近年来,石墨烯一度被称为“材料之王”、“黑金材料”。在此背景下,从中央到地方出台了大量规划和政策性文件推动石墨烯的发展。
此前,《新材料发展指南》将石墨烯列入重点前沿新材料,发改委、工信部、科技部等三部门印发关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见,明确了中国石墨烯产业发展目标,提出“2020年形成百亿产业规模,2025年整体产业规模破千亿”目标。石墨烯相关企业也如雨后春笋般涌现。
《中国石墨烯产业报告》指出,截至2019年制造销售石墨烯的企业有16000家。2021年上海市经济信息化委、市发展改革委等联合印发的《夯实基础推动本市先进材料产业高质量发展三年行动计划(2021—2023年)》,明确指出发展壮大前沿新材料。重点聚焦石墨烯等高精尖新材料和颠覆性技术创新,依托各类研发与转化功能型平台,持续促进创新成果转化,全力构筑先发优势,抢占未来产业竞争制高点。
但是,经历了热度之后,行业也进入冷静和沉淀的阶段。石墨烯能否产生杀手锏级别的应用?行业面临哪些痛点?如何与上海市的优势产业相结合?中国电子信息产业发展研究院材料工业研究所所长肖劲松在接受21世纪经济报道记者专访时认为,当前石墨烯发展正处在谷底爬坡阶段,经历了技术萌芽、希望顶峰、跌到谷底,现在正在爬坡,期待登顶。
以下为采访实录:
技术发展应探求独特性
21世纪:石墨烯作为新材料,有什么独特优势?
肖劲松:这样称呼或定义石墨烯是可以的,独特的二维结构,使得石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。其他材料可能具有一种或两种特性,但石墨烯集众多优势于一身,所以大家对它寄予厚望。
21世纪:当前石墨烯主要应用在哪些产业?
肖劲松:新能源领域,比如负极材料、导电浆料。大健康领域,比如空气净化器、电暖器、眼罩、面膜、口罩。还有环保领域,应用在水污染、空气净化,石墨烯表面积比较大,吸附性强,对污染的处理有一定的作用。电子信息领域石墨烯应用主要聚焦在散热,以往台式电脑通过风扇外部设备被动散热,但智能手机是高度集成,出于尺寸和重量的考虑,手机只能用材料进行主动散热,以前用铜、银这些材料,但石墨烯散热性能更好,有些品牌的手机已经应用石墨烯作为散热材料。
21世纪:您刚刚说石墨烯主要应用新能源领域,有信息称,加入石墨烯的新能源电池“充电10分钟续航千公里”,这种说法是号称还是真的?
肖劲松:这是“号称”,就目前的技术来看,不可能实现。首先,加入石墨烯的电池充电速度有一定的提升是真的,充完电能多跑200公里也是有可能的。再有,影响电池续航能力的不仅仅是材料的问题,还有电管理等问题。
21世纪:石墨烯整个产业目前的发展上有哪些痛点难点?
肖劲松:第一个是石墨烯制备,材料的纯度、稳定性这一块还不够,如何提高材料品质是要下功夫的。第二个是材料应用工程化技术的突破,任何一批次的材料品质都要具有稳定一致性。第三个就是材料制备过程中环保问题,制备时要加强酸、硫酸,量很大,这个也要考虑环保安全问题。第四个就是成本问题,应用推广难,制备工艺阻碍产能突破,产量不足,价格就难以下来。
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21世纪:接下来应该怎么做?
肖劲松:首先还是要加强研发,技术是关键,没有核心、突破性技术是不行的。再有,要突出石墨烯材料的独特性,或者是排他性的应用,而不是仅仅替代现有的成熟材料。比如在空气净化器里用石墨烯,就要和活性炭相比较,从成本、安全性、效果各方面考虑,不能替代其他材料或者是加一些石墨烯,而要考虑如何将石墨烯独特的优势最大化发挥出来。
产业化前进任重道远
21世纪:您在2019年公开演讲中说目前我们石墨烯产业关键技术有待突破,专利数量多但创新能力不足,缺少龙头企业带动,大规模市场尚未打开,现在2022年了,发展趋势如何?
