三部委联合支持石墨烯产业 但技术还在实验室里出不来

这一获得了中国国家主席习近平的关注和重视的“明星材料”,将被写进新材料“十三五规划”,到2020年,石墨烯产业规模有望突破百亿元。

被誉为“万能材料”又饱受争议的石墨烯,近来在资本市场的热度持续高涨,如今又获得了中国政府支持。

11月30日,工信部、发改委和科技部联合发文,对加快石墨烯产业创新发展提出了若干指导意见。意见指出,当前石墨烯材料正处于从实验室走向产业化的关键时期,要突破石墨烯材料规模化制备共性关键技术,加强知识产权体系建设,搭建产业发展服务平台,推进首批次产业化应用示范,推进拓展应用领域,把石墨烯产业打造成中国的先导产业。

石墨烯是由单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料,理论厚度仅为0.34纳米,具有优良的导热性能、力学性能、较高的电子迁移率、较高的比表面积和量子霍尔效应等性质,在能源装备、交通运输、航空航天、海工装备、生物医药、环保等领域具有巨大的应用潜力,被称为“21世纪最有前途的新材料”。

前景很丰满,现实却很骨感。石墨烯材料目前的生产技术成熟度不高,批量化生产和应用并未实现,并存在技术转化能力弱、工装控制精度低、质量性能波动大、生产成本比较高、标准化建设滞后、商业应用领域窄等多个难题。

人们最初获得石墨烯,是2004年由英国曼彻斯特大学的两名教授,用特殊胶带反复剥离的“土方法”,从石墨薄片中提取出了石墨烯。而在此前,石墨烯一直被认为是假设性结构。这一发现获得了2010年诺贝尔物理学奖,人们对石墨烯的追逐也由此开始。

迄今为止,学界虽已摸索出外延生长、氧化还原、化学气相沉积(CVD)、溶剂剥离等多种制备石墨烯的工艺,却在质量、成本、产率等方面各有优劣,尚未有一种工艺能够真正适用于大规模工业化生产。

业内主流的石墨烯制备方式是氧化还原。这一方式是将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨,经过超声分散制备成氧化石墨烯,然后加入还原剂去除氧化石墨烯表面的含氧基团后得到石墨烯。

这一方式成本较低,但是所产废液对环境污染较大。更重要的是,所制备的石墨烯一般是多层石墨烯或石墨微晶,而非严格意义上的石墨烯,因此在性能上大打折扣。目前市场上的“石墨烯”绝大部分是氧化石墨烯。

受制于技术瓶颈,石墨烯产业依然处于婴儿期,却并不妨碍资本市场发挥想象。近期,石墨烯概念板块已经迎来多次大涨。三部委联合发文当天,该板块亦大幅上涨6.24%。目前,中国的石墨烯企业已超过100家。据界面新闻记者统计,A股至少有25家上市公司涉足石墨烯概念。

“目前大家都处于发展初期,还没有出现优势特别突出的龙头企业”,中国石墨烯联盟秘书长李义春称,华丽家族(600503.SH)在石墨烯领域是国内投资规模最大的,投资对象包括宁波墨西和重庆墨希,这两家公司在石墨烯领域有一定技术实力,“但能否形成产业龙头,还需要观察。”

国内已有数家企业在市场上推出了“石墨烯产品”。新三板上市公司圣泉集团(NEEQ:830881)生产的石墨烯袜子和内衣,售价远高于常规产品,一条内裤的价格接近300元,一条石墨烯腰带的价格需近600元,而发热服则卖到1700元左右。

该公司称,他们在产品中添加了生物质石墨烯“内暖”纤维,这是一种全新的智能多功能复合纤维,“具有激活免疫细胞、防护紫外线、改善微循环、抗菌抑菌、增温增阳等特性,还可以除臭”。但依然有网友不买账,“石墨烯这么有前途的东西用来做袜子,不是炒作就是来搞笑的。”

“石墨烯电池”是另一个被质疑为炒作的石墨烯产品。山东玉皇化工集团有限公司的全资子公司,山东玉皇新能源科技有限公司(下称玉皇新能源)表示已推出了三元和铁锂两类“石墨烯动力电池”。

