石墨產業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展

沈萬慈，康飛宇,，黃正宏，杜鴻達

（1.清華大學材料學院先進材料教育部重點實驗室，北京 100084；2.清華大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

1 概述

天然石墨作為重要的戰(zhàn)略資源，我國具有很大的資源優(yōu)勢。晶質石墨，我國占有世界資源的70%以上，我國的晶質石墨多為鱗片石墨，易采、易選，產量占世界的2/3以上，是國際石墨市場的最大供應國，年出口20萬t左右；微晶石墨，我國儲量只占世界的1/10，但品質好、礦產集中，前些年郴州魯塘石墨礦盲目開采，年產量超過150萬t，占世界產量的90%，低價銷售，導致資源嚴重浪費。近幾年，天然石墨作為重要戰(zhàn)略資源的價值，越來越受到產業(yè)界及國家相關部門的重視，在資源保護、產業(yè)整合及規(guī)劃等方面，已經取得明顯成效。

炭材料被稱為21世紀最有希望的材料，天然石墨是炭材料的重要組成部分。本世紀電子信息、新能源、環(huán)保、航天航空等高新技術產業(yè)的迅猛發(fā)展，給新型炭石墨材料提供了廣闊的市場空間。石墨烯等的新發(fā)現(xiàn)為新型炭石墨材料的研發(fā)提供了新的技術路線，預計未來十年整個炭材料領域和(天然)石墨產業(yè)發(fā)展會有一個新飛躍。

2 石墨產業(yè)整合現(xiàn)狀及發(fā)展方向

2.1 現(xiàn)狀

近年來，隨著對天然石墨作為戰(zhàn)略資源重要性的認識深化，一些有實力的大型企業(yè)開始重視對石墨產業(yè)的投入；國家相關部門對天然石墨的資源保護、科學利用十分重視，并采取了重大措施支持對石墨產業(yè)進行整合。石墨產業(yè)原來的亂象得以改觀，產業(yè)的整合及發(fā)展規(guī)劃落實成果顯著。

在產業(yè)整合方面，進展可喜：2010年，湖南及郴州等政府部門下決心將礦區(qū)停產整頓，中國建材集團戰(zhàn)略投資集中了礦權，建立了南方石墨公司，終止了原來亂采亂挖的混亂局面，目前已經有計劃地恢復生產；國內優(yōu)質大鱗片石墨的主要產區(qū)內蒙古興和，日新集團進行了戰(zhàn)略投資，集中了礦權，組建了內蒙古瑞盛新能源有限公司，建設石墨深加工園區(qū)；我國最大的石墨礦區(qū)黑龍江蘿北，中鐵集團等已進入投資。其他石墨礦產區(qū)也有大企業(yè)進行戰(zhàn)略投資，整合資源。

在深加工方面，各個產區(qū)都進行了規(guī)劃：興和深加工工業(yè)園區(qū)已經基本建成，部分產品已經投產；2010年前只有采選初級產品的黑龍江，不少深加工項目在上馬。國家也加大了對石墨產業(yè)的關注和投入，去年，科技部十二五科技支撐項目“高純石墨材料技術開發(fā)及其典型應用”以黑龍江的企業(yè)、科研院校為主，已經開始實施；工信部發(fā)布了產業(yè)準入條件，其他部委的項目和措施也在進展中。

2.2 發(fā)展方向

目前石墨產業(yè)的總體形勢很好，但是從產業(yè)的長期發(fā)展及技術的更新、持續(xù)發(fā)展看，整合還需要深入，還有大量的工作要做，重點在以下幾個方面。

(1)加強勘探，摸清家底。

天然石墨作為戰(zhàn)略資源不可再生，在許多應用領域目前也不可替代。我國在資源總量，特別是鱗片石墨儲量上具有國際公認的優(yōu)勢。但由于礦藏勘探工作滯后，關于石墨儲量的信息不明確，許多開采多年的礦區(qū)都沒有詳勘數(shù)據(jù)。因此，摸清石墨戰(zhàn)略資源的家底應該是當務之急，必須對現(xiàn)有礦區(qū)進行詳勘，對可能的石墨礦藏進行普查。

(2)石墨資源的保護刻不容緩。

按現(xiàn)在的年產量和儲量數(shù)據(jù)，我國鱗片石墨還有一百年以上的開采期，而微晶石墨按前些年盲目開采的情況，只能維持10～20年。建議首先限制全國總產量：鱗片石墨(中高碳選礦產品)目前年產80萬t左右，應該維持這個水平并且逐步下降；微晶石墨目前郴州停產整合，整合完成后全國產量應控制在50萬t左右，逐步調整到年產30萬t左右。

