中外石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展管窺

王忠強(qiáng)，蕭小月,

（1. 青島德通納米技術(shù)有限公司，山東 青島 266613；2. 南京科孚納米技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211800）

石墨烯專欄

中外石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展管窺

王忠強(qiáng)1，蕭小月1,2

（1. 青島德通納米技術(shù)有限公司，山東 青島 266613；2. 南京科孚納米技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211800）

石墨烯因其優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等性能，在各領(lǐng)域備受青睞。本文對石墨烯在新能源電池、復(fù)合材料、功能涂料等領(lǐng)域呈現(xiàn)的良好商業(yè)化前景進(jìn)行概述。同時，還分析對比了各國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和政策支持。

石墨烯；商業(yè)化；綜述；電池；復(fù)合材料；功能涂料；政策支持

石墨烯是由碳原子形成的具有六邊形晶格結(jié)構(gòu)、單層片狀的二維新材料，其在力學(xué)、電子、光學(xué)、生物等方面表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，使得不同的學(xué)科領(lǐng)域都對它青睞有加，各國科技界和產(chǎn)業(yè)界不遺余力地推動其發(fā)展。經(jīng)過十多年的研究開發(fā)，石墨烯已經(jīng)進(jìn)入全新的高速發(fā)展期，從最初的概念原型，到現(xiàn)今產(chǎn)業(yè)化直至商業(yè)化。其相關(guān)的產(chǎn)品應(yīng)用普及也伴隨著石墨烯技術(shù)的發(fā)展和新材料技術(shù)的換代升級而逐步實(shí)現(xiàn)。

1 與石墨烯產(chǎn)業(yè)相關(guān)的政策

基于其優(yōu)越的性能，石墨烯具有廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，每年有大量學(xué)術(shù)投資機(jī)構(gòu)涌入石墨烯市場[1]。美、英、韓、日、歐盟等均將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，期待它帶來巨大的市場價值。表1為各國石墨烯基礎(chǔ)研究的投入情況。

盡管我國石墨烯研發(fā)起步相對較晚，但近年來各級政府對其重視程度日益提高，大大促進(jìn)了我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

(a) 新材料“十二五”規(guī)劃為石墨烯產(chǎn)業(yè)明確了發(fā)展方向；

(b) 2014年10月23日，國家發(fā)改委、財政部、工信部聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)鍵材料升級換代工程實(shí)施方案》[2]，石墨烯位列其中；

表1 各國石墨烯基礎(chǔ)研究的投入情況Tab.1 Input of graphene basic research in various countries

(c) 2015年11月30日，國家工信部、發(fā)改委和科技部三部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》[3]，欲在2020年形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系；

(d) 2016年12月28日，為加快推進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國務(wù)院成立國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展小組[4]，審議推動總體部署、重要規(guī)劃，統(tǒng)籌研究重大政策、重大工程和重要安排。

2 國內(nèi)外石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展概況

2011年以來，隨著國際石墨烯研究和工業(yè)化開發(fā)的進(jìn)程，國內(nèi)石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化逐步展開，且在主要研究領(lǐng)域均有涉獵，整體接近國外先進(jìn)水平[5]，部分領(lǐng)域可處于領(lǐng)先水平并掌握了自主知識產(chǎn)權(quán)。在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)方面，美國首先在2009年實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但國內(nèi)在低成本、規(guī)模化制備石墨烯粉體和漿料領(lǐng)域的應(yīng)用研究水平同國外不相上下。如表2，為企業(yè)可規(guī)?；慨a(chǎn)石墨烯的概況。

表2 企業(yè)規(guī)?；慨a(chǎn)石墨烯情況Tab.2 Enterprise scale production of graphene

2015年是中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展元年，在政策支持和應(yīng)用前景的牽引下，石墨烯在國內(nèi)范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢，江蘇常州和無錫、浙江寧波、山東青島等地相繼建設(shè)投產(chǎn)量產(chǎn)石墨烯的生產(chǎn)線。目前，石墨烯制造商普遍為小型、初創(chuàng)企業(yè)，這些企業(yè)見證了來自各個領(lǐng)域?qū)κ┊a(chǎn)業(yè)化的爆炸式增長。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，全球有近300家公司涉足石墨烯相關(guān)的研究和開發(fā)，其中包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學(xué)、通用、杜邦、施樂、三星、洛克希德·馬丁、波音等科技巨頭。

