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工信部刊文:探討石墨烯新材料發展現狀與研發應用挑戰

我國石墨烯產業的專利雖然眾多,但是超過四分之三的專利來自于學術機構,企業在石墨烯研發方面的參與度還有待進一步提高,高價值專利不多,技術與市場之間的供需還不匹配,技術研發、轉移擴散和

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我國石墨烯產業的專利雖然眾多,但是超過四分之三的專利來自于學術機構,企業在石墨烯研發方面的參與度還有待進一步提高,高價值專利不多,技術與市場之間的供需還不匹配,技術研發、轉移擴散和首次商業化鏈條還有待打通。

作為一種新型碳材料,石墨烯自發現之日起就受到了各國科學家的廣泛關注。石墨烯具有結構穩定、導電性高、韌度和強度高等突出的物理化學性質,被譽為“新材料之王”,已經應用在電子、儲能、復合材料、航空航天等諸多領域。在我國制造業由大變強的進程中,發展石墨烯產業,對帶動相關下游產業技術進步,提升創新能力,加快制造業轉型升級,搶占制造業新一輪競爭制高點,激活潛在消費等,都有著重要意義。

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石墨烯產業鏈簡介

整體的石墨烯產業鏈分為上、中、下游。上游主要是制備石墨烯的原料產業,中游主要是各類石墨烯產品,下游是石墨烯的應用領域如半導體、電子器件、環保領域、醫藥生物及散熱領域等。

截至目前,全球有數千家公司涉足石墨烯相關的研究和開發,其中包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學、通用、杜邦、施樂、三星、洛克希德·馬丁、波音、索尼、華為等科技巨頭。2017年中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟發布的《2017全球石墨烯產業研究報告》顯示:預計到2020年,石墨烯全球市場價值將達到1000億元。而從全產業鏈市場規模及往年年復合增長率來看,未來石墨烯有望達到萬億元級產能規模,特別是未來5~10年,隨著石墨烯應用市場的不斷拓展,石墨烯原材料與下游應用產品將持續展現出巨大的市場前景,在眾多領域產生令人期待的經濟價值。

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石墨烯材料發展的現狀

2009年后,全球石墨烯技術專利申請量迅速增長,其中中國是全球石墨烯技術專利申請量最大的國家,累計申請量達24942件,公開22418件,增長了59.46%(截至2015年9月專利公開量為14098件),與美國同為第一梯隊國家。韓國和日本為第二梯隊國家。德國、英國、法國和俄羅斯也有一定量的專利申請提出,為第三梯隊國家。在石墨烯技術專利申請方面,中國和美國處于引領地位。

國際石墨烯發展現狀

目前國際上從事石墨烯產業研究的國家包括英國、美國、歐盟、韓國和日本等,各國發展狀況不同。

英國:作為石墨烯的“誕生地”,英國在石墨烯的基礎研發方面居于全球領先地位,但從事商業開發的石墨烯企業較少,因此在石墨烯應用方面并非其強項。為加快英國石墨烯產業的研發及應用,英國政府也投入巨資加快石墨烯產業發展,產業布局主要圍繞曼徹斯特大學進行,先后在曼徹斯特大學成立了國家石墨烯研究院及石墨烯工程創新中心,以加速石墨烯的基礎研究及應用開發。

美國:美國對石墨烯的研究投入較早,石墨烯產業化和應用進程相對較快,其產業布局也呈現多元化,產業鏈相對比較完整,基本覆蓋了從制備及應用研究 — 石墨烯產品生產 — 下游應用整個環節。不僅擁有IBM、英特爾、波音等眾多研發實力強勁的大型企業,還誕生了眾多小型石墨烯企業。美國國防部、國家自然科學基金也投入巨資,重點在石墨烯晶體管、能量存儲、超級電容器等領域支持石墨烯產業研發及產業化。

歐盟:歐盟的石墨烯研究起步早且系統性強,并將石墨烯研究提升至戰略高度,資金支持力度大,基礎研究扎實。但是,由于涉足下游應用的企業較少,產業化進程推進較慢。石墨烯旗艦研究項目是歐盟選定的首批技術旗艦項目之一,總投資10億歐元,該項目核心內容是提出了13個重點研發領域,主要包括標準化、生物傳感器與生物界面、薄膜技術、面向能源應用的催化劑、面向復合材料和能源應用的功能材料、功能涂層和界面、GRM與半導體器件的集成、新的層狀材料與異質結構、面向射頻應用的無源組件、硅光子學集成、石墨烯及相關二維晶體和雜化系統的原型研究、更新石墨烯及相關二維晶體和雜化系統的科技路線圖、開放性課題等。