限制總產量首先從限制低端礦產品出口著手，建議禁止微晶石墨原礦出口，限制中高碳鱗片石墨的選礦產品出口。我們不能再犧牲我國的環(huán)境和資源，讓發(fā)達國家廉價使用我國資源，深加工后賺取超額利潤，而它們封存保護自己的資源。

(3)加強對石墨產業(yè)的整合，培養(yǎng)龍頭企業(yè)。

目前石墨產業(yè)小、散、亂的局面正在改變，多家有實力、有戰(zhàn)略眼光的大企業(yè)作為戰(zhàn)略投資者進入石墨產業(yè)，為石墨產業(yè)的整合提供了條件。整合的目的是要打造石墨產業(yè)的龍頭企業(yè)，它們以深加工產品為主，建設成為完整石墨產業(yè)鏈的綜合性現(xiàn)代化企業(yè)。

對于整合過程，建議：①戰(zhàn)略投資者必須以建設實體經濟(建設龍頭企業(yè))為主要目的，要限制以拿到資源、包裝上市圈錢為目的的投資；②國家層面限制新上采選礦項目，規(guī)定企業(yè)新增產值必須以深加工產品為主，鼓勵在現(xiàn)有資源容量上深加工產品項目；③在整合中必須集中采礦權，采礦權的分散必然形成惡性競爭，也無法形成龍頭企業(yè)。同時，作為戰(zhàn)略資源，礦權不能由外資控制。

(4)加強行業(yè)組織，發(fā)揮內部和上下的溝通作用。

產業(yè)近期的發(fā)展，就是通過戰(zhàn)略投資整合產業(yè)，建成幾個龍頭企業(yè)。它們產業(yè)鏈完整，根據(jù)各自資源的特點，以各有側重的深加工產品為主，并且具有較強的技術開發(fā)能力，掌握本企業(yè)主要產品的知識產權。通過龍頭企業(yè)的帶頭示范作用，完成產品和技術的更新?lián)Q代。同時在新形勢下，協(xié)調協(xié)會和新出現(xiàn)的產業(yè)戰(zhàn)略聯(lián)盟等組織的關系，加強行業(yè)組織的作用，協(xié)調行業(yè)內部關系，促進行業(yè)自律。同時發(fā)揮溝通行業(yè)和政府部門的作用，幫助政府部門進行政策引導，保證行業(yè)科學可持續(xù)發(fā)展。

3 石墨深加工技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向

3.1 現(xiàn)狀

由于我國冶金鋼鐵業(yè)的持續(xù)增長，世界鋰離子電池的迅猛發(fā)展，拉動對石墨原料的需求；同時產業(yè)界、政府對石墨戰(zhàn)略資源作用的日益重視，使石墨礦產品的價格迅速攀升，扭轉了20多年來其他礦產品都在漲價、石墨卻不斷降價的不正常局面，不僅使石墨行業(yè)效益不斷提高、同時也使得一些社會資金不斷涌入石墨行業(yè)。這種大好形勢對于石墨產業(yè)的發(fā)展當然是大好時機，但是如果不科學規(guī)劃、合理引導，而一味的擴大采選量，就可能再次發(fā)生20世紀80年代末亂采亂挖的“黑色風暴”，給石墨產業(yè)的發(fā)展造成重大損失。

我國是石墨資源大國，但是長期以來石墨產業(yè)內部低技術層次的產量、價格的惡性競爭，資金和技術投入嚴重不足，以生產原礦和選礦的低端產品為主，使得產業(yè)長期低迷。這種狀況導致我國石墨深加工技術和產品落后于發(fā)達國家，資源大國卻是深加工弱國。這與我國經濟和科技的快速發(fā)展很不適應。當前和今后一個相當長的時期，保護和科學利用石墨這種寶貴的戰(zhàn)略資源，發(fā)展石墨深加工技術和產品是大有可為的一項事業(yè)。

我國鱗片石墨的深加工技術發(fā)展已經有一定基礎，科技部“八五”至“十一五”國家科技攻關、支撐計劃在非金屬礦、西部開發(fā)項目中分別列入課題，在深加工技術進步上取得明顯成果?，F(xiàn)在，國內已經有一批效益良好的(鱗片)石墨深加工企業(yè)，規(guī)模最大的柔性石墨企業(yè)主要分布在江浙地區(qū)，負極材料等電池材料企業(yè)主要分布在深圳等珠三角、長三角地區(qū)。這些企業(yè)原來與礦產資源企業(yè)只是原料的供需關系，現(xiàn)在也與資源企業(yè)開展了合作，如寧波的柔性石墨專業(yè)廠商信遠公司、深圳的負極材料專業(yè)廠商貝特瑞公司都與黑龍江企業(yè)合作參加了“十二五”科技支撐項目。鱗片石墨的深加工企業(yè)在山東有很多家，在內蒙古、湖北、河南、福建等也有一些企業(yè)。

