石墨烯產(chǎn)業(yè)需要工匠精神

牛祿青

應(yīng)像歐美日韓等產(chǎn)學(xué)研界一樣，持之以恒、精益求精地攻堅克難，掌握核心技術(shù)，而不是炒作概念、盲目跟風(fēng)、急功近利

迄今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、重量最輕、強度最高、透光最好、導(dǎo)電導(dǎo)熱最優(yōu)的新材料是誰?。糠鞘┠獙?。石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”。科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

自2004年石墨烯被英國曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫破天荒發(fā)現(xiàn)，特別是2010年因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎，短短六年時間，在全球引發(fā)了一浪高過一浪的“石墨烯風(fēng)潮”。高?？蒲袡C構(gòu)卯足了勁，發(fā)表論文、申請專利如下餃子，政府紛紛制定宏大的戰(zhàn)略規(guī)劃并提供政策支持，資本、企業(yè)更是豪擲千金、為之瘋狂，都想在第一時間搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)第一高地、拔得頭籌。

我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的火爆程度有過之而無不及，但同國外重視石墨烯基礎(chǔ)理論研究、高端應(yīng)用和理性投資相比，中國的一系列發(fā)展亂象令人擔(dān)憂，轟轟烈烈的“造烯運動”已陷入泡沫化、低端化、應(yīng)用乏力、小散亂等困境。作為二維碳材料，石墨烯本是極具前沿的高端科技，應(yīng)像歐美日韓等產(chǎn)學(xué)研界一樣，持之以恒、精益求精地攻堅克難，掌握核心技術(shù)，而不是炒作概念、盲目跟風(fēng)、急功近利。

事件 華為推出石墨烯基鋰離子電池

華為公司中央研究院瓦特實驗室在第57屆日本電池大會上宣布推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。實驗結(jié)果顯示，以石墨烯為基礎(chǔ)的新型耐高溫技術(shù)可將鋰離子電池上限使用溫度提高10℃，使用壽命是普通鋰離子電池的2倍。

自2015年10月華為與英國曼徹斯特大學(xué)達(dá)成石墨烯應(yīng)用研究項目后，業(yè)界很期待華為能在石墨烯領(lǐng)域推出“顛覆性”成果。此電池的推出，意味著石墨烯助力的高溫鋰離子電池研究取得重大突破。

華為瓦特實驗室首席科學(xué)家李陽興表示，石墨烯基高溫鋰離子電池的技術(shù)突破主要來自三方面：在電解液中加入特殊添加劑，除去痕量水，避免電解液的高溫分解；電池正極選用改性的大單晶三元材料，提高材料的熱穩(wěn)定性；同時，采用新型材料石墨烯，可實現(xiàn)鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。這三項技術(shù)突破的協(xié)同發(fā)力，讓華為這款新電池的性能秒殺目前市面上的大部分鋰電池。其中，石墨烯起到的作用是高效散熱，而非電池的正極或負(fù)極材料。

據(jù)了解，華為計劃將“石墨烯增強電池”用于沙漠、陽光直曬等高溫極端環(huán)境的移動網(wǎng)絡(luò)基站，使用該高溫鋰離子電池的外掛基站工作壽命可達(dá)4年以上。

有業(yè)內(nèi)人士指出，華為石墨烯基鋰離子電池里面的“石墨烯”僅用于提升鋰離子電池散熱效果。而電池電極上也并沒有使用石墨烯材料提高導(dǎo)電性，更沒有直接使用石墨烯材質(zhì)制作電池主體。但是一些公眾號和科技媒體可能出于蹭熱度或者某些利益原因，卻以“石墨烯”為切入點，胡編亂造出“華為正式發(fā)布石墨烯電池”或者“華為開啟石墨烯商用時代”之類的言論，極大地誤導(dǎo)了一般讀者。

背景 紅紅火火石墨烯

在經(jīng)歷了2014年至2016年的高速發(fā)展后，目前我國約有400多家經(jīng)營石墨烯業(yè)務(wù)的企業(yè)，約占全球石墨烯企業(yè)數(shù)量的3/4，主要集中在長三角、珠三角和京津冀魯區(qū)域。將石墨烯作為主營業(yè)務(wù)的約70家，多呈小型、初創(chuàng)等特點。按經(jīng)營業(yè)務(wù)劃分，還可進一步分為石墨烯粉體企業(yè)和石墨烯薄膜企業(yè)，前者數(shù)量約50家，后者約10家。

