中國儲能網(wǎng)訊：知情人士向筆者透露，隨著石墨烯技術(shù)與應(yīng)用的推進(jìn)，在此前863項目扶持的基礎(chǔ)上，相關(guān)部門正在考慮對石墨烯材料和應(yīng)用加碼扶持，其中工信部等相關(guān)部門正在考慮統(tǒng)籌研究石墨烯材料，而石墨烯材料也有望進(jìn)入新材料“十三五”規(guī)劃。
此前在編制新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃時，石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景并不明朗，因此沒有把石墨烯作為重點。隨著技術(shù)的推進(jìn)，業(yè)內(nèi)已經(jīng)達(dá)成初步共識，石墨烯材料與產(chǎn)業(yè)化革命已經(jīng)處于突破的前夜。
北京碳世紀(jì)科技有限公司相關(guān)人士對筆者表示，不能對石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程過于“苛刻”?！笆┑墓I(yè)化生產(chǎn)手段雖然已經(jīng)找到，但還在進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的前期準(zhǔn)備，并未實現(xiàn)真正意義上產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨較長周期?！?
在產(chǎn)業(yè)化方面，碳世紀(jì)公司相關(guān)專家認(rèn)為超級電容器和柔性透明電極材料將是石墨烯應(yīng)用較快的兩大領(lǐng)域。而隨著工信部、科技部等部委相關(guān)扶持政策的落地，石墨烯產(chǎn)業(yè)化的腳步也有望提速。
鋰電池迎來“碳”時代：石墨烯效力驚人
沒有震耳欲聾機器沖壓鋼板的聲音，也沒有火花四濺的汽車焊裝線，與常見的汽車裝配工廠完全不同，在德國一家知名汽車企業(yè)在萊比錫的電動汽車制造工廠，記者見到的是另一番景象。
這里生產(chǎn)的電動汽車，采用鋁合金做底盤、碳纖維做車身、塑料注塑件做蒙皮，沒有傳統(tǒng)的電焊工藝，車身是用特制的膠水粘起來的。這是一個沒有沖壓車間和焊接車間，完全采用新材料、新技術(shù)、新工藝生產(chǎn)新能源汽車的工廠。沒有噪聲的車間作為這家德國豪華車企的第一款純電動汽車，其裝配了一組22千瓦時的鋰離子電池和一臺電動機，最大功率170馬力，峰值扭矩250牛米。其最高車速可達(dá)150公里/小時，續(xù)航里程在150公里左右。這款電動車使用家用220V電源充電，8小時可充滿。而利用專用充電裝置下充電只需1個小時。與一些電動車采取與傳統(tǒng)能源車相同的制造工藝不同，這款車采用了大量新材料，其中最具看點的是用碳纖維材料制作的車身——其重量僅為鐵的四分之一，強度卻是鐵的10倍。通常情況下，車身自重約消耗70％的燃油，因此降低汽車油耗的首要問題就是減輕汽車自重。日本的碳纖維制造協(xié)會曾經(jīng)做過一個關(guān)于碳纖維生命周期的測試，采用碳纖維加固的汽車因減輕了自身重量，不僅燃料應(yīng)用效率極大提高，而且間接地降低二氧化碳排放。同時，還能提升電池的續(xù)航能力并降低電力消耗。這種碳纖維增強復(fù)合材料，由該汽車公司和德國西格里公司聯(lián)合開發(fā)，以基于聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料，在一定的壓力和溫度下，轉(zhuǎn)化成極為細(xì)長的碳纖維絲線，最后再經(jīng)過相應(yīng)的氧化和碳化處理，形成碳纖維車身材料。
記者在萊比錫工廠車間里看到，車身的各個碳纖維部件單獨成型后，再用特制的膠水粘貼起來。機器人在嫻熟地涂抹膠水、自動更換涂膠水的海綿頭——沒有噪音、沒有火花。裝配車身使用的膠水也是特制的，可以快速硬化，僅僅用幾秒鐘就可以把兩個部件牢牢地粘合在一起。而這種膠水的配方至今還是機密。采用碳纖維車身和塑料蒙皮的這款純電動車安全性如何？萊比錫工廠方面介紹說，經(jīng)過測試，其安全性能絲毫不遜色于傳統(tǒng)能源汽車，而且在行人保護(hù)方面更有意想不到的效果。未來豪華電動車的標(biāo)配據(jù)日本東麗經(jīng)營研究所統(tǒng)計數(shù)據(jù)，碳纖維的全球市場需求在2011年約為4萬噸，其中用于汽車的碳纖維為2000噸左右。而這一數(shù)字自2015年左右起將不斷擴大，到2020年將達(dá)到數(shù)萬噸。德國西格里公司是世界上最大的碳和石墨產(chǎn)品生產(chǎn)商，在汽車零部件供應(yīng)領(lǐng)域具有重要的戰(zhàn)略地位，該公司在美國西雅圖擁有一家生產(chǎn)碳化纖維的合資公司。
