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石墨烯行业四大应用领域产业化现状分析

班建伟 2018-10-11 3971 212

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剖析产业发展现状

为区域/园区工作者洞悉行业发展

当前,我国处于制造业由大转强的关键时期,以石墨烯为代表的新材料对加快制造业转型升级、带动相关下游产业进步、抢占新一轮科技革命制高点等有着重要的意义。经过近十年的发展,我国石墨烯行业呈现出欣欣向荣的发展势头,企业数量、产业规模、科研实力、论文专利、产品种类等方面均处于领跑地位。在下游应用拓展方面,石墨烯锂电池导电剂、石墨烯改性防腐涂料、石墨烯电加热产品、石墨烯柔性显示等领域已经开始初步产业化,并形成了一定的产业规模。

  摘要

  当前,我国处于制造业由大转强的关键时期,以石墨烯为代表的新材料对加快制造业转型升级、带动相关下游产业进步、抢占新一轮科技革命制高点等有着重要的意义。经过近十年的发展,我国石墨烯行业呈现出欣欣向荣的发展势头,企业数量、产业规模、科研实力、论文专利、产品种类等方面均处于领跑地位。在下游应用拓展方面,石墨烯锂电池导电剂、石墨烯改性防腐涂料、石墨烯电加热产品、石墨烯柔性显示等领域已经开始初步产业化,并形成了一定的产业规模。

  石墨烯结构

     石墨烯作为世界上第一种被发现可以宏观存在的二维纳米材料,自诞生之日起就吸引了全球科研界和产业界的关注。石墨烯具有超高强度、超薄超韧、导电性高、导热性好等优异的物理化学性质,被誉为“新材料之王”,在新能源、环境保护、复合材料、电子器件、生物医药、航空航天等诸多领域有广阔的应用前景。

  当前,我国处于制造业由大转强的关键时期,以石墨烯为代表的新材料对加快制造业转型升级、带动相关下游产业进步、抢占新一轮科技革命制高点等有着重要的意义。因发现石墨烯而获得诺贝尔奖的英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆曾表示:“中国在石墨烯应用这一领域走在世界前列。

  经过近十年的发展,我国石墨烯行业呈现出欣欣向荣的发展势头,企业数量、企业规模、科研实力、论文专利、产品种类等方面均处于领跑地位。在下游应用拓展方面,石墨烯锂电池导电剂、石墨烯改性防腐涂料、石墨烯电加热产品、石墨烯柔性显示等领域已经开始初步产业化,并形成了一定的产业规模。

     石墨烯锂电池导电剂已实现批量供应

      目前,锂离子电池技术进步的两个主要方向是提高电池容量和延长电池寿命。石墨烯由于具有超薄超韧和超高的导电性,在锂离子电池中大有用武之地。目前,石墨烯应用在锂离子电池领域主要有以下两个方向:1、作为复合电极材料提升锂电池的容量和倍率性能;2、作为正负极材料导电添加剂,降低电池内阻提升导电性。据目前的研究现状,石墨烯直接作为电极材料对锂电池的容量提升作用十分有限,目前最适合商业化的是用在正负极材料中作为导电添加剂,改善电极材料的导电性能,提高倍率性能和循环寿命。

  锂电池中常用的导电剂有导电炭黑、乙炔黑、科琴黑,SuperP、碳纳米管等,现在也有电池厂家在动力电池上开始使用石墨烯作为导电剂。石墨烯、碳纳米管等新型导电剂与传统导电剂碳黑等相比,在同等效果下添加量可减少60%,越来越受到市场的青睐。

  据调研显示,国内最大的动力电池及新能源汽车生产商比亚迪早在2014年就开始应用石墨烯导电剂,目前已实现批量应用,除此之外,力神、国轩高科、中航锂电等动力电池企业也在加大石墨烯导电剂的使用量。