肖劲松:虽然有进步,但问题依然存在。
第一,从技术性角度来说,技术的发展不是短时间内就能解决的,新材料的发展需要经历实验室阶段,然后是小试,再进行中试,最后是规模化生产,每个阶段都需要时间。再有,材料能不能大规模生产,还要看市场认不认可、市场的需求。
第二,从成本的角度,材料被大规模应用生产,批次要有稳定性,实验室可以做20、30次,上百次实验,能做出一次合格的产品就行,但工业化应用要考虑成本问题。比如石墨烯在电子信息领域不能广泛应用,石墨烯成本就无法跟硅基材料相比,而且材料本身也不稳定。
21世纪:当前石墨烯中下游产业发展处于一个什么阶段,有什么特点,接下来往哪里走?
肖劲松:趋于理性了,石墨烯的发展没有那么热了,积淀了一些真心、专心做石墨烯的团队、企业。2016年是石墨烯发展的鼎盛时期,金融、投资界都在谈,感觉不谈就落伍了。
2019年,我们做了全国的调研,可以说是“喜忧参半”,喜的是有几个石墨烯产业规模不断扩大,忧的是技术专利总量很多但核心技术没有突破,而且产品类别高度集中,同质化竞争严重。
现在石墨烯技术和产业发展处在谷底爬坡阶段,经历了技术萌芽、希望顶峰、也经历了谷底阶段,现在正在爬坡,爬上去才能到稳定应用阶段。
21世纪:现在处在爬坡阶段,您预测一下到石墨烯挤掉泡沫,真正大规模落地还有多久?
肖劲松:这个没办法预测,比如炭纤维的发展,东丽公司坚持了50多年,材料领域没有30、40年的坚持是不可能做出来的。可以说是任重道远。
21世纪:石墨烯材料未来会不会发展出几个杀手锏级的应用?
肖劲松:期待,也有希望,但目前没有。芯片这块石墨烯如果颠覆了硅基材料,确实会是一个杀手锏级的应用,会有体积小、散热高、功耗小这些特点。在柔性电子上也应该会有杀手锏级应用,比如电极、屏幕。还有重防腐这一块,我们进行海洋开发,高温高盐高湿的环境,虽然都是防腐,但和以前不一样,就像现在的手机和10年前的手机都叫手机,但截然不一样,这就是颠覆性突破。
21世纪:我们现在发展出了很多石墨烯产品,在中下游产业标准、产品检测体系完善吗?
肖劲松:不完善,我们现在也在制定一些标准,也参与国际标准的制定,2019年我们统计,地方标准5项,行业标准和企业标准40项,参与了2项国际标准的制定,可以说这个数字是很少的,标准不统一。现在虽然大家也重视标准检测,检测的机构很多,比如国家石墨烯检测中心在无锡,但我们目前最大的问题就是检测量不够,覆盖不了石墨烯企业,第二个是检测不是从应用的角度出发,缺乏一个统一的标准,检测力量缺乏整合机制。
21世纪:接下来应该怎么完善产品检测、产业标准制定?
肖劲松:上下游结合,材料的研发机构、生产企业、下游应用企业要加强结合,这样就可以随时进行沟通、修订、完善。一些地方设立创新中心,其目的就是要产学研用,共同推动产业发展。
整合资源相互协作
21世纪:我们一直在说全国石墨烯发展的情况,现在聚焦看上海,上海在石墨烯技术和产业发展这一块居于全国什么水平?
肖劲松:从我们所做的全国石墨烯产业发展竞争力指数评价来看,上海处在全国石墨烯发展第一梯队,是领先水平的。上海有好几家不错的石墨烯企业和创新平台,而且石墨烯企业增长速度快,比如2021年以80%的速度增长。创新平台基础好,2016年宝山石墨烯创新转化平台就是案例。但企业平台互相之间的联系、交流、协作比较少,力量比较分散,没有形成合力。
21世纪:上海当前在推新材料发展,石墨烯在其中,你觉得对上海来说,还能在石墨烯产业上有什么突破?您有什么建议?
肖劲松:首先要围绕自身的优势产业推动石墨烯发展,比如上海生物医药、电子信息产业基础比较好,把石墨烯与当地优势产业结合起来,因为本身这些产业已经是优势产业,同时也有人才和设施的优势。再有,上海是国际化大都市,还是要着眼新兴产业和前沿产业的布局,要做有针对性的科技性突破,比如把石墨烯应用在绿色低碳环保领域,这些都需要研究。最后,企业与企业之间、平台与平台之间要能整合资源,相互协作,最好能做到信息共享,这样就能避免资源浪费。
(中国电子信息产业发展研究院材料工业研究所建材(化工)研究室主任马琳、头豹研究院TMT行业资深分析师游浩坤对此稿亦有帮助)(选自《21世纪经济报道》7月21日专访