【前沿展望】石墨烯前景展望与产业化难度分析
来源： 前瞻产业研究院
导读： 基于石墨烯的超强替代性能，各国都在不遗余力推动石墨烯产业化发展，我国也不例外。同时，受多种因素干扰，石墨烯产业发展前景值得期待，但其产业化难度极高，亟待改善。
近日，韩国研究团队研发出能快速充放电且运用1万次以上也不会出现容量损失的锂离子电池阴极材料。据介绍，石墨烯作为上述材料的重要“成员”，能助力电池快速充电。比如一块采用了上述材料的锂电池，充电20秒，即可达到智能手机的电池容量，效率可谓惊人。
这是神奇材料石墨烯取代原有材料发挥高效性能的典型案例。基于石墨烯的超强替代性能，各国都在不遗余力推动石墨烯产业化发展，我国也不例外。同时，受多种因素干扰，石墨烯产业发展前景值得期待，但其产业化难度极高，亟待改善。
政策利好 国内石墨烯发展初见规模
近年，我国政策频繁利好石墨烯领域。
2012年工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，首次明确提出支持石墨烯新材料发展;
2014 年11月，我国发布的《关键材料升级换代工程》提出到2016 年实现石墨烯的批量稳定生产和规模化应用;
2015年，《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》、《《中国制造2025》重点领域技术路线图》等发布，对石墨烯产业化提出了发展目标与具体要求;
2016年恰逢“十三五”开局之年，业界预测石墨烯进入《新材料产业“十三五”重点产品目录》应无悬念。
受益于政策红包，我国石墨烯发展初见成效，主要体现在技术和产业规模上。
技术研究方面，2011年，国内与石墨烯有关的论文为278篇，2012年为494篇，2013年为718篇，2014年上升至914篇，2015年为1239篇;技术专利上。目前我国在国际上已经申请2200多项石墨烯专利技术，约为全球石墨烯专利技术的三分之一。
产业规模上，我国形成了以江苏省（常州、无锡、南京等地）为中心，宁波、青岛、重庆、德阳、河北、北京等地活跃分散发展的格局。产业链中，下游公司居多。目前，我国石墨烯产业已经有超过50 家的制备及相关应用开发企业，目前市场竞争也主要集中在石墨烯规模化制备技术以及与下游商业化应用对接两方面。
产业化困境：工艺水平与利润作祟
目前，全球范围内还没有一家企业实现真正石墨烯及其衍生品的产业化，国内企业中除了两家企业实现了应用于LED行业的石墨烯产品的小规模生产外，其余研究机构及企业均只能小批量生产，产品也主要用于研究机构的研究。
国内石墨烯产业处于初级发展阶段，工艺水平不高、企业难以获利是阻碍石墨烯产业化发展的两大因素。
工艺上来看，如何批量化地制备大面积、稳定性好、高质量的石墨烯是难点之一，目前整个行业仍处于产品研发阶段，只有少数企业能够大规模制备高质量石墨烯，行业层面的不良率影响了下游的应用推广。
利润方面，石墨烯获取成本仍旧高企，而应用市场尚未完全打开，这使得石墨烯公司难以稳定获取利润，自然规模不显（见下图）。未来这些企业需要整合好上下游产业链，降低成本并提高销售。
国内石墨烯相关企业获利困难（单位：百万）
三招发力 石墨烯产业千亿元规模可期
根据《《中国制造2025》重点领域技术路线图》的要求，2020年石墨烯需要形成百亿产业规模，2025年整体产业规模突破千亿，为实现这一发展目标，我国石墨烯产业应该在以下方面取得突破：
其一，提高技术，让石墨烯材料能够应用在更多的下游产品和领域中。未来，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件，光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。
