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浅谈中国石墨烯产业化的这十年

发布日期:2020-06-17 来自:全球塑胶网

  石墨烯作为新材料之王,从诞生之日起就备受瞩目,经过十年来的发展,我国石墨烯发展趋于理性,企业出现分化。一些企业找到了应用场景,未来3到5年,有望成长为中国乃至世界石墨烯领域龙头企业;一些企业由于没有找到明确的应用方向,融资愈发困难,市场难以打开,甚至已被市场淘汰。

  石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来,是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型蜂巢晶体的二维碳纳米材料,单层的石墨烯是由一层密集的碳六元环构成,它的厚度为0.335nm左右,是目前为止最薄的二维纳米碳材料。

  石墨烯材料因其特殊的结构,具有很多特殊性能,优异的电学性能、出色的机械性能、极高的导热性、超大比表面积、优异的阻隔性能等,使其在众多领域具有传统材料所无法企及的应用价值,因此被称为“新材料之王”。同时也引起科学界巨大的兴趣,成为材料科学研究的热点,石墨烯相关产业也随之出现。

  石墨烯可应用的领域十分广阔,主要集中在能源、环境、电子、化工等行业,在锂电池材料、高性能复合材料、超级电容器、OLED、柔性屏、传感器、芯片、涂料、吸附、水净化等领域有很大的应用前景。

  十年来,我国石墨烯走过了三个阶段:

  2009—2013年,石墨烯材料从中试走向规模化生产。

  2013—2018年,石墨烯材料应用逐渐扩展,引起全社会关注,但同时遭到资本市场的疯狂炒作。

  2018年至今,我国石墨烯发展趋于理性,企业出现分化。一些企业找到了应用场景,未来3到5年,有望成长为中国乃至世界石墨烯领域龙头企业;一些企业由于没有找到明确的应用方向,融资愈发困难,市场难以打开,甚至已被市场淘汰。

  “纵观我国石墨烯成长历程,总体呈稳步发展态势。这其中政府发挥关键性引导作用。”冯冠平说。石墨烯作为一种前沿新材料,关键共性技术突破难度大,产业化周期长,政府长期坚定的引导必不可少。

  中央层面,科技部、工信部等石墨烯相关政策密集出台,聚焦共性技术攻关和示范应用,为石墨烯发展提供了充足技术储备。地方层面,江苏、北京、山东、广东等地,政府搭建平台、打造创新中心等,为石墨烯产业化快速发展提供重要支撑。

  石墨烯的制备

  石墨烯材料的制备方法主要分为两类:

  1、 以石墨为原料,通过剥离的方法来制备石墨烯层,如:机械剥离法,氧化还原法,液相剥离等;

  2、 通过碳原子的重新排列来合成石墨烯,如:化学气相沉积法,外延生长法,有机合成法等;

  目前,国内制备石墨烯材料的主要企业,已基本攻克石墨烯制备高成本的难题。机械剥离法和氧化还原法为较常见的石墨烯粉体生产工艺,厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司为物理机械剥离法生产石墨烯粉体代表企业,其技术已升级至第六代,实现环保、低成本、大规模量产高品质石墨烯。氧化还原法的典型企业主要为常州第六元素材料科技股份有限公司、山东利特纳米材料有限公司、杭州高烯科技有限公司等企业,在防腐涂料、导电油墨、纺织等领域取得了较大突破。

  石墨烯产业化

  2004年,英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)成功地从石墨中分离出石墨烯,在科学界引起轰动,二人也因石墨烯方面的开创性研究于2010年获得诺贝尔物理学奖。自此,石墨烯及相关应用的研究迎来了井喷。

  我国石墨烯产学研始于2006年,石墨烯还只是材料人眼中的海市蜃楼,无论从理论、制备还是应用来看,都仅仅处于研究的初级阶段。2010年年初我国进入石墨烯产业化发展初期,先后诞生了厦门凯纳、利特纳米、第六元素、二维碳素等中国最早的一批石墨烯企业。特别是在2010年研究石墨烯的专家获得诺贝尔物理学奖后,石墨烯企业数量不断增加,石墨烯材料应用逐渐扩展,引起了全社会关注。今年是中国石墨烯产业化的第十年,也是石墨烯项目获得诺贝尔奖十周年的时间,行业内最早的一家企业厦门凯纳已经迎来了其石墨烯产业化的十周年,堪称石墨烯产业发展的一个重要里程碑。

  目前全球约有80多个国家和地区开展了石墨烯相关研究,纷纷出台了产业规划、扶持政策、战略布局,并给与大量资金支持。美国、中国、英国、日本、韩国、欧盟先后从国家层面开展战略部署,出台多项扶持政策和研究计划,处于石墨烯技术与产业化前列。