  目前国内可批量生产石墨烯锂电池导电剂的企业有8家,其中规模较大的有青岛昊鑫、厦门凯纳、江苏天奈、东莞鸿纳、东莞海洲等。据统计,2018年国内石墨烯导电剂出货量已达12000吨,2020年有望达到16000吨。

  当然,目前石墨烯导电剂成本还比较高,与成熟的碳系导电剂炭黑、碳纳米管相比市场份额还很小,预计在未来的3~5年内,石墨烯和碳纳米管导电剂的价格将会逐步降低,虽然和传统导电剂相比在短期内仍没有价格优势,但因为其性能的优异,颇受大型动力电池企业的青睐,并且随着未来动力电池行业的集中度逐步提高,导电剂作为锂电池里用量较小的原料,其技术敏感性要远大于价格敏感性。

    石墨烯电加热,煤改电政策催生的热潮

  近年来,伴随着经济的高速增长,空气污染越来越严重,北方地区频频爆发雾霾天气,给人们的生命健康带来严重威胁。冬季燃煤取暖是造成空气污染的主要原因之一,为此,国家在没有实现集中供暖的地区推动煤改电、煤改气等清洁能源取暖技术,推广燃气炉、空气源热泵、电暖器等设备代替传统的燃煤锅炉取暖。石墨烯电取暖设备因此受到广泛关注。

  传统电取暖设备的发热组件材料主要有:碳纤维、碳晶、金属电阻丝等。碳纤维电热膜与碳晶板电热膜占据的市场份额最大。然而,石墨烯的诞生为电热膜市场带来了新的机遇。

  石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维层状纳米新材料,与碳纤维、金属电阻丝相比,石墨烯电热膜的电-热转换效率接近100%,几乎没有任何形式的能量损耗。此外,石墨烯电热膜还具备较强的柔韧性和稳定性、发热均匀、防水耐腐蚀等优点,是一种非常理想的电热材料。

  2017年,财政部、住建部等四部委发布《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》,天津、石家庄、唐山等12个城市纳入2017年北方地区冬季清洁取暖试点范围。2018年,安阳、邢台等20个第二批试点城市也将纳入冬季清洁取暖试点。中央财政第一批和第二批试点城市冬季清洁取暖的总奖补额度三年达到近495亿元。

  石墨烯电加热产品是国家清洁取暖鼓励使用的新技术,国家财政会给予补贴鼓励农户安装。在政策春风的推动下,涌现出了一大批生产石墨烯电加热产品的企业,其中规模比较大的有江苏科暖、杭州白熊、北京绿能嘉业等,据调研显示,仅北京绿能嘉业一家企业2017年石墨烯电加热产品销售额就达到近7000万元,2018年整个石墨烯电加热产品市场将近5亿元。

  从国家煤改电的政策趋势和逐渐趋于严格的环保要求来看,电取暖产业以及石墨烯加热产品迎来了千载难逢的发展良机,但是我们也要看到,目前由于产业处于起步期、市场不够规范、相关标准缺乏,造成各个厂家的石墨烯电热膜质量层次不齐,严重影响了产业健康发展。这些都需要逐步去规范。另外,目前的石墨烯电加热类产品也有如功率衰减、能耗不可控、存在一定安全隐患等问题,这些都需要在产业的发展进步中逐渐去克服。

      石墨烯防腐涂料,任重而道远

      对新兴海洋工程、现代交通运输、能源工业、石油工业、大型化工企业、海岛工程等领域的装备和设施而言,腐蚀是其安全性和服役寿命的重要影响因素之一。防腐涂料是保护这些领域的装备和设备免于腐蚀的“安全外壳”,具有非常重要的意义和价值。

  石墨烯稳定的sp2杂化结构使其在金属与腐蚀介质间形成物理阻隔层,可以阻止介质扩散和渗透, 被认为是已知最薄的防腐层。为了利用石墨烯的这一优异性能,将石墨烯应用到防腐涂料中,自2009年起,中科院宁波材料所薛群基院士和王立平研究员团队就开始了不懈的攻关和努力,截止目前,他们已经成功开发出了拥有自主知识产权的新型石墨烯改性重防腐涂料。该成果通过鉴定,关键技术指标盐雾寿命超过6000小时,处于国际领先水平,并成功应用于国家电网、石油化工、海洋工程与装备等领域。

