石墨烯产业的机遇与挑战

石墨烯产业的机遇与挑战

从学术上讲,石墨烯是一种纯碳原子以sp2方式杂化形成二维材料。2010年,石墨烯领域的两位先驱盖姆(Andre Geim)和诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因从石墨中分离出石墨烯,共同获得诺贝尔物理学奖。其实,第一篇关于石墨烯的热点文章是由两位科学家在2004年发表的。仅仅不到六年时间,两位科学家就凭此获得诺贝尔奖,这也是史上最快的诺奖之一。

石墨烯与石墨的区别,是二维材料与三维材料的区别。石墨是一种层状的碳材料,其层与层之间的相互作用力比较弱,因此质地很软。石墨片层间距约为3.35Å(0.335nm),1mm厚的石墨大约含有300万层的单层石墨片。每一个单层的石墨片就是石墨烯,单层的石墨烯叠起来之后就是石墨,这就是石墨烯和石墨的关系。

其实,我们对石墨烯并不陌生。小学时常用的铅笔,是由粘土和石墨混合制成的。写字时,石墨片层会因摩擦而剥落。映到纸上,石墨片就变成了字。如果字写得特别轻,几乎看不见,说不定就是石墨烯(当然概率极低)。

当之无愧的新材料之王
石墨烯有“新材料之王”之称,它兼具了非常多的优良性质。首先,石墨烯是最薄最轻的材料,它仅有一个原子层,比重只有2 g/cm3左右(钢的比重约为7g/cm3)。其次,石墨烯是最强、最坚硬的材料,其机械强度是钢的200倍,其硬度甚至超过金刚石。再次,石墨烯的导热性十分好。如铜的热导率是397W/(m·K),而石墨烯竟然高达5300W/(m·K)。2019年,华为公司开始用石墨烯做手机的散热膜。最后,石墨烯也是最好的导电材料。理论上,石墨烯的电导率比银更高。此外,石墨烯是柔性的,也是透明的,一束光打过去,只有2.3%的光被吸收。

从结构上看,石墨烯与高中课本里学过的苯环(同样是sp2杂化)有异曲同工之妙。其实,石墨烯可以基本等同于苯环去掉氢后连接成的网格。有意思的是,石墨烯是不透气的,几乎可以挡住任何气体。比如单原子气体氦气,也无法穿透石墨烯。现在经常有广告宣传,用石墨烯做衣服、做口罩等。但理论上石墨烯是不透气的,所以很多广告只是噱头。

中国石墨烯产业发展总体态势
1.中国石墨烯产业发展“过热”
由于具有如此多的优良性质,石墨烯研发一直火热。根据我们团队的统计数据,截至2018年底,中国有6619家正式注册的企业“号称”做石墨烯,请大家务必注意,是“号称”。预计这一数字如今已上升至逾8000家。

此外,中国一大产业特色是各处兴建研究院、创新中心、产业联盟。全国有20多个省市在“十三五规划”里对石墨烯有布局。各地关于石墨烯的产业基金也很多,规模从2000万到10亿元不等。根据2018年底统计数据,全国各地成立的石墨烯产业园、创新中心、研究院以及产业联盟已超过50家。截至目前,涉及石墨烯产品的上市公司有50多家,其中主营石墨烯业务的有五家,“石墨烯概念股”有40多只。

石墨矿是我国的优势资源,全球已探明储量的石墨矿有75%在中国,其中大约一半位于黑龙江省。很多人误以为,有了石墨矿就有优势做石墨烯,但实际情况不是这样。石墨矿可以制造石墨烯粉体,但并不是最好的选择。这条技术路线不仅是最贵的,而且会带来环境污染问题。

2.中国石墨烯专利数量“惊人”
中国社会各界对石墨烯给予了非常大的关心,也带来了许多成果。据我们团队统计,截至2019年7月,中国发表的石墨烯专利数量占全球60%多。排名第二的美国,相关专利总量只占全球的13%。韩国在石墨烯领域的技术开发方面十分领先,可谓是一匹黑马,但其专利总量只占8.7%。欧洲是石墨烯的发源地,但各国专利加到一起都不到全球的5%。我们统计了中国石墨烯专利增长速率,今年为7.4%,是近年来增速最低的年份,其他年份都是20%、70%以上,2010年前后甚至是几倍的增速。

从2011年开始,我国发表的石墨烯论文数量就在全球遥遥领先。根据2018年3月的数据,中国发了将近60000篇石墨烯相关论文,排在第二的美国是23000篇。从数据上看,中国肯定是石墨烯科学研究大国,也是产业化研发的大国。

