设为首页 加入收藏 搜索
在线咨询 18826978632 ismia@
gutung.com
g国唐科技微信
你当前的位置是:

首页>联盟智库 > 智造文库

中国石墨烯产业发展现状与风险分析

 

【国际智能制造产业联盟】2017年5月18日,IDC中国在上海举办了一年一度的趋势论坛,本次论坛的主题是:重新定义技术产业:数字化转型经济的崛起。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,厚度在一个纳米以下,最早是由诺贝尔奖获得者-英国曼彻斯特大学物理学家AndreGeim和Konstantin Novoselov用微机械剥离法从石墨中分离得到的。石墨烯具有非常良好的抗拉强度及透光、导电和导热性能,被誉为新世纪的“材料之王”。


1495759097343031652 (1).jpg

图1 石墨烯


近年来,石墨烯概念在全球受到追捧,各国政府、科研院所、企业和金融机构等都对此给予了较大关注。根据BCC Research最新研究报告预测:2018年全球石墨烯市场规模将达到1.95亿美元,到2023年将超过13亿美元。

中国石墨烯产业发展也较快,2015年全国石墨烯市场规模约610万美元,同比增长超过336%,初步统计2016年已突破2000万美元。然而在快速发展的同时,中国的石墨烯产业也饱受争议,业界有人质疑其将“沦为下一个光伏产业”,给产业的后续发展构成障碍。

1、中国石墨烯产业发展现状

由于技术进步和成本下降速度不够快的原因,目前中国的石墨烯行业还没有出现大规模产业化,政府的产业扶持政策体系也在完善过程中。但依据目前的市场需求预测,中国的石墨烯产业化将会在较短时间内取得突破。

中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布的2016年数据显示:到2020年,全球石墨烯市场规模将超过1000亿元,新能源行业的锂电池和超级电容市场规模将突破534亿元,其中中国占比50%-80%。

(1)产业链发展现状

按照产品属性进行划分,石墨烯产业可分为上游、中游和下游三个部分。

上游:石墨烯的原材料产业,包括石墨开采和烃类物质加工等;

中游:石墨烯的生产加工产业,包括石墨烯薄膜、石墨烯粉体等产品的加工等;

下游:石墨烯的应用,主要包括半导体、柔性电子、生物医药、环保等领域。

①石墨产业

上游的石墨等产业发展较为成熟。首先,资源储量较大。据中国地质调查局的报告,中国是世界第二大石墨资源国,石墨基础储量约占世界总储量的33%,已查明资源储量2.6亿吨,预测资源潜力18.7亿吨,主要分布在黑龙江、内蒙古和山东等省区。


1495759097514058970.jpg

图2 全球石墨基础储量分布情况


中国是世界第一大石墨生产国,2015年全国石墨产量达到86万吨,占世界总产量的67.7%。目前国内有石墨矿山194座,其中大型矿山40座,中型19座,小型135座,主要分布在内蒙古、黑龙江、河北、山东、湖南及四川等地。


1495759097686011648.jpg

图3 2011-2015年中国石墨产量、消费量和出口量变化趋势


中国同时也是世界第一大石墨出口国和消费国,2015年出口量为25.1万吨,占世界贸易量的79.0%;消费量约为61.4万吨,占世界消费总量的53.4%。

②石墨烯生产加工业

目前,中国从事石墨烯研发、生产和应用的相关企业数量超过400家,约占全球石墨烯从业企业总量的3/4。

从企业地理分布来看:北部以山东青岛为主,东部以江苏的常州、无锡为主,南部以广东省的深圳、东莞为主,在中西部地区和东北各省份有零星的石墨烯从业企业,但未形成产业集群。典型的从业企业有江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司、上海南江集团、中科重庆绿色智能技术研究院等。

从企业类型上看:目前将石墨烯作为主营业务的企业有近70家,其中包括石墨烯粉体相关企业50多家,石墨烯薄膜相关企业近10家。

从企业生产技术来看:在石墨烯的生产技术方法上,采用微机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)、外延生长法等传统技术的企业较多,采用乙氧钠裂解法和切割碳纳米管法等复杂技术的较少。

从企业规模上看:目前从事石墨烯生产的企业80%以上为中小型企业,年销售额多数在百万元级别。不过已有一些上市企业开始涉足石墨烯产业。据初步统计,截至2016年9月14日,共有18家上市公司参与石墨烯产业链布局,其中包括主板的东旭光电、力合股份等6家公司,中小板的康得新等5家企业以及创业板、新三板的其他7家中小企业。

从企业盈利情况来看:目前石墨烯生产企业的总体盈利能力很弱。一些宣称具备百吨年产能的生产企业,企业产值和盈利能力远远没有预期的高,多数企业处于亏损状态。根据2016年年中的企业业绩报告,上半年常州第六元素材料科技股份有限公司净利润为-1367.27万元,常州二维碳素材料净利润为-521.4万元,青岛华高墨烯净利润为-283.8万元。

③下游应用业

石墨烯特殊的平面二维结构,有利于电子的传输,因而有多方面的应用。



1495759097780062558.jpg

图4 石墨烯应用领域


作导电添加剂,可进一步降低电池的内阻,提高电池倍率性能和循环寿命;

作导热材料,对热导纤维和导热塑料等进行改性,可提升材料的散热能力;

作新型导电油墨和塑料主填充料,可调节导电油墨的电阻率和附着性能;