该公司副总经理高洪森告诉界面新闻记者,他们在电池中添加了少量石墨烯,在充放电速度方面有提升,能量密度并未增加。这意味着,这类“石墨烯电池”仅能实现快速充电,却并不能延长续航里程。

国内通信设备制造商华为亦被指炒作“石墨烯电池”概念。11月26日下午两点,华为在上海世博中心发布手机新品Mate8。发布会前,华为通过微博传出消息称,此番华为新品的一大亮点是采用了全新的石墨烯电池。此前华为已在日本展示此项运用石墨烯电池特性的快充技术,5分钟即可将3000mAh电池电量充至48%。但事后证明,华为Mate8并未使用石墨烯材料。

在动力电池领域已有多年研究的清华大学博士刘冠伟对界面新闻记者说,“其实并不存在所谓的‘石墨烯电池’。”他介绍,石墨烯在锂离子电池中的应用,可能的方向一是作为导电剂,二是作为电极嵌锂材料。在这两点上,石墨烯都是在和传统的导电炭黑或石墨竞争。

“严格意义来说,我们讨论的并不是‘石墨烯电池’,而是石墨烯用在锂离子电池中有没有前途。”刘冠伟说。

在成本上,眼下的石墨烯还不具备实力替代炭或石墨。申万宏源新材料分析师刘平称,石墨烯粉体的价格在100万元/吨-300万元/吨左右,石墨烯薄膜的价格在300元/平米左右,而传统炭和石墨的每吨价格在几万到十几万元不等。

“当前工艺制备出来的石墨烯往往都是多层,需要分散,如果分散不好,一切都是空中楼阁,”刘冠伟说,国内的“石墨烯产品”还停留在实验室阶段,而实验室结果的可重复性差,产量低,对应成本过高。“很多实验室成果在未来10-20年都完全没有实用化的可能。”他说。

中国石墨烯产业技术创新战略联盟在今年10月发布的《2015全球石墨烯产业研究报告》显示,到2012年底,中国研究石墨烯的论文发表数目高居全球之首,近3年专利数量亦跻身首位。不少人以此认定,中国已经走在了全球石墨烯产业的最前沿。

2010年诺奖获得者、石墨烯发现者之一安德烈·盖姆(Andre Geim)则不以为然。他认为,这些已发表的石墨烯论文中,一半以上会被废弃。而产自大学的石墨烯专利,九成以上没有任何价值。

清华大学材料学院微纳力学中心教授朱宏伟表示,“国内的石墨烯应用有些就是在炒概念,真正做石墨烯的企业没有几家,很多都是原来做石墨等碳材料的企业、甚至完全不相关的企业打着石墨烯的旗号炒作股票,或者争取国家基金。”

朱宏伟认为,一些石墨烯的应用是碳材料就可完成的,并不是“非石墨烯不可”,因此优势并不明显。

青岛华高墨烯科技股份有限公司首席执行官钟成称,国内真正做石墨烯的企业不超过40家,真正赚钱的更屈指可数,其他都还在烧钱阶段。

看好石墨烯产业前景的亦大有人在。“我很乐观,我认为石墨烯很快就会普及。”台湾志阳科技股份有限公司董事长宫非表示,石墨烯会从复材、导电、导热、润滑及涂料等门坎较低的技术首先实现产业化,接下来是纳米纤维、滤膜、复合金属、能源、感测、吸附及催化材料,最后是碳纤维、生医、半导体及光电器件。

宫非表示,已经有多个项目在一些石墨烯产业园落地,但尚不足以取代现有产品的高性价比石墨烯产品。

随着国家层面的积极主推,石墨烯研发和产业化进程有望加快。石墨烯被写进新材料“十三五规划”也已成定局。这一“明星材料”还获得了中国国家主席习近平的关注和重视。工信部原材料司司长周长益日前在2015石墨烯创新大会上透露,到2020年,石墨烯产业规模有望突破百亿元。

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