2011年11月，寶馬汽車宣布購入西格里15.16%的股份，在之后不到一個月的時間內(nèi)，寶馬又再度增持西格里15.7%的股份。2012年，寶馬宣布聯(lián)手美國波音航空公司共同開發(fā)碳纖維技術(shù)，分別用于各自的汽車和航空制造行業(yè)。2013年，美國《商業(yè)周刊》報道稱，寶馬在美國華盛頓州再度投資1億美元用于生產(chǎn)該公司電動車的碳纖維材料。在亞洲，日本東麗、豐田和東京大學(xué)等已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)全面采用重量輕、強度高的碳纖維汽車，推進(jìn)加工技術(shù)等的研究。預(yù)計最早到2020年，重量減輕6成、安全性更高的新能源汽車將全面投入實際應(yīng)用。據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》報道，向波音787客機提供碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的日本東麗集團(tuán)，于2012年斥資近700億日元，收購了世界碳纖維排名第三的美國卓爾泰克公司，東麗藉此一躍成為全球最大的碳纖維供應(yīng)商，將產(chǎn)品的全球份額提高到30%。目前，碳纖維的最大缺點是價格相對昂貴，是鋼鐵價格的數(shù)倍到數(shù)十倍，因此普及率低。東麗并購卓爾泰克，旨在開拓廉價碳纖維領(lǐng)域。在東麗的帶領(lǐng)下，全球第二大碳纖維廠商日本帝人和第四大廠商日本三菱麗陽，也已經(jīng)開始擴大產(chǎn)能。業(yè)內(nèi)人士分析指出，碳纖維復(fù)合材料在汽車中應(yīng)用的前景可期，特別是在豪華車和超豪華車的細(xì)分市場。碳系，“后摩爾時代”的接班者碳纖維只是碳系家族的一個成員，石墨烯也是碳系家族的一員。將石墨烯運用于鋰離子電池，充滿一次手機電池大概只需要5秒鐘；特斯拉純電動汽車，充一次電只需5分鐘左右。而由石墨烯片層卷曲形成的碳納米管，也是制造電動車電池的新材料之一。斯坦福的研究人員便成功實現(xiàn)了這一點，他們設(shè)計出新的納米結(jié)構(gòu)，可以極大地增加可充電的次數(shù)，足以滿足很多商業(yè)應(yīng)用。而沃爾沃汽車已成功研發(fā)出采用新蓄電材料的原型車。這種蓄電材料是由多層的碳纖維以及樹脂聚合物構(gòu)成，每一夾層中又有納米結(jié)構(gòu)的電池以及電容。用超級電容器板替代發(fā)動機蓋和扭力桿的組合，沃爾沃的工程師就能夠替換掉為車載電子供電的12伏電池，同時把重量減半。
碳的概念有多少吸引力？去年發(fā)生在英國的一種現(xiàn)象或許可以佐證。當(dāng)時，英國金融監(jiān)管機構(gòu)曾發(fā)布警告稱，“可疑”的公司盯上了消費者，向他們兜售投資石墨烯的機會。在這一現(xiàn)象的背后，是石墨烯吸引了市場的炒作。事實上，石墨烯自被發(fā)現(xiàn)以來，迅速成為全球各國政府、科研機構(gòu)和跨國企業(yè)竟相投入巨資開發(fā)的超級材料。歐盟委員會將石墨烯列為僅有的兩個“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一，提供10億歐元用于資助石墨烯材料研究。
中國在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出積極開發(fā)石墨烯材料。海外媒體觀察指出，各國對于碳材料的關(guān)注立足點各不相同。美國致力于碳納米管的研究，而歐洲專注于石墨稀的實用化，中國則在碳納米管和石墨稀兩方面推進(jìn)研發(fā)和實用化。在碳材料的納米技術(shù)方面，中國處于全球領(lǐng)先地位。有調(diào)查表明，擁有石墨稀相關(guān)專利數(shù)量最多的是中國，其次是美國和韓國。碳系的黃金時代已經(jīng)到來，上個世紀(jì)，戈登·摩爾大膽預(yù)言了硅的盛行，如今硅材料漸漸顯示出短板，碳開始成為“后摩爾時代”的接班者之一，成為各方資本和產(chǎn)業(yè)巨頭追逐的對象。而未來的汽車，將可能不再是鋼鐵造了。
各方發(fā)力石墨烯革命正在發(fā)生