3.中国石墨烯产业调研情况
我们团队的产业调研小组走遍全国大江南北,一共去了14个省级行政单位,29个城市,走访近100家企业。

从产业调研中,我既看到了石墨烯产业发展的希望,也看到了巨大挑战。中国石墨烯产业已形成“一核、两带、多点”的空间格局。其中,“一核”是指北京。北京研发机构众多,包括清华、北大、北理工、北化工以及中科院化学所等等,是石墨烯核心技术研发力量的源头,将来有望成为石墨烯产业发展的引擎。“两带”分别是东部沿海地带及黑龙江、内蒙古地区。前者主要有人才和市场优势,后者主要有资源优势。“多点”就是散落在全国各地的城市,据我了解,目前只有新疆和西藏没有石墨烯产业园,其他省份几乎都有产业园。

中国石墨烯产品研发现状及与国外差距
1.中国石墨烯产业关注“三大件”
当前,中国石墨烯产业主要关注三大领域。

一是大健康产品,例如石墨烯发热服、远红外理疗、石墨烯眼罩、石墨烯面膜,产地主要集中于广东,尤其是深圳。但前面讲过,石墨烯并不透气,很多产品都只是噱头。其实,大健康产品主要是利用石墨烯的导电性和导热性,本质上是电加热产品。所以,国内目前大热的石墨烯电加热地板、石墨烯地热膜,都是此类产品。当前,我国大力推行煤改气、煤改电,新疆也在大力推行石墨烯加热产品。

二是电池产品。数年前就有宣传称,未来石墨烯电池充电八分钟能跑1000公里,中东石油公司要破产。十年过去了,石墨烯电池仍只是噱头,市面上的商用石墨烯电池产品,例如一款5000mA·h石墨烯充电宝,与普通充电宝相比,并没有任何优势。在电池中,石墨烯的作用是导电添加剂,目的是减小电池的电阻,进而减少发热、降低能耗。但如果石墨烯添加量过多、体积太大,会导致能量密度降低。目前,石墨烯的合理添加量约为5%左右,添加多了反而没好处。

三是涂料,主要产品是石墨烯防腐涂料。传统涂料通常将金属锌作为牺牲剂,石墨烯掺进去可以节省一部分锌。根据调研结果,全国有700多家企业在做此类产品。然而,中国高端涂料市场的90%份额几乎被国外3~4家企业所垄断。中国企业进入不了高端市场,这些做石墨烯涂料的企业就陷入到恶性竞争中。

在市场上,还有石墨烯润滑油、石墨烯导电轮胎产品。产品相对高端一点的,如2018年3月,重庆推出了三万部石墨烯手机,其中石墨烯主要用于电池、散热部件和触摸屏。但上述功能只占手机的一小部分,这些手机主要是做样品送给大家,很难卖出去。

根据最新统计数据,石墨烯产品市场规模的65%为新能源,即导电添加剂,其次是涂料8%,大健康占了6%。这里讲的市场规模,也只是个统计数据,据我了解,几乎没有一家相关企业是盈利的。

2.中国石墨烯产业与国外存在差距
在石墨烯行业里,欧洲石墨烯旗舰计划十分著名,它的目的是将英国基础研究的诺贝尔奖变成未来的产业引擎,计划从2013年开始持续十年时间,每年投资10亿欧元。欧盟希望建立一个从基础研究到产业化的学术联合体,共同推进石墨烯发展,这一点特别值得我们借鉴。

欧洲石墨烯旗舰计划关注的重点是:2014年关心生产工艺,2018年关心零配件,例如晶体管、自旋阀、柔性显示器、电子标签、超轻电池、超速激光器等等。未来(2024年)关心的,包括柔性电子器件、光通信、低功耗电子产品、自供电设备等等。对比我国的产业现状,可以看到,他们关心的事情和我们关心的事情完全不在一个频道上。

2015年3月,英国在两位诺奖得主所在的曼彻斯特大学成立了国家石墨烯研究院(NGI)。2018年底,英国又成立了石墨烯工程创新中心,希望能从工程化角度进一步推进。

每年2~3月,世界移动通信大会定期于西班牙巴塞罗那举办,这一全球性盛会近年来都设置了石墨烯展厅,涉及数据通信、传感器、物联网、新能源、可穿戴设备、家居和健康,例如宽带图像传感器、磁场传感器等各种传感器、电子钥匙、wifi接收器、电子耳机、压力感应鞋垫、导电T恤、紫外线探测器、人机接触界面、脑机接口和钙钛矿太阳能电池等。2016年,英国威廉王子和凯特王妃还去参观过他们的实验室,曾试坐过他们的石墨烯汽车。