我國原來微晶石墨的深加工技術基本空白。近來研究發(fā)現(xiàn)，由于微晶石墨的晶體微小(≤1μm)，每個石墨顆粒中有很多微晶無序堆積，使得顆粒表現(xiàn)出各向同性。這使得它成為鋰離子電池(特別是動力電池)負極材料和各向同性石墨的極好原料，在新能源、核能、軍工等高新技術領域有重要應用價值。清華大學在這方面進行了原創(chuàng)性的科技研究與開發(fā)，正在與相關企業(yè)合作建設微晶石墨提純、深加工產品的生產線。

3.2 發(fā)展方向

根據(jù)經濟和科技發(fā)展對石墨新材料的需求及中央、地方及企業(yè)的產業(yè)發(fā)展規(guī)劃，近期內建議產學研結合，以深加工為主，實現(xiàn)一些重要工程項目，建設完整產業(yè)鏈，引導石墨產業(yè)健康科學地發(fā)展。

工程項目的目標，一是陳舊技術設備的改造；二是目前炭石墨材料發(fā)展的熱點技術產品，如鋰離子電池負極材料、各向同性石墨、高導熱石墨等的產業(yè)化、集約化。

項目的投入應該以政府投入為引導、企業(yè)投入為主體、全社會共同投入為補充的多元化科技投融資體系。一些工程項目，作為政府的引導已納入科技支撐項目，這并不妨礙其他企業(yè)根據(jù)自己的資源條件和資金、技術、市場能力選擇項目，發(fā)展自己的產業(yè)鏈。

(1)石墨采選礦技術設備的更新?lián)Q代。

我國的石墨采選礦技術設備從20世紀60年代以來基本沒有進步，在能耗和礦物回收率方面大大落后于其他礦種。石墨采選礦技術設備相對其他礦種要簡單，但由于產業(yè)長期效益低，資金缺乏，沒有更新?lián)Q代。建議有實力的礦產設計研究院與采選企業(yè)結合，引進其他礦種的先進采選礦技術設備，設計建設先進的石墨采選礦生產線，在能耗、回收率、大鱗片保護、水資源節(jié)約利用、尾礦處理等技術經濟指標上有顯著改善。運行成功后在產業(yè)內推廣，并將先進技術經濟指標作為行業(yè)準入和淘汰落后技術裝備的指標。

(2)建設先進的規(guī)?；峒兩a線。

國內已經具有環(huán)保節(jié)能的先進酸堿法提純和節(jié)能型高溫提純技術，建議政府引導，產學研結合，針對資源特點，建設不同類型的規(guī)?；峒兩a線。嚴格限制化學提純中嚴重污染環(huán)境的氫氟酸的使用。

(3)鋰電天然石墨負極材料的產業(yè)規(guī)模化及動力、儲能型電池負極材料的研發(fā)。

國內已經有了鱗片石墨球形化后制備負極材料的企業(yè)，如貝特瑞等；清華大學等院校具有了以微晶石墨制備負極材料的技術，但產業(yè)規(guī)模及產品質量還不能滿足鋰離子電池迅速發(fā)展的需求。國內大批生產的球形石墨主要出口日本及韓國，供國外企業(yè)生產高質量負極材料。建議依托資源，把天然石墨鋰離子電池負極材料的產業(yè)規(guī)模化，并針對不同檔次電池需求，研發(fā)不同品質負極材料，使產品系列化；研發(fā)安全、長壽命的天然石墨動力型、儲能型電池負極材料。隨著鋰離子電池需求的迅猛增長，負極材料的市場前景十分廣闊。

(4)天然石墨基各向同性石墨的產業(yè)化。

各向同性石墨廣泛應用于核能、硅晶制備、電火花加工、連續(xù)鑄鋼、航空航天等領域，是炭材料的高端產品、戰(zhàn)略物資。我國目前所需的各向同性石墨2/3依靠進口。傳統(tǒng)技術制備各向同性石墨技術復雜、成本高。微晶石墨礦物顆粒本身具有各向同性性，是制備各向同性石墨的很好原料，而且能簡化工藝、降低成本，已經制備出工業(yè)尺寸的樣品，各向同性參數(shù)達到1.04(要求最高的核石墨1.05)；鱗片石墨球形化后，也具有制備各向同性石墨的潛在可能。清華大學等已經具有自己原創(chuàng)的專利技術，正與企業(yè)合作實施產業(yè)化。