其二，主攻消费类电子产品。石墨烯制备水平和应用技术水平的发展是相辅相成的，以目前的发展水平看，电子元件领域的应用对石墨烯的质量和技术要求最高，也最难以实现，我们预计其应用在10年左右;石墨烯在消费电子类的应用主要需克服制备技术的难关，这也是目前石墨烯研究中最热点的方向。
其三，积极与国外机构合作，或并购海外优秀的石墨烯公司，这将是我国石墨烯产业提高技术，扩大规模的“捷径”。
石墨烯产业化现状和未来趋势
来源：新材料产业，作者：姚磊
近几年，石墨烯学术和产业界的许多专家学者已经针对石墨烯卓越的特性及广阔的应用前景，进行了细致、精彩的研究和解读。在此，笔者仅就北京碳世纪科技有限公司（以下简称“碳世纪”）在石墨烯产业化进程中遇到的机会和挑战进行分析。碳世纪主要采用化学法制备石墨烯，笔者本文所谈对石墨烯的认识和理解，也是基本化学法制备的石墨烯而言。另外，笔者在此声明，碳世纪有其特殊性，所遇到的问题不一定具备普遍性。
一、对石墨烯产业化的认识
1.现阶段石墨烯产业化需要的人才
从石墨烯在2004年被发现到现在，科学界和产业界对这一新材料的研究已有近10年时间，但石墨烯产业真正的爆发是在近几年，特别是2010年石墨烯发明者获得诺贝尔奖以后。目前，在石墨烯领域还有大量有关性质的研究工作需要突破，但同时也有大量应用研究成果随之而出，初步具备了产业化的可能性。
现阶段，在技术研发方面需要一批具备“科学家的头脑、工程师的双手”、既对石墨烯的性质有着深刻认识，又对下游应用产品有着良好感觉的人来完成开创期最关键、最艰难的前几步。
与此同时，产业还需要一些其他人员为技术团队配合工作。目前，石墨烯企业还没有发展到靠优厚的薪资来吸引高素质管理人才加盟的程度。此时，石墨烯行业的非技术团队更需要一群乐观、对未来充满希望、不安于现状、愿意为明天赌一把的人来支撑。
2.石墨烯的界定问题
石墨烯毕竟是微观世界中的纳米材料。目前，业界还没有一个统一的标准来界定什么是“石墨烯”。而且，估计在很长一段时期内这样的标准也很难出台。科研领域，讲究的是严谨和准确；产业领域，讲究的是效率和结果。
如何抚平科学和技术之间的鸿沟？现阶段，不必过多争论什么是石墨烯。当下的重点工作是在保证能大规模制备出高质量石墨烯的前提下，将精力更多地倾向于应用开发。石墨烯具备能够很好促进其他材料提升性能的纳米结构，可以在不破坏材料原有基础性能的前提下，极大程度提升该材料某些特殊性能。这一过程，主要是通过对石墨烯和其他材料复合的方式及对石墨烯片径的控制来实现。
“要做有用的石墨烯，而不是纯粹的石墨烯。”化学法制备的石墨烯具备上述特质。
3.石墨烯产业化过程中遇到的问题
碳世纪目前已经有3款石墨烯应用产品走出实验室，开始进入示范生产阶段。这3款产品分别是石墨烯改性超级电容器用储能活性碳、石墨烯改性高密度聚乙烯（HDPE），以及一款目前还属保密阶段的产品。现仅就石墨烯改性超级电容器用活性碳为例，谈谈碳世纪对石墨烯应用的认识和在产业化过程中遇到的问题。
活性炭是超级电容器电级材料的主要材料。目前，应用在储能方面的活性炭主要原料为椰壳和石油，这2种类型的活性炭基本都被国外厂家垄断。碳世纪通过石墨烯改性，实现了以前不能够用做储能的国产活性炭，达到储能级的产品要求，并且在性能和稳定性上有质的飞跃。该产品将具备极强的市场竞争力，也能很大程度上帮助国内碳企业。据预计，此产品也有可能成为世界上第一个石墨烯的工业化应用。
该应用从无到有，已经耗时3年多，现在技术上的困难基本已经克服，但现在遇到了更多超越技术因素之外的制约因素。下面主要分析遇到的问题和对这些问题的思考。
（1）学术界、资本界的热与产业界的冷
