鉅大LARGE | 點擊量:1125次 | 2018年07月01日
“一分鐘充電”、“彎曲觸摸屏” 石墨烯再手機電池領域有望取代硅
被譽為“萬能材料”的石墨烯,在電子、航天特種、新能源、新材料等領域有著潛在的巨大應用空間,近年頗受學界、政府、資本的重視與追捧。
2004年,石墨烯首次從石墨中分離得到。十年來,發(fā)達國家對于石墨烯研究的支持力度不斷增強。據科技部消息,近期,英國將投資6000萬英鎊成立石墨烯工程創(chuàng)新中心(GEIC)。而在此之前,英國已投資6100萬英鎊創(chuàng)建國家石墨烯研究院。
中國對石墨烯技術的投入也不菲。2007-2012年,中國國家自然科學基金委員會對石墨烯項目累計資助經費達到3.30億元,科技部和中國科學院對石墨烯的累計資助經費分別達到了5915萬元和4605萬元。
地方政府對石墨烯產業(yè)的興趣也日漸升溫,寧波、常州、無錫、青島、重慶等地紛紛設立石墨烯產業(yè)園區(qū)。寧波市政府設立3年共9000萬元財政資金,支持石墨烯產業(yè)初期發(fā)展。
石墨烯問世已十年,梳理當前國內石墨烯產業(yè)前景及產業(yè)化過程存在的問題,行業(yè)宏觀研究院認為,其產業(yè)化之路仍停留在導入階段,未實現(xiàn)量產,主要難點在于制備技術局限、應用領域需求未開。
前景:顛覆硅時代?
石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料,是世界上已知最薄、最堅硬的納米材料,加上出眾的韌性、導電性及導熱性,石墨烯在復合材料、觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導體、航天、特種、生物醫(yī)藥等多個領域具有廣闊的發(fā)展空間。就現(xiàn)狀來看,最有望在觸摸屏、柔性電子器件等領域取得突破。
由于石墨烯應用領域廣泛,一旦實現(xiàn)產業(yè)化,下游應用領域已有的產業(yè)規(guī)模基礎將帶動石墨烯產業(yè)快速增長,全面開花。據2012年GrapheneLive會議預測:到2018年全球石墨烯規(guī)模約329億美元,其中能源存儲領域約122億美元,柔性透明電極、柔性導線打印領域約83億美元,散熱管領域約64億美元,太陽能薄膜領域約46億美元,生物醫(yī)藥、催化劑領域約14億美元。算上全產業(yè)鏈市場規(guī)模,未來石墨烯有望達到萬億級產能規(guī)模。
華為創(chuàng)始人任正非在接受媒體采訪時曾聲稱,這個時代將來最大的顛覆,是石墨烯時代顛覆硅時代。
石墨烯有望打破半導體產業(yè)流傳的摩爾定律,即芯片的集成度每18個月至2年提高一倍,即加工線寬縮小一半。目前通用材料硅的加工極限一般為10納米線寬,而石墨烯尺寸更小,且導電性能更好,電子遷移率更高。由于集成電路的技術水平和發(fā)展規(guī)模已成為衡量一個國家產業(yè)競爭力和綜合國力的重要標志之一,發(fā)展石墨烯產業(yè)在國家戰(zhàn)略層面的意義重大。
目前在石墨烯研究領域,新興經濟體與發(fā)達國家同處起跑階段。從專利申請數量來看,中國還具有相當的科技創(chuàng)新優(yōu)勢。一旦抓住機遇,我國有望在石墨烯的產業(yè)化進程方面領先他國,甚至主導這場技術革命,有利于我國從制造大國轉型制造強國。中國知識產權網(CNIPR)數據顯示,截至2014年7月,中國有關石墨烯專利申請數量為5442,處于世界首位,是第2名美國申請數量(2196)的近2.5倍。
現(xiàn)狀:產業(yè)化“攻堅”緩慢
目前石墨烯制備還無法實現(xiàn)達到產業(yè)化要求的大規(guī)模量產。制備方法的局限導致石墨烯層數增加、內部缺陷的累積,石墨烯的各種優(yōu)異性能將無法體現(xiàn),因而實現(xiàn)高質量、大規(guī)模的石墨烯生產是石墨烯產業(yè)化的基石。