此外是韩国的三星公司,2015年,该公司就已经申请了487件石墨烯专利,现在可能超过1000件了。很早之前,韩国三星公司就开始了布局,有专门的团队在研究石墨烯。三星公司还可以带动一批大学一起研究。

欧美与韩国的相关研究,正在推动一些具有未来性、前瞻性的技术,我国与之相比,差距甚大。

3.中国石墨烯产业面临的挑战
一是初创式、作坊式的小微企业居多。据不完全统计,石墨烯产品几乎90%以上都产自小微企业。华为公司虽有参与,但仅限于购买产品,并不负责技术研发。这些小微企业的生存很难,他们不仅没有企业经营基础,技术成熟度也不高,更没有市场通道,很难形成自我造血能力,竞争力和可持续发展能力有限。尽管数目多达6000家,实际上都是小作坊,他们试图做出产品、找到市场卖出钱后回血,靠自身造血往前走,难上加难。自2015年开始,石墨烯企业的死亡率上升很快,2018年达到了3%。

二是大炼钢铁式的产业园区建设,导致同质化现象非常严重,造成产业链中低端恶性竞争。目前,近八成企业的产品集中在大健康、导电添加剂和涂料,这些技术的门槛和附加值非常低,竞争异常激烈。此外,石墨烯制备成本偏高,不具备市场竞争力,尤其暂时不具备不可替代性。一种新技术进入市场是需要时间的,但如果不具备不可替代性,就很难真正进入市场。

三是急功近利,缺乏对未来产业核心技术和核心知识产权的布局。对比中外产品后不难看出,国外关心的是真正体现石墨烯新材料特性的未来性技术,国内关注的是能立竿见影带来利益的产品开发。当前,石墨烯标准没有建立完善,市场产品鱼龙混杂、真假难辨,导致炒作概念者居多。

目前,我国的石墨烯标准正在紧锣密鼓地制定中,国家标准有七项,地方标准有五项。但制定标准的单位多头并进,各种标准还需要进一步统一。此外,石墨烯规模化技术尚未突破,产业还没起来,产能却已经严重过剩。

四是缺乏战略布局,科技、经济“两张皮”现象严重。目前,石墨烯杀手锏级的用途还不明朗,但经费投入分散且严重不足,缺少国家层面的战略布局,可以说,目前市场的指挥棒作用发挥过度,大家只关心市场关心的,而缺少了长远的战略布局。但这并不是石墨烯行业的问题,而是国内高科技产业的普遍问题。

我很喜欢比尔·盖茨(Bill Gates)的一句话:“我们总是高估今后一两年将要发生的变革,也总是低估未来十年将要发生的变革”。这句话对于石墨烯行业来讲太贴切,我们不能只关心未来一两年能干成啥,第三年都不关心,明知道十年后这是个大东西,也不关心。中国石墨烯产业需要真正的工匠精神——精益求精、追求极致、不屈不挠。倘若我们的高技术、高科技产业缺这种精神,就很难有“百年老店”。

BGI:制备决定未来
从2008年开始,我们团队在北京大学进入石墨烯领域,到目前已经做了11年。大学的局限性,在于人才种类少。所以我们搭建各种产学研协同创新平台,成立北京石墨烯研究院(BGI)。

BGI是高科技领域机制体制创新的试验田,是一个新型研发机构,其创办理念是“双轮驱动”。BGI依托大学科研院所将政府和社会资本有机融合,共同发力,实现“双轮驱动”,具体是指用北京市政府的拨款进行面向未来的技术研发,同时通过“研发代工”模式确保市场牵引和可持续发展。BGI针对特定企业的研发需求成立专用的“研发代工”中心,开展“一对一”的异地研发服务。BGI 和企业之间通过全过程的利益捆绑、长期稳定的服务及企业的高技术研发,共同打造品牌产品,实现从基础研究到产业化落地的无缝衔接。值得注意的是,BGI和企业之间的合作关系是长期的,该种合作模式不仅可以使BGI研究团队不断成长,同时也可保证企业品牌的升级迭代。2018年,BGI成立五个“研发代工”中心,到目前为止已有十几个“研发代工”中心。当前,国防领域已经决定把石墨烯作为未来武器更新换代的支撑材料,而“研发代工”模式会有效调动广大科技工作者的积极性,使其更有成就感和获得感,克服当前“唯文章”论,“唯影响因子”论的心态,积极有效地投入到研发创新中,推动石墨烯产业发展。

我经常讲,“制备决定未来”。对石墨烯来讲,未来产业有没有前景,取决于材料好不好用。现实的材料还不足以支撑起未来的石墨烯产业,石墨烯制备性能也不稳定,制备装备有非常大的改造空间。