  我国石墨烯产业链已经初见雏形,基本覆盖了从制备及应用研究到石墨烯产品生产,直至下游应用的全环节,形成“一核两带多点”的空间格局,“一核”是以北京为核心,打造国内石墨烯技术研发的重要引擎;“两带”是指东部沿海地区及内蒙古-黑龙江地区,充分利用资源、产业、人才、市场优势,促进产业聚集;“多点”是指四川、重庆、湖南、陕西、广西等的一些地区依托其资源、人才优势,发展石墨烯产业。据统计,截止2019年我国石墨烯企业数量已经达到一万多家,涉及石墨烯材料制备、应用开发、终端应用、产业服务等各个关键环节。其中材料制备领域相关企业约300多家,产品以石墨烯粉体和薄膜两类材料为主,并且基本实现量产;应用领域相关企业超过600多家,覆盖了防腐涂料、热管理材料、储能、电子显示、大健康等多个领域。此外,还有一些技术服务、销售、投资、检测等企业,进一步完善了石墨烯全产业链体系。


国内主要生产企业应用成果







企业主要应用成果
厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司石墨烯粉体、浆料、锂电池导电剂、碳塑合金、石墨烯散热器
宁波墨西科技有限公司应用涉及领域包括电池电容、涂料油墨、复合材料的石墨烯材料产品
常州第六元素科技股份有限公司氧化石墨系列、导电导热型石墨烯系列、增强型石墨烯系列、防腐型石墨烯系列、氧化石墨烯分散液系列、石墨烯导电浆料
常州二维碳素科技股份有限公司
石墨烯发热膜、石墨烯地暖膜、石墨烯散热涂料、石墨烯透明导电薄膜、石墨烯压力传感器及触摸屏、石墨烯终端应用产品
鸿纳(东莞)新材料科技有限公司石墨烯导电浆料、涂料用石墨烯浆料、石墨烯防火复合材料
山东利特纳米技术有限公司石墨烯材料、氧化石墨烯材料、金属纳米材料、石墨烯导电材料
杭州高烯科技有限公司单层氧化石墨烯、多功能石墨烯复合纤维、石墨烯电热膜、石墨烯导热膜、单层石墨烯多功能袜
上海烯望材料科技有限公司三维中空石墨烯涤纶短纤、高质量石墨烯、石墨烯涤纶短纤、石墨烯量子点、石墨烯功能纤维、石墨烯电加热产品、石墨烯抗菌产品、石墨烯改性导电银浆、石墨烯/纳米纤维复合产品
德阳烯碳科技有限公司石墨烯粉末、石墨烯浆料、石墨、地暖发热油墨、石墨烯环氧防腐涂料
厦门烯成石墨烯科技有限公司石墨烯空气净化宝、石墨烯导热塑料、石墨烯制备设备


数据来源:主要生产企业官网



  从表中可以看出,国内部分石墨烯生产厂商如厦门凯纳、宁波墨西、第六元素、利特纳米、二维碳素已经实现了石墨烯粉体或薄膜的规模化生产。据初步统计,目前我国石墨烯主要应用在涂料、添加剂、触摸屏等传统低附加值领域。单晶石墨烯薄膜制备比普通多晶态石墨烯薄膜制备困难程度提升很多,目前技术只能做到毫米级大小的单晶石墨烯,与可应用的晶圆级尺寸仍有很大的距离,高速电子器件、光电探测器等都需要大面积高质量的石墨烯单晶,在高端杀手级的应用领域发展相对乏力。

  从主要企业的发展情况来看,十年的产业化进展让中国的石墨烯产业化更趋理性,恶性资本炒作和蹭热度的公司逐步退场,专注技术、产品和产业化的石墨烯专业企业大都保留了下来,探索出了一些石墨烯的应用方向,为中国的石墨烯产业化开辟了一条大道。

  经过十年大浪淘沙般的市场洗礼之后,中国最初的石墨烯企业起着中流砥柱的作用,成为推动石墨烯产业化进程的中坚力量。厦门凯纳作为第一个步入石墨烯产业化10周年的企业,坚持石墨烯物理法工业化制备及产业化应用十载,以创新作为生产力的推动引擎,每年投入大量科研经费,用于产品的研发、工艺改造,降低生产成本,提高产品质量。同时在石墨烯制备以及“石墨烯 ”应用产品方面,其在新能源、高性能导热复合材料、功能涂料和塑胶改性等应用领域具有强大的技术和产业实力。

  市场前景

  石墨烯是世界材料技术发展的战略制高点,独特的结构赋予了其与众不同的光、电、磁、热、力学等特性,世界主要国家纷纷加大研发支持力度,争抢产业化制高点。近几年中国石墨烯产业稳步发展,多项国家级战略将其纳为发展重点,各地政府相继投入大量资本积极推动石墨烯产业链的发展,石墨烯生产企业研发投出持续扩大,产能稳步提升,石墨烯下游应用逐步打开,走向市场。随着进一步石墨烯制备技术成熟、成本的降低和石墨烯应用技术的成熟,石墨烯在电池、散热、电发热、防腐涂料等方面将具有巨大的市场潜力,预计未来石墨烯产业规模有望达到千亿元级别。石墨烯作为新材料产业的先导,在带动传统制造业转型升级,培育新兴产业增长点,推动大众创业、万众创新方面的作用越来越显著。

  今天中国的石墨烯产业化已经走到世界前列,在新能源、复合材料、大健康等领域开展了大规模的应用。不久的未来石墨烯材料有望成为大规模广泛使用的材料,并在某些领域成为不可替代的核心材料,给人类的生活带来巨大的变革。