歐美等發(fā)達(dá)國家前期支持政策主要集中于石墨烯基礎(chǔ)研究和高端應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)?，F(xiàn)階段各國的支持政策大多集中在石墨烯中游產(chǎn)業(yè)鏈上，而未來的5到10年，隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快及其展現(xiàn)市場價值的飆升，各國政府正在進(jìn)一步加大對石墨烯下游應(yīng)用的政策支持，推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

3 石墨烯下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化及發(fā)展趨勢

3.1 石墨烯納米復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

石墨烯納米復(fù)合材料是目前在石墨烯應(yīng)用中比較成熟的一塊。比起傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)，石墨烯增強(qiáng)使原結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量更輕，而且強(qiáng)度大[6]。汽車輕量化是節(jié)能減排的一個重要方向。研究表明，在不降低汽車剛性和碰撞性能的前提下，質(zhì)量減輕 10%，油耗將相應(yīng)減少6%～8%。石墨烯可作為提高材料力學(xué)性能的增強(qiáng)劑，廣泛應(yīng)用于車用輕質(zhì)復(fù)合材料的開發(fā)。

2016年，在歐洲最大的科學(xué)節(jié)日——科學(xué)在城市節(jié)（Science in the City Festival）期間，英國汽車公司Briggs在英國國家石墨烯研究所發(fā)布了一輛車身采用石墨烯材料制成的汽車（圖 1），名為 BAC Mono。類似的石墨烯復(fù)合材料也體現(xiàn)在德國杜塞多夫的二維材料展上的無人機(jī)機(jī)翼（圖2），質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高。

圖1 石墨烯車體Fig.1 Graphene car

圖2 石墨烯無人機(jī)機(jī)翼Fig.2 Graphene UAV wing

2016年12月，我國正式成立了一個國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組，新材料是《中國制造2025》重點(diǎn)突破的領(lǐng)域之一，輕量化材料是當(dāng)前新材料發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)領(lǐng)域，下一步的工作將是圍繞著總體的要求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要來深入推進(jìn)這項(xiàng)工作。一是要通過國家現(xiàn)有的政策來支持汽車輕量化材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。二是要組織行業(yè)協(xié)會、企業(yè)和專家，把汽車工業(yè)材料的標(biāo)準(zhǔn)體系，這個標(biāo)準(zhǔn)的短板補(bǔ)起來。三是要鼓勵產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，就是材料和企業(yè)通過上下游合作的形式能夠建立聯(lián)盟，來推動上下游融合。第四，將考慮創(chuàng)造條件，推動電動汽車行業(yè)和材料行業(yè)的骨干企業(yè)聯(lián)合起來，成立一個輕量化新材料的產(chǎn)業(yè)基金，通過市場的力量來聚集更多社會力量推動汽車輕量化的發(fā)展。

3.2 石墨烯在新能源電池領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

美國電動車制造商Fisker（菲斯科）于2016年11月1日宣布新款純電動豪華車型Fisker E Motion（圖3），采用了全新的外觀設(shè)計，外形極具未來感和運(yùn)動感。據(jù)稱Fisker E Motion采用了全新的電動動力系統(tǒng)布局和全新石墨烯電池技術(shù)，使其續(xù)航里程能達(dá)到643公里，最高時速可達(dá)260公里每小時[7]。

圖3 Fisker E Motion 采用了全新石墨烯電池技術(shù)Fig.3 Fisker E Motion uses a new graphene battery technology

在電動車中，作為電源的儲能裝置主要有鋰離子電池、超級電容器和燃料電池甚至空氣電池，這些儲能裝置均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導(dǎo)電性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，這為石墨烯提供廣泛的運(yùn)用空間。相對于鉛酸電池、鎳氫電池，鋰離子電池具備能量密度大、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。石墨烯可以作為鋰離子電池的導(dǎo)電劑替代現(xiàn)有的炭黑導(dǎo)電劑，降低電極內(nèi)阻，提高電極導(dǎo)電率，提高電池容量。

我國電池企業(yè)關(guān)于石墨烯在電池領(lǐng)域的應(yīng)用已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，正在推動商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計2020年可達(dá)百億市場規(guī)模。

3.3 石墨烯在涂料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

石墨烯薄膜表面的水分子之間的結(jié)合能大于其與石墨烯的吸附能，使得水分子以水滴形態(tài)存在，表明石墨烯具有疏水性。利用石墨烯噴涂于鋼表面，浸泡于海水中可以保持一個月不生銹。