石墨烯，這個在人們眼中比較生僻的名詞最近因為一條新聞“走紅”。新聞報道稱，鑒于石墨烯所蘊含的無限應(yīng)用潛力，三星、蘋果和谷歌公司開始積累各種與石墨烯有關(guān)的專利，未來的競爭之戰(zhàn)已在實驗室打響。
三大巨頭公司的未雨綢繆不無道理。作為目前已知的世上最薄、最堅硬、導(dǎo)電性最好而且擁有強大靈活性的納米材料，石墨烯成為制造靈活顯示屏、可穿戴設(shè)備以及其它下一代電子設(shè)備的理想材料，未來在觸摸屏、傳感器、蓄電池等領(lǐng)域的應(yīng)用充滿了想象。
比如，通過它制造出可彎曲的智能手表、可折疊成智能手機的平板電腦、15分鐘便充好電且續(xù)航能力達(dá)500公里的電動車蓄電池，等等。
“一場材料領(lǐng)域的‘革命’正在發(fā)生?！弊蛱焐衔?，石墨烯的發(fā)現(xiàn)者和諾貝爾獎獲得者AndreGeim教授在深圳向記者表示，預(yù)計三五年之內(nèi)，石墨烯會有一個驚奇的應(yīng)用。
“石墨烯時代”離我們還有多遠(yuǎn)？石墨烯對目前的產(chǎn)品有哪些顛覆性的改變？石墨烯與深圳的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度如何？深圳對它的研究和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀如何？在“2014石墨烯高峰論壇”上，記者就此進(jìn)行了采訪。
應(yīng)用空間無限大
三星蘋果谷歌已著手“儲備”專利
AndreGeim教授在論壇上介紹，石墨烯是最薄、比表面積最大、最強、最硬、熱導(dǎo)率最高、室溫下平均自由程最長、載流子遷移率最高的二維納米材料，具有獨特的隧道效應(yīng)、光學(xué)性質(zhì)、滲透性質(zhì)等特性。石墨烯材料可以廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超級電容器、太陽能電池、生物質(zhì)材料、傳感器、超高頻電子及光電子設(shè)備、藥物載體，同時可以用作觸摸屏、保護(hù)膜、選擇性過濾滲透膜等。
媒體日前發(fā)表報道稱，石墨烯因為其本身的特質(zhì)，很可能成為未來的神奇材料，并在硬件設(shè)計和制造業(yè)中引起新一輪革命。由于它可以讓設(shè)備變得更薄更柔軟，彭博社認(rèn)為它可能成為蘋果和三星的下一個戰(zhàn)場。
目前蘋果、三星和谷歌貌似已經(jīng)在競爭收購，欲將這種材料用于移動和可穿戴設(shè)備中的相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)都收入囊中。據(jù)預(yù)測，到2016年全球移動設(shè)備銷量將高達(dá)8470億美元，未來五年可穿戴設(shè)備的銷量將高達(dá)190億美元。掌握了石墨烯的開發(fā)技術(shù)就成為公司未來在電子設(shè)備市場發(fā)展的關(guān)鍵。
對未來電動汽車的運用或產(chǎn)生革命性影響
清華大學(xué)深圳研究生院近年來在石墨烯的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展探索方面做出了較大突破。該院院長康飛宇教授向記者介紹，他的研究團(tuán)隊主攻石墨烯在鎳鋅電池體系的應(yīng)用，主要瞄準(zhǔn)動力電池和新能源儲能電池兩個方面。目前實驗已經(jīng)取得很好的結(jié)果，正準(zhǔn)備申請美國、中國的專利技術(shù)。
“我們要研究一種‘綠色電池’，用來取代現(xiàn)在的鉛酸蓄電池?！笨碉w宇說，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池具有污染、壽命短等缺點，新型鎳鋅電池的特點是便宜、耐用、安全、容量高，而且充電時間可以大大縮短，這對未來電動汽車的普及將是革命性的影響，因為15分鐘完成充電、續(xù)航500公里不是不可能的事，完全可以解決目前電動車推廣中遇到的電池這一核心難題。
產(chǎn)業(yè)化還在路上
歐盟投資10億歐元啟動石墨烯旗艦項目
出席論壇的瑞典查爾姆斯理工大學(xué)教授JariKinaret是歐盟石墨烯旗艦項目總協(xié)調(diào)人。他介紹說，2013年，歐委會通過決定，投資10億歐元、期限10年，啟動了歐盟未來新興技術(shù)(FET)石墨烯旗艦項目，旨在把石墨烯和相關(guān)層狀材料從實驗室?guī)肷鐣?，為歐洲諸多產(chǎn)業(yè)帶來一場革命，促進(jìn)經(jīng)濟增長，創(chuàng)造就業(yè)機會。石墨烯旗艦項目由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發(fā)團(tuán)隊組成，其中包括4名諾貝爾獎得主。