除了資本的角逐和推波助瀾，石墨烯也引起了國家層面的關(guān)注。最近兩年間，國家主席習(xí)近平先后3次考察和調(diào)研石墨烯產(chǎn)業(yè)，并對其寄予厚望。中國政府還陸續(xù)出臺了多項支持政策?！吨袊圃?025》重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖中提到，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)未來總體目標(biāo)是“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”。

當(dāng)前，中國是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，我國石墨烯專利和論文全球第一，已成為全球范圍內(nèi)石墨烯出版物和專利的領(lǐng)先者，申請的石墨烯專利數(shù)量占全球總數(shù)的1/3，位居首位。全球第一條和第二條規(guī)?；慨a(chǎn)的石墨烯生產(chǎn)線也誕生在中國。寧波、常州、無錫、青島、重慶等地都紛紛設(shè)立了石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)。

聯(lián)盟秘書長李義春表示，因為大批企業(yè)投身石墨烯產(chǎn)業(yè)化，2016年石墨烯產(chǎn)值預(yù)計將達(dá)到30億元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過去年的6億元。還有很多企業(yè)正在嘗試產(chǎn)業(yè)化，2017年估計有五個到六個新領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用會突破。到2018年，石墨烯產(chǎn)值預(yù)計可達(dá)到100億元，整個行業(yè)將迎來應(yīng)用爆發(fā)年。

此外，《石墨烯材料的術(shù)語、定義及代號》國家標(biāo)準(zhǔn)已基本完成制定工作，正在報批程序中。

伴隨著中國企業(yè)和專利爆發(fā)式的增長，“中國國際石墨烯創(chuàng)新大會”已連續(xù)舉辦了三屆。石墨烯聯(lián)盟秘書長李義春深有感觸地說，三年間，全國石墨烯企業(yè)如雨后春筍般誕生，僅從大會上來看，一方面參會企業(yè)明顯增多，另一方面在單位構(gòu)成上，已由最初80%～90%是政府、高校及科研院所，轉(zhuǎn)變?yōu)?0%～80%為企業(yè)。

“石墨烯主要以石墨烯粉體及石墨烯薄膜兩種形式存在?！敝袊墙饘俚V工業(yè)協(xié)會石墨專委會副秘書長劉榮華介紹說，石墨烯粉體通過天然石墨制備，應(yīng)用于新材料領(lǐng)域和能源領(lǐng)域。新材料領(lǐng)域包括防腐涂料、散熱材料、電學(xué)材料和功能增強材料等；能源領(lǐng)域包括超級電容器和鋰離子電池。石墨烯薄膜通過甲烷制備，應(yīng)用于電子領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域等。電子領(lǐng)域包括觸控屏、電子元器件、傳感器材料和燃料電池材料等；環(huán)境領(lǐng)域包括金屬污染土壤修復(fù)、重金屬污染治理、海水淡化和霧霾預(yù)警等；醫(yī)藥領(lǐng)域包括靶向藥物輸送和催化載體等。

劉榮華認(rèn)為，石墨烯處于產(chǎn)業(yè)化突破前的黎明期，在復(fù)合材料、鋰離子電池正極材料以及電子觸摸屏領(lǐng)域最有希望率先產(chǎn)業(yè)化?！伴L期來看，石墨烯想象空間最大的應(yīng)用領(lǐng)域是替代硅，成為下一代超高頻率晶體管基礎(chǔ)材料，應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。”

由于具有超強特性，石墨烯將給各個領(lǐng)域帶來令人驚奇的巨大變化。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會提高數(shù)百倍，這項應(yīng)用在未來的數(shù)據(jù)中心、智慧城市等建設(shè)中，可發(fā)揮作用的空間不可限量；石墨烯電子顯示屏，不僅更薄、透光性更好，還更有韌性和柔性，不容易破損，甚至還能夠卷起來；用石墨烯制造的感光元件，性能增強千倍，在昏暗的光線環(huán)境中，依然能夠捕捉到較為清晰的物體影像。不難看出，石墨烯應(yīng)用前景巨大、潛力無限，這正是全球各國爭相布局石墨烯產(chǎn)業(yè)的原因。

《中國制造2025》明確了石墨烯在戰(zhàn)略前沿材料中的關(guān)鍵地位，并提出到2020年形成百億產(chǎn)業(yè)規(guī)模，規(guī)模化制備及在儲能、印刷電子、航空航天復(fù)合材料、海洋工程防腐等應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到國際先進水平；2025整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億，電動車鋰電池石墨烯基電極材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)萬噸級，海洋工程等石墨烯基防腐涂料產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)十萬噸級，柔性電子用石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)上億平方米。