未来石墨烯产业的三个蓝图
从产能上看,全世界有三大石墨烯材料:氧化石墨烯材料、粉体石墨烯材料和薄膜石墨烯材料。我们统计了2013、2015和2017年的数据,产能最大的都是中国,其他国家加起来都没有中国多。但如上所说,产业还没出来,产能已然过剩,这主要是由于政府和企业同时引导、缺少统筹规划造成的。

石墨烯产业的基础是材料,标号石墨烯是未来产业发展之路。石墨烯生长是一个非常复杂的过程。石墨烯往大了做不难,难的是生长的质量。我们团队做了十年研究,早期生成的单晶畴区尺寸仅有10微米大小,现在可以做到芯片级大小甚至更大。

在装备方面,我们团队下了很大力气。过去一段时间,国内很多企业并不重视装备研发,有钱就购入最好的。但一些工业级的装备无法通过购买获得,就只能进行仿造。BGI团队从一开始就非常重视装备,有专门的小组研发装备。现阶段我们研发的装备年产量达20000m2,属于中等规模。我们生产的产品单晶畴区尺寸为10~20微米,售价为每平米350人民币,而国外产品每平方厘米100美元。最近,我们团队又实现了一个非常大的突破,采用自研仪器可实现A3纸张尺寸的材料逐张生长,单晶畴区的尺寸从常规的10~20μm增至500μm以上,但是价格也贵很多。在室温下,国际上主流石墨烯产品的载流子迁移率能达到5000cm2/(V·s),我们的产品能做到50000 cm2/(V·s)。在1.7K的低温下,我们的产品可达到1080000cm2/(V·s)。这是世界上最高水平的石墨烯。

直到现在,石墨烯还没有找到“杀手锏”级应用,但我相信,未来的石墨烯产业,一定是建立在材料“杀手锏”级应用之上的,不能只作为“万金油”式的添加剂。

对未来石墨烯产业的描述可分为以下三个蓝图:(1)碳纤维模式,碳纤维目前虽无法广泛应用于各领域,但其在航空航天、国防领域已经是不可或缺的存在,石墨烯未来也有望和碳纤维一样,成功应用于航空航天等领域;(2)塑料模式,1909年人类发明塑料,110年后的今天塑料广泛应用于人类生活中,石墨烯也有这样的可能性;(3)硅材料,该种材料带动信息时代的发展,没有硅就没有计算机、手机,本质上石墨烯性能优于硅,未来有望应用于计算机等领域。以上三个蓝图不论哪个都值得重视。

对中国石墨烯产业的建议
发展石墨烯新材料产业没有捷径可走,需要不屈不挠的坚持和敢为人先的气魄。对发展中国石墨烯产业,我有几点建议:

一是制备决定未来,希望通过政策的引导能够培育几个专业从事高品质石墨烯材料制备及其规模化生产装备的高科技企业,使其稳扎稳打进行石墨烯研究,从源头上解决未来石墨烯“卡脖子”问题。

二是明确政府和市场的角色分工,石墨烯材料的初级产品开发交给市场就可以,政府需要集中投入支持几个优势研发机构,使其更好地进行未来核心技术研发。

三是由政府牵头在北京、上海等科技研发实力雄厚中心城市建设若干个产学研协同创新平台,通过“研发代工”模式整合已有的石墨烯基础研究、技术研发和企业资源,从根本上解决石墨烯领域科技、经济“两张皮”问题。这是一种全新的产学研结合模式,不仅只适用于石墨烯领域,还可以形成示范效应,应用于其他领域。

四是加强政策引导,推进行业互动,吸引有实力的大企业深度参与,提升石墨烯相关企业的可持续发展能力。这里指的是,大企业可以拿出一些不影响其发展的力量,去培育面向未来的技术,如石墨烯相关技术。

五是强化行业规范和标准制定,整顿重复建设和“大炼钢铁”现象,解决行业的低水平竞争和鱼龙混杂现象。同时制定石墨烯产业的长远发展规划,从政策上推动社会资本积极参与,加大实质性投入力度,真正体现国家意志。

 

国际技术经济研究所(IITE)成立于1985年11月,是隶属国务院发展研究中心的非营利性研究机构,主要职能是研究我国经济、科技社会发展中重大政策性、战略性、前瞻性问题,跟踪和分析世界科技、经济发展态势,为中央和有关部委提供决策咨询服务。

刘忠范:北京大学博士生导师,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,长江学者特聘教授,“万人计划”杰出人才,英国皇家化学会会士,英国物理学会会士。本文为2019年12月17日刘忠范院士在国际技术经济研究所“院士大讲堂”报告发言编辑整理而成。

 

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