石墨烯因具有高耐磨性和防腐性，在風(fēng)電涂料應(yīng)用中也具有特別的優(yōu)勢。目前，我國風(fēng)電用葉片涂料，基本全依賴于國外品牌。德國Mankiewicz、BASF、Bergolin及美國PPG在葉片涂料上占有較大的市場。國內(nèi)西北永新、中遠(yuǎn)關(guān)西、時代新材等公司在風(fēng)電葉片涂料上雖然起步較晚，但也取得了一定的成就。國內(nèi)產(chǎn)品主要針對內(nèi)陸、沙漠等環(huán)境，與主要用于海洋環(huán)境下國外風(fēng)電用葉片涂料的防腐性能，如耐鹽霧、耐雨蝕、防冰性能與進(jìn)口產(chǎn)品均有較大差距。2016年，青島市自主創(chuàng)新重大專項(xiàng)中，新材料領(lǐng)域《高性能石墨烯產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及海洋工程用石墨烯防腐涂料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用》項(xiàng)目獲批，旨在推動石墨烯在涂料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

3.4 石墨烯行業(yè)發(fā)展趨勢

隨著石墨烯制備技術(shù)的逐步成熟和應(yīng)用研發(fā)的逐步擴(kuò)展，在各國政府和企業(yè)的大力推動下，研發(fā)成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速。在全球石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，中國作為石墨資源大國和全球制造業(yè)大國，不但在石墨烯研究、技術(shù)開發(fā)方面與國際接近，而且在石墨烯應(yīng)用方面具有巨大的市場空間。中國具備完整的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈，涵蓋上游的石墨開采、石墨烯制備、中游的石墨烯材料，下游的石墨烯零部件、石墨烯終端產(chǎn)品。

與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國在石墨烯基礎(chǔ)研究方面投入強(qiáng)度大，為我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國初期石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的開發(fā)主要集中于初創(chuàng)型小企業(yè)，但初創(chuàng)型小企業(yè)在資金、人員和研發(fā)實(shí)力等方面都相對較弱，限制了石墨烯高端應(yīng)用的開發(fā)。近年來，在中央部委的政策刺激下，地方政府積極跟進(jìn)，助推了企業(yè)的發(fā)展。與此同時，央企和部分大型民營企業(yè)開始投入對石墨烯及其應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)，推動了我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展[7]。截至目前，相當(dāng)數(shù)量的研發(fā)項(xiàng)目已順利完成并進(jìn)入商業(yè)化準(zhǔn)備期，石墨烯產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)入井噴式發(fā)展期。盡管石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟，市場需求有待培育，但我國有望發(fā)展成為全球石墨烯產(chǎn)業(yè)的“領(lǐng)頭羊”。

4 推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的保障措施建議

(1) 發(fā)揮政府的統(tǒng)籌規(guī)劃和引導(dǎo)作用。

一是規(guī)劃先行，制定具有可操作性的石墨烯產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)規(guī)劃，明確石墨烯發(fā)展的階段目標(biāo)、重點(diǎn)領(lǐng)域、資金來源、政策體系等重點(diǎn)問題，確立合理的領(lǐng)導(dǎo)組織框架。二是政策引導(dǎo)，出臺合理的石墨烯產(chǎn)業(yè)扶持政策，在規(guī)劃用地、載體建設(shè)、資金來源、人才引進(jìn)等方面予以大力支持和資金扶持，加快材料、設(shè)備、工藝、應(yīng)用等上下游協(xié)同發(fā)展。三是區(qū)域協(xié)調(diào)，根據(jù)各地區(qū)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、配套環(huán)境和載體建設(shè)等情況，在具有相關(guān)優(yōu)勢的區(qū)域，形成規(guī)模和集群效應(yīng)，避免各地區(qū)一哄而上，重復(fù)建設(shè)。

(2) 堅(jiān)持以市場和應(yīng)用為導(dǎo)向，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。

要充分發(fā)揮市場的導(dǎo)向和政府的引領(lǐng)作用，同時還需要政府與市場的分工協(xié)作，明確各自的責(zé)任。在未來發(fā)展中，要充分調(diào)動政府、企業(yè)以及社會資金的積極性，有效地整合資本、人才、技術(shù)等要素培育一系列產(chǎn)業(yè)的集群化發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)業(yè)間的優(yōu)化聯(lián)動，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