重點的發(fā)展領(lǐng)域包括：石墨烯基電極材料在電動車領(lǐng)域應(yīng)用，石墨烯基防腐材料在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用，石墨烯薄膜在柔性電子領(lǐng)域應(yīng)用，石墨烯基散熱材料在光電領(lǐng)域應(yīng)用，以及石墨烯材料的規(guī)劃化制備技術(shù)。

焦點 高端產(chǎn)業(yè)低端化

盡管中國的石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化研發(fā)都取得了巨大的進步，在國際上位列第一方隊，但也暴露出制約石墨烯產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的諸多問題。很多人誤認(rèn)為進入石墨烯行業(yè)的門檻很低，并且誤以為石墨烯時代就在眼前。實際上石墨烯相關(guān)基礎(chǔ)研究的熱潮剛剛退去，石墨烯原材料的規(guī)?；a(chǎn)才剛剛開始，應(yīng)用研究也只能說逐漸走出實驗室。就現(xiàn)狀而言，石墨烯仍處在產(chǎn)業(yè)化前夜，至多是起步階段。這種認(rèn)識上的誤區(qū)導(dǎo)致很多人盲目樂觀，盲目進入石墨烯領(lǐng)域。

中關(guān)村石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長、北京大學(xué)教授、中科院院士劉忠范指出，我國擁有龐大的石墨烯新材料研發(fā)隊伍，但仍處于分散的、小作坊式的無序發(fā)展階段；石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)盲目冒進，簡單重復(fù)，特色不清；整個行業(yè)存在急功近利的傾向，只重視低端產(chǎn)出，輕視對未來石墨烯產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的關(guān)注和投入。

“這張是中國石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)布局圖，我經(jīng)常要更新這張圖，其中20多個產(chǎn)業(yè)園我都去過；這一張是‘大躍進時期河北省徐水縣修建的土高爐，當(dāng)前全國轟轟烈烈的石墨烯產(chǎn)業(yè)園建設(shè)運動讓我想起了當(dāng)年的大煉鋼鐵運動，這種運動式的做法會帶來很多問題。”劉忠范不無擔(dān)憂地說。

工信部賽迪研究院原材料工業(yè)研究所博士李丹表示，我國石墨烯研究基本上屬于自發(fā)性的群眾運動，一大堆人哄搶一塊蛋糕，投入非常分散，缺少國家層面的全局性規(guī)劃，這樣很難布局長遠(yuǎn)目標(biāo)。“這樣的發(fā)展模式常常帶來表面上的繁榮，并且造成人力、物力和財力資源的嚴(yán)重浪費?！崩畹ぶ毖浴?/p>

據(jù)了解，盡管石墨烯主要被當(dāng)作改性添加劑廣泛應(yīng)用于涂料、復(fù)合材料、動力電池等領(lǐng)域，但對其品質(zhì)要求并不高，產(chǎn)品附加值也不高，無法真正體現(xiàn)石墨烯作為高性能、高品質(zhì)材料的特性和價值。除產(chǎn)品附加值低之外，低端產(chǎn)能擴張過快、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重等也困擾著石墨烯的發(fā)展。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)者安德烈·海姆在2016年中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上指出，中國目前推出的石墨烯產(chǎn)品普遍呈低端化特點，還沒有發(fā)揮石墨烯的“真正能量”。

究竟低端到什么程度呢？這里列舉一二，有枕頭、電熱毯等床上用品，有護肩、護膝、護腰等健康產(chǎn)品，有內(nèi)衣、襪子、鞋底、鞋墊等鞋服產(chǎn)品，有散熱器、充電寶、移動電源等電子電器產(chǎn)品，還有輪胎等汽車產(chǎn)品。而國外大企業(yè)都是應(yīng)用于光電器件、傳感器、醫(yī)藥、環(huán)保材料等高端領(lǐng)域。

從科研角度看，中國的石墨烯研究處于世界領(lǐng)先位置。根據(jù)中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局、Wind數(shù)據(jù)庫資料，2015年中國專利申請數(shù)量達(dá)7925個，居全球第一。而從專利布局來看，企業(yè)和學(xué)校總占比達(dá)80%以上，公司占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于學(xué)校，產(chǎn)業(yè)化進程提速有限。

我國雖然科研人員和成果數(shù)量大，但高精尖的原始科研成果還較少，大多采用跟蹤研究的方法，重大創(chuàng)新還比較少，研究成果還主要集中在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，高端應(yīng)用技術(shù)還相對薄弱。