目前，全国几乎所有理工科高校都有石墨烯相关课题组，有的学校甚至还不止一个。但学校老师们，更关注的问题是如何发文章。资本界也是热火朝天，但接地气的投入可谓寥寥无几。产业界的态度是“不见兔子不撒鹰”的观望态度。石墨烯产业的现状可以形象直观地表述为，一边是大量停留在科学家的头脑里或纸面文章里的想法，一边是工厂工程师直接伸手要现成产品的诉求。
这种科研和产业结合的不紧密，不仅仅是国内存在的问题，也是世界性问题，但国内表现的更为突出。
从科学家的想法变成一个现成的产品，需要经过5个过程，其作用分别表述如下：①实验室阶段。主要负责思想上的突破，证明方法的可行性，由技术员和科学家操作。②实验工厂阶段。用接近实验室的手段和工具，用人工操作的方式证明思想的可行性，并实现工业方案。③示范生产线。用接近工业生产的手段验证工业方案。④示范工厂。完全工业化设备，验证预算和成本。⑤工厂。真正满足市场的生产。这5个过程缺一不可。
在国内，要想真正能见到效益并且被社会接受，可能就得从实验室一口气干到工厂，其中难度可想而知，如果简单应用改进尚可，但是石墨烯这种接近科学前沿的应用，能够成功的人必须得是集科学家、工程师、企业家于一体。这个要求几近苛刻，社会上基本不存在这样的人才和团队。
这一问题在国内短时间内没有好的解决办法。石墨烯做为材料领域的产品，对投资者的技术背景要求更高，要想真看明白，可能要比互联网还要难。长期来看，解决此问题需要依靠提高社会整体的认知水平；完善产权交易的不同层次市场；培养出真正有鉴别能力的投资者，以及一批具备技术原创性且能够因为知识而获利的企业，以及打造原创的科技技术在不同阶段都有获利或融资的平台；降低技术型创业企业的风险，不至于让科技型创业企业只有华山一条路。
（2）政府招商的热与落地配套政策的冷
目前很多地方政府，对石墨烯项目都趋之若鹜。首先要肯定这些地方政府长远的眼光、敢为天下先的勇气。目前来看，在国内真正能起到天使投资作用的，可能就是各个地方政府，这也是由我国的国情所决定。在石墨烯项目的招商上，地方政府不可谓不诚恳，出手不可谓不大方。但是，石墨烯产业存在的很多问题是系统性问题，仅仅靠资金和创业团自身依然不能得到解决。
目前，石墨烯产业主要遇到的问题是环评、安全生产资质、废料处理等方面没有配套政策跟进。化学法是目前最有可能实现大规模工业化生产石墨烯的方法之一。目前对石墨烯敞开怀抱的城市大多是对环保要求极高的城市，所以环保问题是必须要解决的问题。举一例，石墨烯生产所产生的废酸比化工生产中产生的废酸干净，可是废酸处理依然是困难重重。由于废酸收集企业对制备石墨烯产生的废酸特点不熟悉，这种废酸的收集工序复杂，所以，企业自然不愿意做，高昂的废酸处理成本全由石墨烯企业承担。
（3）实验室设备和工业化设备的衔接缺陷
从实验室到工厂是放大、放大、再放大的过程。过渡越有序，过程就会越平稳。国内小型实验型生产机器极为缺乏，导致实验成本居高不小。特别是在高分子材料领域，动辄投料就在100kg左右；超级电容器领域对材料的需求也是相当的大。材料收集是一个漫长的过程，这种情况严重影响到整体的效率。此外，设备置办成本也是一般创业型企业所无法承受之重。
二、对石墨烯产业化的展望
石墨烯，特别是化学法制备的石墨烯，具备广泛的应用前景。在碳世纪来看，石墨烯第一个获得突破的应用领域将是超级电容器电极材料。能够彻底带动石墨烯需求，并使得石墨烯真正得到工业化大生产规模的应用还是石墨烯和高分子材料复合新材料的应用。届时石墨烯不再像现在如此高不可及，而将会成为一种常见的高端工业原材料。石墨烯在高分子材料领域的应用，一定要具备其他材料满足不了的特性，避免进入与共性产品拼价格的窘境。
三、结语
无论是从石墨烯自身的前景看，还是从国家目前的产业转型看，石墨烯作为最有代表性的碳材料，一定能在新材料领域掀起一股不亚于当年互联网在IT产业领域里掀起的波澜壮阔的变革大潮。
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