目前歐盟約有50余家公司開展石墨烯的研發、產業化以及應用的推進,不僅包括諾基亞、巴斯夫、拜耳等工業巨頭,還有眾多小型專業化石墨烯企業。產業分布主要集中在德國、法國、西班牙等地。

韓國:韓國石墨烯產業發展產學研結合緊密,在基礎研究及產業化方面發展較為均衡,整體發展速度較快。從政府層面,韓國政府通過提供資金支持、整合研究力量等多方面加大支持力度;從研究層面,韓國成均館、韓國科學技術院等均在石墨烯研究方面擁有較強實力;從企業層面,主要以韓國三星集團和LG公司為主,其中韓國三星集團投入巨大研發力量,保證了其在石墨烯柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領域的國際領先地位,為韓國石墨烯產業發展提供支撐。同時韓國十分注重保護和申請石墨烯專利,目前專利量居全球第三,僅次于美國和中國,遠高于歐洲其他國家。

日本:日本依托其良好的碳材料產業基礎,是全球最先進行石墨烯研究的國家之一,產學研結合較為緊密,整體發展較為全面。包括日本東北大學、東京大學、名古屋大學等在內的多所大學,以及日立、索尼、東芝等眾多企業都投入大量資金和人力從事石墨烯的基礎研究和應用開發,研究重點主要集中在石墨烯薄膜、新能源電池、半導體、復合材料、導電材料等應用領域。

國內石墨烯發展現狀

從專利數量上來看,我國國內石墨烯領域專利申請量主要集中在長三角地區,其中江蘇的申請量居于首位(4102件),廣東(2537件)和北京(2333件)次之,而東北和西部地區的專利申請量較低。

從產業集聚度來看,國內目前的石墨烯公司大多分布在東部沿海一帶,尤其是長三角、珠三角、京津冀魯聚合區。其中,江蘇作為國內較早發展石墨烯的省份,已形成“1+1+4”的產業創新格局,即以江蘇省石墨烯產業技術創新戰略聯盟為產學研合作載體,以江南石墨烯研究院、江蘇省產業技術研究院石墨烯材料研究所等為產業創新基地,在常州、無錫、泰州、南京四市形成石墨烯產業集群縱橫相連的產業創新布局。浙江省寧波市作為國內最早開展石墨烯研發和產業化的地區之一,已在石墨烯技術創新與產業發展方面具備了顯著的先發優勢、深厚基礎和良好環境,在石墨烯微片和石墨烯薄膜的制備及應用領域均有多項突破,形成全鏈條發展模式。

2015年12月,京津冀石墨烯產業聯盟在北京成立,旨在整合三地資源,加速推進低成本石墨烯及裝備技術的產業化進程,形成京津冀戰略性新興產業高地。2016年該地區石墨烯相關企業數量超過200家,其中形成石墨烯業務的企業數量達到60余家。

珠三角地區以深圳為核心,有著全國最好的石墨烯應用市場,在能源、新材料、電子信息、可穿戴設備、電動汽車等諸多領域產業集群發達。深圳市政府非常重視石墨烯產業,一直在積極推進石墨烯科技研發及產業化。目前已培育和引進了10余個具有國際影響力的研發團隊,建設了10余家相關科研創新載體,培育了20余家石墨烯相關的企業。

山東地區的石墨烯產業主要集中在青島和濟寧兩地。經過幾年的發展,山東省已初步形成從石墨烯原材料、設備到應用領域的產業鏈雛形。

石墨烯材料的研發難題

高質量低成本的規模化制備難題

經過長期的自主研發,我國石墨烯生產技術、工藝裝備和產品質量均取得重大突破,但是石墨烯規模化生產技術成熟度依然較低,普遍存在不同批次石墨烯產品質量不穩定、性質差異性大等問題。雖然噸級以上的石墨烯粉體生產線已經建成,但是普遍存在質量低、制備過程污染等問題,無法體現石墨烯的各種優異性能,嚴重阻礙了石墨烯的大規模應用。石墨烯粉體方面,目前商業化的石墨烯產品普遍存在尺寸和層數不均勻、單層石墨烯含量低、比表面積遠低于理論值、沒有分級等質量不穩定和成本高等問題;石墨烯薄膜方面,現有產品存在無法避免的因生長過程導致的結構缺陷和因轉移過程導致的表面污染,普遍電阻較高,無法應用在本應適合匹配其優異電學性能的領域,如電子器件、半導體工業等高技術領域。這些問題的存在既是下游應用突破不暢、殺手锏級應用沒有出現的原因,也導致石墨烯材料生產企業空有產能,沒有產量。