兩三年內(nèi)價格將從“黃金價”降到“白菜價”
對于石墨烯的產(chǎn)業(yè)化，康飛宇教授認(rèn)為“還在路上”。近期來講，要重點解決低成本和規(guī)?；a(chǎn)這兩大問題。
康飛宇說，低成本預(yù)計明年便可實現(xiàn)。石墨烯目前的價格貴過黃金，最便宜的也要500元/克，但一年之后，就可以降到50元/克，再過兩年，可能就降到1～5元/克的“白菜價”。在工業(yè)化方面，目前通過天然石墨剝層等技術(shù)，石墨烯的生產(chǎn)已經(jīng)接近量產(chǎn)的水平，未來兩三年內(nèi)，便可大規(guī)模應(yīng)用在電池、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等材料領(lǐng)域，替代現(xiàn)有的材料。
他表示，實驗室關(guān)于這些方面的應(yīng)用已經(jīng)做得很好，正往規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展。從遠(yuǎn)期來講，在觸摸屏、傳感器等器械上的大規(guī)模應(yīng)用還需要三到五年時間，目前這方面的研究仍停留在實驗室階段。
研發(fā)熱潮已顯現(xiàn)
中國國內(nèi)專利申請數(shù)量占全球一半以上
康飛宇教授說，2004年，AndreGeim教授和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)石墨烯，到2010年兩人因此獲得諾貝爾獎，只有6年時間。之后，世界范圍內(nèi)對它的研究、應(yīng)用、投資快速升溫。
歐盟石墨烯旗艦項目總協(xié)調(diào)人JariKinaret教授用“熱火朝天”來形容目前中國人對石墨烯的研發(fā)。據(jù)他了解，世界各國對于專利申請的門檻不一，但單從數(shù)量上講，中國大陸申請石墨烯技術(shù)的專利占到了全球的50%以上。
深圳不妨冷靜做好戰(zhàn)略布局
石墨烯是新興的新材料產(chǎn)業(yè)中重要成員之一，在我市近年來蓬勃發(fā)展的新能源、電子信息、生物材料、導(dǎo)熱材料以及復(fù)合材料領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用空間。石墨烯與我市現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)具有良好的契合度，為相關(guān)企業(yè)的升級換代和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級提供了契機。
康飛宇和他的團(tuán)隊曾對深圳的石墨烯市場做過調(diào)研。調(diào)研顯示，目前深圳有十來家中小企業(yè)正在從事石墨烯的生產(chǎn)應(yīng)用，研究機構(gòu)大概十家。但相比于國內(nèi)無錫和常州等在石墨烯的開發(fā)和應(yīng)用走在前列的幾個城市，我市的石墨烯產(chǎn)業(yè)基本都處于研究階段，沒有形成規(guī)?；?，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。
康飛宇認(rèn)為，這與我市眾多企業(yè)和機構(gòu)對石墨烯的認(rèn)識不足，對下游技術(shù)開發(fā)和市場需求的反應(yīng)較慢具有重要的關(guān)系。
康飛宇希望深圳在石墨烯熱下面要有冷思考。他說，目前全世界對石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化都處在起步階段，真正離市場化還有一段距離，不宜盲目投資。當(dāng)前，首先要把基礎(chǔ)研究做好，再做投資、規(guī)?；a(chǎn)。對于市政府來說，目前首要的任務(wù)并不是“跟風(fēng)”扶持，而是應(yīng)該冷靜地進(jìn)行戰(zhàn)略布局。
他說，市政府要做的是引進(jìn)人才，搭建工程中心和實驗室，做好市場引導(dǎo)，這對企業(yè)都是幫助和支持。
2014中國鋰電池行業(yè)市場預(yù)測
鋰離子電池的市場需求主要來源于消費電子市場和以電動汽車為代表的新興市場。近年來,消費電子產(chǎn)品增長趨于緩慢,鋰電新興市場發(fā)展遠(yuǎn)低于預(yù)期,國際市場競爭環(huán)境進(jìn)一步惡化。