  与此同时,国内涂料企业也在逐步加大石墨烯防腐涂料的布局,目前已经公开报道的石墨烯防腐涂料项目有:天津汉尧石墨烯有限公司投资1亿元建设石墨烯水性涂料项目;福建宏宇石墨烯公司投资年产1万吨石墨烯涂料项目;江苏道蓬有限公司投资4.05亿元建设年产5万吨石墨烯防腐涂料项目;绵阳麦思威尔公司投资2.8亿元年产5万吨石墨烯水性涂料项目;成都渝三峡油漆公司投资2亿元年产3万吨石墨烯工业涂料项目;济宁利特纳米技术有限公司投资3.6亿元建设5万吨石墨烯防腐涂料项目等。

  在应用方面,浙江舟山国网输电380米铁塔防腐工程、中科院广州能源研究所“先导一号”波浪发电装置、嘉兴乍浦闸桥防腐工程、浙江舟山金塘大桥等工程中均已实现了石墨烯防腐涂料的示范应用。

  但是,目前国内石墨烯改性重防腐涂料的整体应用水平并不高。主要问题有四个:

   (1)石墨烯改性防腐涂料的很多科学机理比如分散问题、介面问题、失效演化机制等基础研究不透彻,基础研究不扎实;

  (2)缺少性能全面考核和实际工况长期服役评估;

  (3)缺乏各种环境下的腐蚀数据积累和专用数据库;

  (4)石墨烯材料的产品标准和检测标准匮乏。

  重防腐涂料的研发和产业化需要一整套成熟的科研和工业体系,投入大、周期长,短时间内很难看到实际的使用效果。石墨烯重防腐涂料的研发还具有巨大的战略意义。其在军舰、海上钻井平台上的应用是非常重要的,目前我国正在大力开发南海,如何利用好石墨烯这种涂料,填补国内高端重防腐涂料的空白是值得我们去思考和研究的问题。

      石墨烯柔性显示类产品仍待进步

       石墨烯由于极佳的柔性、导电性和非常高的透光率,是制备柔性触摸屏的理想材料,目前国内主要从事石墨烯触摸屏相关产品的企业主要有重庆墨希、二维碳素和无锡格非三家企业。

  国内石墨烯透明导电膜的制备和应用在最近几年来取得了较大的进展,例如制备和转移技术、结构化技术、功能一体化集成等问题都得到了一定程度的解决,展现出很好的潜力。然而在商业化过程中还存在诸多挑战,例如多晶石墨烯的方块电阻还不够低,石墨烯与衬底的附着力偏差,石墨烯尚不能在低温下原位沉积、成本还比较偏高等。

  目前,市场上也出现了一些石墨烯柔性显示类的产品,如重庆墨希推出的石墨烯柔性手机、石墨烯墨水屏的kandle阅读器,第六元素推出了石墨烯显示屏的健康手表等,这些产品在前瞻性和技术性上取得了一些突破,但是在实用性和性价比方面离人们的日常生活还非常遥远。

  虽然石墨烯透明导电膜的制备和应用取得了一定的进展,但该领域总体上尚处于产业化的初期。这主要是由于石墨烯薄膜材料发展的时间较短,正处于从实验室到工业化的过渡阶段,因此其产品应用较为单一,市场规模不大。根据最新的统计与企业公开报表显示大部分企业仍在亏损经营,一些公司逐渐开始寻求在公开市场筹募资金,以期获得技术、产品和市场的突破。

  在柔性器件领域,石墨烯可以实现传统材料无法实现的功能,打开全新的市场,发展空间巨大。相信随着技术的进步,未来基于石墨烯的透明导电膜将在光电子领域开拓出一席之地。


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