清華大學(xué)深圳研究生院院長、碳材料專家康飛宇曾公開表示，我國雖然在石墨烯論文發(fā)表量上位居全球首位，但不少科研院所并不知道產(chǎn)業(yè)界到底要什么，科研和應(yīng)用脫節(jié)問題突出。

我國企業(yè)通常重視短期發(fā)展急于變現(xiàn)，對研發(fā)的投入也不夠。據(jù)了解，國內(nèi)的石墨烯產(chǎn)品多為針對兩三年以內(nèi)可以形成產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。例如將石墨烯添加到現(xiàn)有材料里提升其

性能。石墨烯的高端應(yīng)用需要大量資金投入，而且風(fēng)險很高，五年后才可能形成產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，國內(nèi)民營企業(yè)很難有實力去進行布局。

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春指出，與國外相比，中國企業(yè)在石墨烯高端應(yīng)用上的投入差距巨大，相關(guān)的高端研發(fā)技術(shù)落后三年，研發(fā)成果已落后五年。因此，李義春建議，政府應(yīng)在石墨烯高端領(lǐng)域的研發(fā)上加大資金支持力度。

啟示 呼喚工匠精神

所謂“高端應(yīng)用”，是指具有高技術(shù)含量、高附加值的應(yīng)用。石墨烯極高的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、比表面積等優(yōu)良特性，使其成為儲能、電子、光電器件的首選材料，這些也是石墨烯最有可能發(fā)揮決定性作用，成為不可替代的“超級材料”的應(yīng)用場景。大材小用無異于延誤戰(zhàn)機、竭澤而漁。

在高端應(yīng)用中，石墨烯的空間有多大？劉忠范認(rèn)為，超級石墨烯光纖、超級石墨烯玻璃、石墨烯透明電極和外延緩沖層或許會成為石墨烯“殺手锏”級的應(yīng)用。

對于發(fā)達(dá)國家石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，李丹表示，美國在石墨烯專利布局方面比較全面，日本在薄膜晶體管領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，韓國在納米器件領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢，歐盟則把石墨烯研究作為首批技術(shù)旗艦項目之一。

針對當(dāng)前我國石墨烯發(fā)展亂象叢生的局面，李丹提醒，石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程不能一擁而上、一蹴而就，而是一個長期、緩慢的過程。目前，資本市場將石墨烯捧成了“上帝材料”，但國內(nèi)研究缺少有價值的專業(yè)研發(fā)成果，石墨烯市場“虛火過旺”。

中科院國家納米中心研究員智林杰也建議，要推動石墨烯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，從技術(shù)角度來看，首先需要一批石墨烯企業(yè)靜下心來，將石墨烯制備做好，因為制備技術(shù)優(yōu)化是石墨烯高品質(zhì)應(yīng)用的前提。

劉忠范表示，“未來的石墨烯產(chǎn)業(yè)注定是一塊很大的蛋糕，但中國能切到多少還取決于我們現(xiàn)在關(guān)注什么，是明天的技術(shù)，而不僅僅是今天的產(chǎn)品。中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)呼喚工匠精神，精益求精，追求極致，不屈不撓。”

石墨烯作為一種戰(zhàn)略新興材料，國家既要積極謀劃布局，更要加快科研體制改革步伐，確立以企業(yè)為主體的創(chuàng)新體系。我們不能過于急功近利，既要關(guān)注今天的產(chǎn)品，更要關(guān)注未來的核心技術(shù)。只有擁有這些核心技術(shù)，才能擁有石墨烯產(chǎn)業(yè)的未來。

改革開放之初，諾貝爾獎獲得者楊振寧先生曾經(jīng)給鄧小平寫過一封信，信中指出：中國的科學(xué)研究傾向于走兩個極端，或者注重原理的研究，或者注重產(chǎn)品的研究，反過來對這兩種研究之間的發(fā)展性研究似乎沒有被注重。發(fā)展性研究是一種中期的投資，希望5年、10年或20年，成果能增強社會生產(chǎn)力。這種投資是中國十分脆弱的環(huán)節(jié)。楊振寧先生的這段話仍然具有現(xiàn)實意義，值得我們深思。

在急功近利的當(dāng)下，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展迫切需要“工匠精神”。當(dāng)年碳纖維的研發(fā)歷史就是一個很好的例子。日本東麗公司花費了近半個世紀(jì)，投入了1400億日元，才推開了碳纖維在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的大門，開啟了碳纖維應(yīng)用新時代。石墨烯擁有光明的未來，但需要耐心和堅持，需要踏踏實實的研發(fā)。華為今天的成功，也是來自于堅持不懈的研發(fā)。