當前石墨烯制備有四種主流方法:微機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法。其中CVD法被認為是產業(yè)化生產石墨烯薄膜最具潛力的方法。該方法的生產原料為廣泛存在的碳氫化合物(甲烷、乙醇等)。三星已運用CVD法成功獲得對角長度為30英寸的單層石墨烯。
不過,目前CVD法制備出的石墨烯厚度難以控制,良品率無法保證。此外,CVD法雖然原料廉價,但設備價格高昂(價格在30-100多萬美元/臺之間),對于一個尚在產業(yè)化初期的領域來說是一大筆成本。
行業(yè)宏觀研究院認為,石墨烯的“產業(yè)化困境”在于,一方面,因為受制于制備過程中的高成本和低質量,石墨烯目前未實現(xiàn)量產;另一方面,產業(yè)鏈下游的應用領域還未實現(xiàn)突破,尚未產生規(guī)?;枨?。
當前我國石墨烯產品主要在科研單位及企業(yè)研發(fā)部門中“自產自銷”??蒲袉挝慌c企業(yè)對接不暢,研發(fā)機構與下游企業(yè)缺乏溝通,石墨烯研發(fā)重基礎科學而輕實用技術,導致石墨烯的應用領域市場需求未開,沒有一個領域可以實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化應用。
石墨烯產業(yè)化“破局”之路
按照硅材料產業(yè)的成熟周期為20年來推斷,石墨烯產業(yè)化成熟大約還要5-10年,接下來10年如何“破局”格外關鍵。
政策利好對于產業(yè)化進程無疑將是“強心劑”,而其重點應在于政策引導與財稅支持。工信部發(fā)布的《新材料產業(yè)“十二五”重點產品目錄》收錄了400種重點產品,但沒有石墨烯。不過,石墨烯材料仍有望加入“十三五”新材料的規(guī)劃之中。除了政策指引,政府可以通過成立產業(yè)基金、財稅支持等方式激發(fā)企業(yè)和市場的積極性,撬動更多社會資本投資石墨烯產業(yè)。
同時,也需要警惕資本市場非理性繁榮,加強產業(yè)規(guī)范引導。石墨烯日益成為資本市場中炙手可熱的概念,但目前十余家石墨烯概念股上市公司中主營業(yè)務為石墨烯的可謂寥寥無幾?!笆┓垠w”更是常常被拿來與石墨烯相提并論。事實上,石墨烯粉體是從膨脹石墨、氧化石墨的技術路線發(fā)展而來,是石墨微片的升級產品,層數大于10層碳原子層。
而根據由中國石墨烯標準化委員會發(fā)布,于2014年起實施的中國石墨烯第1號標準“石墨烯材料的名詞術語與定義”,石墨烯材料泛指與石墨烯相關的、不多于10個碳原子層的二維碳材料。
產業(yè)鏈上游企業(yè)的魚目混珠不但容易引發(fā)資本市場的虛假繁榮,還將削弱應用企業(yè)對于國產石墨烯質量的信任。這方面亟需政府與行業(yè)協(xié)會加強發(fā)揮行業(yè)標準規(guī)范和正向引導。
行業(yè)宏觀研究院認為,處在商業(yè)化臨界點的石墨烯產業(yè),應當充分整合產業(yè)鏈上下游資源,重視研發(fā)成果的技術轉移,研發(fā)應與市場需求匹配。由于石墨烯有望最早在觸摸屏等應用領域取得突破,一旦成功對接石墨烯研發(fā)和移動終端應用企業(yè),石墨烯有望迎來巨大市場需求缺口。
“一分鐘充電”、“彎曲觸摸屏”等概念讓人對石墨烯的應用前景充滿信心。在產業(yè)化進程中,應加強應用企業(yè)與研發(fā)機構的互動,推動商業(yè)化。通過政府與行業(yè)協(xié)會的引導,鼓勵下游應用企業(yè)持股石墨烯研發(fā)企業(yè),真正用需求拉動供給。同時,加強產學研一體化,鼓勵研發(fā)機構與應用企業(yè)共同探索技術轉移問題,縮短技術轉移周期。
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