就我國情況來看,2009年之后,受電動汽車概念熱潮影響,我國鋰離子電池投資驟然高漲。供需矛盾的進(jìn)一步激化使得鋰離子電池市場陷入無序發(fā)展的窘境,也造成了我國鋰離子電池行業(yè)“小、散、弱”的局面。
由于我國鋰離子電池出口方面限制因素較多,同時我國也是世界上最大的鋰離子電池消費國,要打破當(dāng)前的被動局面必須充分挖掘本土市場潛力,以市場促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,加快推進(jìn)我國由鋰離子電池大國向鋰離子電池強國的轉(zhuǎn)變。
一直以來,消費電子產(chǎn)品和電動工具是當(dāng)前我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,約占我國鋰離子電池市場的80%。經(jīng)過10多年的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,在鋰離子單體電池生產(chǎn)技術(shù)以及產(chǎn)品性能方面,我國企業(yè)的產(chǎn)品與國際先進(jìn)水平相差不大。要改變目前狀況,一方面可以通過攻克核心技術(shù),進(jìn)一步提高鋰離子電池產(chǎn)品性能以及一致性;另一方面,還可以借助關(guān)鍵材料的本土化,進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本,利用日本消費電子企業(yè)處于低潮的階段,借力國際品牌如蘋果、谷歌、亞馬遜、華碩、聯(lián)想等,積極打入其供應(yīng)鏈,穩(wěn)步擴大傳統(tǒng)市場。
要打開新興市場,首先要提升我國鋰離子電池組的性能并降低價格。僅靠電池生產(chǎn)企業(yè)來完成這一任務(wù)非常困難,需要上游原材料(如正極材料和電解液等)以及下游應(yīng)用(如電池組和電動汽車)的生產(chǎn)企業(yè)通力合作,解決性能難題,完全實現(xiàn)原材料本地化采購。
而要解決電池問題僅靠研發(fā)難以完成,還需要市場的支持。新興市場如何打開,需要在清晰認(rèn)識我國行業(yè)形勢基礎(chǔ)上,立足本土優(yōu)勢,找準(zhǔn)突破口。
第一個突破口是電動公共交通車輛。對于公共交通車輛來說,其行駛路線比較固定,一次行程基本在100公里以下,對于城際公交來說也不會超過200公里,完全在當(dāng)前鋰離子電池的續(xù)航里程之內(nèi)。同時公共交通車輛都有專用停車場以及停車位,稍加改造即可充電。推廣電動公共交通車輛還可以節(jié)能減排,優(yōu)化城市空氣環(huán)境。因此,公交車輛是當(dāng)前我國電動汽車的發(fā)展重點。
第二個突破口是電動自行車。由于快捷、方便等優(yōu)點,電動自行車一問世就受到了廣泛歡迎。我國是全球最大的電動自行車生產(chǎn)國,但目前電動自行車所用電池基本上為鉛酸電池,鋰離子電池占比極低。如果鋰離子電池占比提高至30%,鋰離子電池的需求量將達(dá)到4GWh,相當(dāng)于2012年全球鋰離子動力電池市場總和。
與此同時,要打破當(dāng)前的被動局面,還需要國家在技術(shù)研發(fā)、行業(yè)管理、資源整合等方面給予政策支持。如國家應(yīng)鼓勵優(yōu)秀企業(yè)通過兼并重組、強強聯(lián)合等方式擴大優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模,實現(xiàn)集約化發(fā)展。提倡骨干企業(yè)同上下游企業(yè)展開深入合作,在努力降低成本的同時進(jìn)一步打開應(yīng)用市場,實現(xiàn)多方共贏。此外,應(yīng)引導(dǎo)財政、金融、人才等優(yōu)質(zhì)資源向具有一定規(guī)模、自主創(chuàng)新能力強、具有品牌知名度且信譽良好的骨干企業(yè)傾斜,加快形成產(chǎn)業(yè)核心競爭力。
2014年我國鋰離子電池產(chǎn)量增速將持續(xù)加快,全年產(chǎn)量有望突破54億只。這意味著,在國家相繼出臺的刺激政策推動下,經(jīng)過20多年的發(fā)展,中國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)步入高速發(fā)展期。
（本文綜合中國證券報、環(huán)球網(wǎng)、深圳新聞網(wǎng)、中商情報網(wǎng)報道。）