石墨烯應用中的難題

石墨烯應用中也存在一系列難題,包括涂料、復合材料、導電油墨等。

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功能涂料

石墨烯獨特的片層結構和性能使得它在功能涂層方面展現了巨大的應用前景。然而,石墨烯與水、有機溶劑以及聚合物的相容性較差,改性過程及操作條件復雜,限制了其在工業涂層中的應用。因此,目前急需對石墨烯功能化改性方法進行創新,對石墨烯在涂層材料中的作用機理進行深入研究,為實現石墨烯復合功能涂層的大規模應用提供理論基礎。

復合材料

石墨烯具有較高的楊氏模量和本征強度,可以利用調控石墨烯的界面性質,如親疏水性,用于提高聚合物材料的力學性能及耐磨性能等。但是目前石墨烯應用在復合材料領域的最大問題是,結構完整的石墨烯表面不含有任何基團,表面能較低、呈惰性狀態,與其他介質的相互作用較弱。并且石墨烯片層之間存在較強的范德華力,導致片層極易堆疊團聚而難以分散開來,很難溶解于溶劑中,更難與其他有機或無機材料均勻地復合。因此,石墨烯應用在復合材料領域未來的發展方向是針對不同復合材料基材體系對石墨烯的特定表面性能要求,通過共價鍵功能化調控石墨烯表面不同官能團獲得特定表面性質的石墨烯產品,解決石墨烯在復合材料中的分散性和界面相容性問題,實現石墨烯在基體中形成連續的網絡結構,有效發揮石墨烯的優異性能。

導電油墨

與目前普遍采用的金屬(金、銀、銅)導電填料相比,石墨烯導電填料性能更加穩定,不易氧化,附著力較強,在導電方面,石墨烯填料具有較大的優勢。國外石墨烯導電油墨處于實驗研發階段,正在進行產業化布局。目前石墨烯導電油墨的電性能介于銀漿和碳漿方阻值之間,只能滿足較低電導率領域。長遠發展方向是獲得更高導電性的石墨烯導電油墨,兼顧石墨烯的柔韌性,以滿足柔性屏幕、柔性印刷電路板等電子元器件的要求。

能量儲存與轉換

石墨烯因具有極大的比表面積、卓越的導電性能、良好的化學穩定性,且力學性能優異,在鋰離子電池、鋰—硫電池等能源存儲與轉化方面應用前景巨大。美國西北大學的研究人員利用自組裝的方法制備了FeF3/石墨烯正極材料,該材料經100次循環仍有260mAh·g-1的比容量,是商業化正極材料的2倍。他們采用抽慮方法制備了硅/多孔石墨烯薄膜負極材料,該材料經200次循環仍有1500mAh·g-1的容量。但是由于石墨烯的比表面積大,鋰鹽電解質在石墨烯表面會形成鈍化薄膜(SEI膜),消耗高達30%~50%的首次放電容量,致使首次循環庫倫效率較低。此外,目前石墨烯制備技術存在產品單層少、尺寸小且分布不均、難以穩定批量生產以及性能難以精確控制等瓶頸問題,離商業化推廣還有相當大的距離。因此,未來的發展方向主要是構建結構高度有序的石墨烯復合結構,表面均勻分布孔徑均一的納米孔,各層緊密接觸以提高正負極材料的容量、功率以及循環壽命。

半導體

石墨烯的導電、導熱性能遠超硅和其他傳統的半導體材料,隨著集成電路制造技術的不斷改進,由硅制成的晶體管大小正接近極限(15nm甚至10nm以下),而石墨烯有望取代硅成為新一代電子元器件材料。目前石墨烯薄膜應用在半導體信息產業最大的問題是,大面積的石墨烯薄膜是零禁帶材料,以此作為溝道的晶體管很難被關斷,石墨烯晶體管獲得較高的開關比率一直難以實現。

未來,石墨烯的破題方向主要是研發通過摻雜取代晶格結構中的碳原子、構建多維納米結構或形成異質結等方法,克服零禁帶問題,以實現高的開關比。

石墨烯產業的應用挑戰

雖然石墨烯產業已經取得了令人驚嘆的成果,但是,從石墨烯產業發展的階段來看,仍處于大規模產業化“前夜”,整體上還存在著亟待解決的一些問題:

