?lái)、東北證券、中國(guó)寶安、中泰化學(xué)等上市企業(yè)，已經(jīng)通過(guò)收購(gòu)、入股等形式進(jìn)軍石墨烯領(lǐng)域。
國(guó)家將石墨烯作為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，給了業(yè)內(nèi)更多的期望。《中國(guó)制造2025年》明確提出，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)到2020年將形成百億元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025年將達(dá)到千億元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
然而，與上游研發(fā)熱、資本追逐熱等形成鮮明對(duì)比的是，其下游規(guī)模化應(yīng)用卻頻頻遇冷。
中國(guó)國(guó)際石墨烯資源產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)趙猛日前表示：“石墨烯的投資像當(dāng)年的造船、光伏，顯得過(guò)熱。”趙猛指出，在石墨烯的研究方面，當(dāng)前我國(guó)有石墨烯相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)500多家，但主要作為添加劑使用，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行修補(bǔ)，而歐美的研究則主要集中在光電器件、傳感器、醫(yī)藥、環(huán)保材料等高端領(lǐng)域。
在今年舉辦的中加石墨烯產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用研討會(huì)上，中國(guó)非金屬礦工業(yè)協(xié)會(huì)石墨專委會(huì)副秘書長(zhǎng)劉榮華則感嘆道：“近期，我們對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)部分石墨烯企業(yè)仍受制于制備工藝不成熟、成本高、不穩(wěn)定性等因素，從而導(dǎo)致其商業(yè)化應(yīng)用推廣進(jìn)程緩慢。”
業(yè)內(nèi)人士指出，我國(guó)有近千家石墨企業(yè)，由于各種原因，這些企業(yè)濫采亂掘、采富棄貧、粗放經(jīng)營(yíng)、管理水平低導(dǎo)致大量石墨資源浪費(fèi)。科技部有關(guān)人士透露：“如果按照目前的開(kāi)采方式和速度，最多20年，國(guó)內(nèi)已探明的石墨資源將消耗殆盡，屆時(shí)中國(guó)將從國(guó)外高價(jià)進(jìn)口石墨，由石墨大國(guó)變成石墨貧國(guó)。”
同時(shí)，石墨烯也面臨制備成本高、產(chǎn)能低的瓶頸。在人們的普遍認(rèn)識(shí)中，石墨烯是實(shí)驗(yàn)室材料，昂貴的售價(jià)阻礙了它的普及。據(jù)了解，單層石墨烯1克售價(jià)曾達(dá)到上1000元。寧波墨西科技相關(guān)負(fù)責(zé)人曾表示，可以將石墨烯價(jià)格從1000元/克降到1元/克，但實(shí)際依然是理論數(shù)據(jù)。陳志認(rèn)為：“當(dāng)一種石墨烯材料具備了好的特性，是否具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱的特性，是否單片剝離，并且有幾層的，都決定了此石墨烯產(chǎn)品是否是高品質(zhì)的材料，價(jià)格也會(huì)有不同。目前來(lái)看，我國(guó)的技術(shù)研發(fā)并沒(méi)有帶來(lái)價(jià)格上的突破與優(yōu)勢(shì)。”
產(chǎn)業(yè)化還需加力
“目前資本市場(chǎng)將石墨烯捧成了‘上帝材料’，上市公司大都是處于虧損狀態(tài)，石墨烯市場(chǎng)虛火過(guò)旺。”工信部賽迪研究院原材料工業(yè)研究所所長(zhǎng)肖勁松認(rèn)為。
9月18日，中國(guó)國(guó)際石墨烯資源產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟召開(kāi)的研討會(huì)上，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、曼徹斯特大學(xué)教授安德烈˙海姆指出，“由于制備和應(yīng)用技術(shù)制約，石墨烯目前還不能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但石墨烯產(chǎn)業(yè)化前景可期。”據(jù)中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的預(yù)計(jì)，目前全球石墨烯年產(chǎn)能達(dá)到百噸級(jí)，未來(lái)（5~10）年將達(dá)到千噸級(jí)。中國(guó)將在全球石墨烯產(chǎn)業(yè)中起到主導(dǎo)和核心作用。
“絕大部分成果還是處于實(shí)驗(yàn)室階段，離投入產(chǎn)業(yè)還很遠(yuǎn)。”陳志說(shuō)，按照硅材料產(chǎn)業(yè)的成熟周期為20年推斷，石墨烯產(chǎn)業(yè)化成熟至少還需要（5~10）年，接下來(lái)，如何破局是關(guān)鍵。破局正迎來(lái)曙光。9月6日，中國(guó)首個(gè)石墨烯量產(chǎn)化基地在廈門投產(chǎn)，預(yù)計(jì)到2020年產(chǎn)能將達(dá)到5000噸，旨在全面改善石墨烯高價(jià)位低產(chǎn)能的狀況。“未來(lái)3年，我們將增加投資1億元，將研究所建設(shè)成為國(guó)家級(jí)石墨烯科研實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的深入研究，打造全球石墨烯應(yīng)用科研高地。”該產(chǎn)業(yè)基地投資商恒力盛泰執(zhí)行董事長(zhǎng)陳木成說(shuō)。
2015年底，國(guó)家發(fā)展改革委、工信部、科技部3部門發(fā)布了《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》)。《意見(jiàn)》提出，到2018年，石墨烯材料制備、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、終端應(yīng)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)良性互動(dòng)的產(chǎn)業(yè)體系基本建立，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范基本完善，到2020年，形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，形成若干家具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的石墨烯企業(yè)，建成以石墨烯為特色的新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地。
對(duì)此，陳志建議，從國(guó)家層面加大政策扶持力度，形成整個(gè)行業(yè)的差異化競(jìng)爭(zhēng)。“避免不同區(qū)域省市的低水平重復(fù)建設(shè)；對(duì)地方政府來(lái)講，要引導(dǎo)石墨烯應(yīng)用與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)規(guī)劃相結(jié)合，形成產(chǎn)業(yè)鏈上下游集聚效應(yīng)，不斷拓寬產(chǎn)業(yè)應(yīng)用面，完善產(chǎn)業(yè)園區(qū)的創(chuàng)新機(jī)制和創(chuàng)業(yè)服務(wù)；石墨烯創(chuàng)新企業(yè)要著力突破石墨烯材料的高質(zhì)量穩(wěn)定生產(chǎn)，構(gòu)建示范應(yīng)用的新領(lǐng)域新通道。”<