(5)天然石墨基高導熱材料。

電子設備的小型化，要求電子器件的集成度越來越高，使得散熱成為IT產業(yè)的一個關鍵技術，對輕質高導熱材料需求越來越大。柔性石墨作為均熱導熱材料已廣泛用于LED顯示器及許多電子產品；利用天然石墨的優(yōu)良導熱性，制備導熱性與銅相當或更高，而密度只有銅1/4的高端導熱材料，武漢科技大學、山西煤化所、清華大學等已有相關技術，建議產學研結合，以實現(xiàn)產業(yè)化。

(6)柔性石墨產品的系列化研究。

我國柔性石墨的生產已經具有一定規(guī)模，并且與國外先進企業(yè)有多項合作。但我國的產品多為中低端產品，品種規(guī)格不到國外的1/5。建議產學研用結合，針對使用要求研發(fā)高端產品，完善品種規(guī)格，使之系列化、標準化。

(7)膨脹石墨環(huán)保材料的產業(yè)化。

膨脹石墨對水體污染的吸附治理作用，已有大量的研究成果，在治理水體的油品、有機物污染上，膨脹石墨遠比現(xiàn)在使用的普通活性炭有效、經濟。但膨脹石墨不便運輸，需要在應用現(xiàn)場制備。膨脹石墨環(huán)保材料的制備、使用、回收、再生有一定的技術難度，加之過去對環(huán)保不夠重視，膨脹石墨環(huán)保材料一直沒能產業(yè)化。黨的十八大提出了建設美麗中國，加大了環(huán)保力度，使得膨脹石墨環(huán)保材料的產業(yè)化成為可能?，F(xiàn)在膨脹石墨環(huán)保材料的產業(yè)化的技術基礎已經具備，可以從兩個技術層面進行這項工程。

在水污染企業(yè)，如鋼鐵、化工、印染、食品等企業(yè)集中的地區(qū)，建設膨脹石墨環(huán)保材料制備、使用、回收、再生的服務網絡。膨脹石墨環(huán)保材料與其他治理方法的配合使用，將使水污染的治理程度和效益大大提升。

對日益頻發(fā)的油品和有機物水體污染突發(fā)事件，建造綜合性水域環(huán)保專用船舶，把傳統(tǒng)的圍欄、抽吸等治理手段與膨脹石墨高效吸油性能結合起來，提高治污能力。這是涉及跨部門、跨學科的系統(tǒng)性工程，涉及的管理部門有船舶、海洋(海事)、環(huán)保等，涉及到學科技術有機械、材料、化工、熱工、環(huán)保等。這是一項難度很大的工程，但是建成以后在環(huán)保效益、技術水平上將是世界領先的。

4 炭材料產業(yè)前景展望

從長期發(fā)展看，我國炭材料產業(yè)結構目前狀況很不合理。過去計劃經濟條塊分割，把炭材料割裂成炭素、電炭、石墨、炭黑、活性炭、碳纖維等分屬不同部門的小行業(yè)，使得資源、技術力量、資金不能合理利用。而在先進國家，如德國西格里、日本東洋炭素、美國UCAR、法國羅蘭等大型炭材料企業(yè)，都是跨越好幾種炭材料，既有人工炭石墨材料，也有天然石墨材料，具有強大的資金、技術、市場能力，有的成為跨國的巨型企業(yè)。

隨著我國市場經濟的完善，資金、資源的引導將會使我國相關炭石墨材料的不同產業(yè)進一步整合，發(fā)展成為綜合性的炭材料大產業(yè)。將出現(xiàn)一批涵蓋炭材料科技多個領域，有強大產品和技術創(chuàng)新能力的綜合性大型企業(yè)，這種大型企業(yè)很可能是技術領先的人工炭石墨材料企業(yè)與技術領先的天然石墨材料企業(yè)相融合的結果。

從技術角度看，近期的(天然石墨基)各向同性石墨、高導熱材料是天然石墨產業(yè)與人工炭材料產業(yè)的融合；未來5～10年或再長一些時間，隨著石墨烯應用技術的發(fā)展和成熟，石墨烯的制備和應用將可能成為一個快速成長的大市場，前景廣闊。

從目前的研發(fā)成果看，天然石墨是很好的制備石墨烯的原料。石墨烯材料的產業(yè)化，將會是新型炭材料的又一個大進展。