(3) 開發(fā)戰(zhàn)略性應(yīng)用產(chǎn)品，掌握核心技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)。

通過對石墨烯技術(shù)專利主要技術(shù)原創(chuàng)國與目標(biāo)申請國數(shù)量對比研究發(fā)現(xiàn)（見圖4），中國、韓國、美國、日本四個主要技術(shù)原創(chuàng)國中，我國石墨烯專利遙遙領(lǐng)先。但是，我國專利海外布局相對薄弱，韓國、美國和日本的海外布局最多。因此，我國需要進(jìn)一步加強(qiáng)石墨烯專利的全球布局，同時，積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)化制定，確保行業(yè)領(lǐng)先和可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)勁競爭力。

圖4 石墨烯技術(shù)專利受理國家/地區(qū)分析Fig.4 Country / region analysis of graphene technology patents

[1] 中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟. 2016全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告 [R]. 北京: 中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟, 2016.

[2] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委委員會. 關(guān)鍵材料升級 換 代 工 程 實(shí) 施 方 案 [R/OL]. [2014-10-23]. http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n30 57569/n3057573/c3570174/content.html.

[3] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見 [R/OL]. [2015-11-30]. http://www. miit.gov.cn/n1146290/n4388791/ c4471468/content.html.

[4] 青島德通納米技術(shù)有限公司(引自烯碳資訊). 2017年十大政策紅利助推石墨烯產(chǎn)業(yè)破冰起航 [EB/OL]. [2017-02-07]. http://www.dtnano.com/info.php?mod=detail&id =195&cid=2&parentid=0.

[5] XIAO X Y, LI Y C, LIU Z P. Graphene commercialization [J]. Nat Mater, 2016, 15(7): 697-698.

[6] 孫瑜. 2016年石墨烯商業(yè)化狀況與最新應(yīng)用分析[EB/OL]. [2017-01-18]. http://www.dtnano.com/info.php? mod= detail&id=192&cid=2&parentid=0.

[7] 青島德通納米技術(shù)有限公司(引自烯碳資訊). 正道集團(tuán)即將發(fā)布石墨烯基電池電動汽車 [EB/OL]. [2017-02-16]. http://www.dtnano.com/info.php?mod=detail&id=198&cid=2& parentid=0.

（編輯：陳豐）

Overview of graphene industrialization worldwide

WANG Zhongqiang1, XIAO Xiaoyue1,2
(1. Qindao Detong Nanotechnology Co., Ltd, Qingdao 266613, Shandong Province, China; 2. Nanjing SCF Nanotechnology Co., Ltd, Nanjing 211800, China)

Graphene, with outstanding thermal, electric and mechanical properties, has

a tremendous attention. This article gives an overview of potential commercialization in the fields of new energy batteries, composites, functional coatings and so on. It also provides a comparison of graphene industrilization and policy supports among countries.

graphene; commercializaton; review; battery; composites; functional coatings; policy support

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.020

O613.71

A

1001-2028（2017）09-0094-04

2017-06-01

蕭小月 sxiao@syfsci.com

王忠強(qiáng)（1992－），女，山東威海人，主要從事石墨烯及其下游應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用 。

時間：2017-08-28 11:41

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1141.020.html

蕭小月：教授，美國普渡大學(xué)化學(xué)博士，南京科孚納米技術(shù)有限公司董事長。曾任清華大學(xué)材料系副教授、新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、清華大學(xué)科技處副處長、美國三開公司技術(shù)部經(jīng)理和主任科學(xué)家等職?，F(xiàn)兼任中國國際石墨烯創(chuàng)新大會主席（2014～2017）、歐洲石墨烯大會國際科學(xué)委員會委員（2015～2017）、中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟常務(wù)理事兼國際合作部主任、全國僑聯(lián)特聘專家、中國僑聯(lián)新僑創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)聯(lián)盟副理事長、江蘇省海外交流協(xié)會副會長及新材料專業(yè)人士委員會主任委員。入選“中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎（2012）”和“中國經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新領(lǐng)軍人物（2015）”。在石墨烯領(lǐng)域申請專利21項(xiàng)，發(fā)表論文40余篇。2016年，作為第一作者應(yīng)邀在《Nature Materials》發(fā)表《Graphene Commercialization》，介紹中國石墨烯商業(yè)化進(jìn)展。