關鍵技術有待突破

經過多年的自主研發,石墨烯的規模化生產技術、工藝裝備和產品質量均取得重大突破,但是石墨烯規模化生產技術成熟度依然較低,普遍存在不同批次石墨烯產品質量不穩定、性質差異性大的問題。

石墨烯粉體方面,目前商業化的石墨烯產品普遍存在尺寸和層數不均勻、單層石墨烯含量低、比表面積遠低于理論值、沒有分級、成本高等問題,無法真正體現石墨烯的各種優異性能;結構完整的石墨烯表面不含有任何基團,與其他介質的相互作用較弱,很難分散于溶劑中,更難與其他有機或無機材料均勻地復合。

石墨烯薄膜方面,現有產品存在無法避免的因生長過程導致的結構缺陷和因轉移過程導致的表面污染,普遍電阻較高,無法應用在本應適合匹配其優異電學性能的領域。

從前瞻技術來看,我國的石墨烯技術專利多數為本土專利申請,國外專利技術布局相對薄弱,極少數能被國外專利引用,專利質量總體不高,缺乏基礎核心專利。

在電子信息、生物醫藥、節能環保等戰略高技術領域方面,基本上已經被美、歐、韓、日所壟斷。特別是我國石墨烯企業基本上以小微企業和初創企業為主,資金投入匱乏、研發實力薄弱、市場開拓能力不強,在破解石墨烯技術瓶頸、推進石墨烯材料應用、擴大石墨烯產業規模方面捉襟見肘。如果沒有良好的技術創新研發和成果轉移擴散機制,必將導致長期發展乏力。

應用市場有待拓展

石墨烯從發現至今僅有10多年時間,是一種比較“年輕”的材料。從應用現狀來看,石墨烯主要是實現了初步應用,大多數產品屬于利用石墨烯與原有材料相結合提升產品性能,技術門檻相對來說比較低,同質化情況比較嚴重。石墨烯下游應用產品雖然已經初步產業化,但是真正意義上的“殺手級”應用仍未誕生。我國石墨烯產業的專利雖然眾多,但是超過四分之三的專利來自于學術機構,企業在石墨烯研發方面的參與度還有待進一步提高,高價值專利不多,技術與市場之間的供需還不匹配,技術研發、轉移擴散和首次商業化鏈條還有待打通。

標準體系有待建設

石墨烯標準體系方面,目前石墨烯及其相關產業日益成為資本市場中炙手可熱的概念,但是缺少石墨烯材料分類、術語、檢測方法等國家標準,以及石墨烯產品的團體標準或行業標準,致使市場上石墨烯相關產品魚目混珠,產品質量參差不齊的現象非常嚴重。很多企業根本不具備石墨烯規模化的生產能力,借助石墨烯概念過度炒作,嚴重影響了石墨烯產業的良性發展,因此我國亟待建立石墨烯標準體系,規范石墨烯行業發展。

未來,石墨烯產業發展應重點關注以下幾個方面:

一是大力加強石墨烯創新能力和創新體系建設,重點培養石墨烯產業技術創新人才,借助各地石墨烯創新中心及石墨烯研究院的平臺,進行頂層設計和攻克共性關鍵技術,將面向應用的石墨烯材料穩定制備、分散技術等關鍵技術列入重大攻關項目,支持石墨烯上下游企業、科研單位等聯合攻關,根據本地石墨烯產業發展特點和優勢,選擇重點應用突破,尤其在芯片、微電子等高端應用領域。

二是積極推動下游應用技術突破,根據石墨烯材料的應用難度、下游可承受能力、潛在應用規模、本地優勢產業等因素,選擇一批產業化前景好、技術較為成熟、量大面廣的石墨烯產品開展下游應用對接,形成應用示范。

三是聯合優勢企業、科研院所等,根據石墨烯產業發展現狀及下游應用情況,選擇一批較為成熟的石墨烯及其應用產品,從產品定義、性能、石墨烯存在形式及用量等多方面制定一批國家和行業標準,完善石墨烯標準體系。研究制定石墨烯行業規范,從產業布局、生產工藝與裝備、清潔生產、質量管理等方面對石墨烯行業提出準入門檻,防止低水平重復建設,加強環境保護。

四是設立石墨烯產業發展基金,采用政策性支持與社會資本共同參與的模式,支持關鍵技術攻關。

本文來自DT新材料,本文觀點不代表石墨烯網立場,轉載請聯系原作者。

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