作防腐漆膜骨架,可提高膜的抗腐蚀效能。

另外,石墨烯优异的抗静电、防辐射功能和溶胀性、吸湿性、抗菌性等其他方面特性,使之可以为生物医用纺织材料、抗菌医用材料、柔性传感器等提供新材料。

目前来看,中国在复合材料、锂电池、超级电容等方面的石墨烯应用已开始起步,而在柔性显示、传感器、超级电容器、散热材料、半导体器件及生物医药等领域的应用还处在探索阶段。

近两年来,国内一些科研机构在石墨烯材料的应用上取得了一些突破。

江南石墨烯研究院等实现了石墨烯薄膜材料和现有ITO模组工艺线的对接,在全球成功制成电容触摸屏手机样机;

中国科技大学利用石墨烯精确快速筛选离子的功能,制成用于海水淡化的石墨烯氧化薄膜;

中科院上海硅酸盐所研制出氮掺杂有序介孔石墨烯,用作高性能超级电容器电极材料,使汽车只需充电7s,续航就能达到35km。

不过从整体来看,中国石墨烯产业链还很脆弱,完整的、成熟的上下游产业链有待巩固。目前可以这么说,大部分从业企业把资金和精力都投在石墨烯的材料生产上,而下游应用集中于低附加值产品上,一些高附加值产品因为缺乏相关人才和技术,进展甚微。

(2)石墨烯技术与专利

目前,国际上关于石墨烯的技术研究热点是导电性、导热性、制备方法优化以及纳米材料制备等;

中国关于石墨烯的技术研究热点则集中在石墨烯制备、石墨烯纳米材料及复合材料、石墨烯在锂离子与太阳能电池电极材料及光电器件等方面。

中国的科研管理机构较为重视对石墨烯相关技术研究的资助。从2009年开始,中国科学院、科技部、国家自然科学基金委等相继启动了多个石墨烯研究项目,其中包括863计划课题“石墨烯的控制制备及其在光电领域的应用”和973计划课题“石墨烯的可控制备、物性与器件研究”,以及一系列的自然科学基金项目等。

据统计,国家自然科学基金委已陆续拨款超过3亿元,用于资助石墨烯相关基础研究项目,其中2014年资助石墨烯相关研究项目385项,2015年资助石墨烯相关研究项目396项。

在技术进步的同时,中国石墨烯领域的专利申请也很火热。根据《2017石墨烯技术专利分析报告》,石墨烯中国专利申请 18931 件,发明数量 17306,实用新型 1616件,外观 9 件。其中 PCT 发明专利 737 件,数据检索时间为 2017 年 3 月 1 日。


1495759097951024215.jpg

图5 中国受理的石墨烯公开专利数量年度变化趋势

1495759098310050276.jpg

图6 石墨烯中国发明专利申请来源国家/地区构成

1495759098419090674.jpg

图7 石墨烯中国专利法律状态


1495759098497078398.jpg

图8 石墨烯中国国内申请人各单元专利申请人数量、申请数量对比

1495759098560015005.jpg

图9 石墨烯国外申请人各单元专利申请人数量、申请数量对比


目前涉及石墨烯原材料、制备技术、生产工艺和检测技术的发明专利一共有2152件。

原材料包括粉体-浆料、石墨烯膜、石墨烯纤维、宏观组装体、量子点、多孔石墨烯等;

制备技术划分为机械剥离、插层剥离、化学氧化还原、电化学制备技术等;

生产工艺划分为分离-提纯-分散、功能改性、检测、设备等。

从石墨烯的应用领域来看,石墨烯应用研究方面的专利申请共12316 件,主要集中在以下六大领域。


1495759098653008156.jpg

国际智能制造产业联盟图10 石墨烯原材料、制备技术、生产工艺及检测技术分类

储能:锂离子电池、超级电容器、太阳能、燃料电池、铅酸电池等;

复合材料:导电材料、导热材料、增强-增韧材料、防腐、合金等;

电子信息:透明导电薄膜、 光电材料、 柔性显示等;

水-气体处理:催化降解、吸附、空气净化等;

医疗-健康:抗静电-抗菌-发热等功能材料及产品、药物载体、DNA 基因检测、人造骨骼等。


1495759098778031909.jpg

图11 石墨烯专利应用技术类型构成


(3)产业政策

中国政府在本世纪初提出要发展新能源、新材料等七大战略新兴产业。石墨烯作为新材料中的新贵,虽然产业刚起步,但也受到了政府主管部门的重视,出台了一些政策予以支持。

2012年,工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》,明确提到“积极开发纳米粉体、纳米碳管、富勒烯、石墨烯等材料”;

2014年,国家发改委等发布了《关键材料升级换代工程实施方案》,提出“到2016年,推动新一代信息技术、节能环保、海洋工程和先进轨道交通装备等产业发展急需的大尺寸单晶硅、宽禁带半导体及器件、新型平板显示玻璃、石墨烯等20种左右重点新材料实现批量稳定生产和规模应用”;

2015年,工业和信息化部等部门联合下发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出“着力石墨烯材料高质量稳定生产,着力石墨烯材料标准化、系列化和低成本化,着力构建石墨烯材料示范应用产业链,着力引导提高石墨烯材料生产集中度,加快规模化应用进程,推动石墨烯产业做大做强”;

2015年,国务院印发《中国制造2025》,提出“高度关注颠覆性新材料对传统材料的影响,做好超导材料、纳米材料、石墨烯、生物基材料等战略前沿材料提前布局和研制,加快基础材料升级换代”。

2017年,四部委发布的《新材料产业发展指南》明确指出,突破石墨烯材料规模化制备和微纳结构测量表征等共性关键技术,开发大型石墨烯薄膜制备设备及石墨烯材料专用计量、检测仪器,实现对石墨烯层数、尺寸等关键参数的有效控制。围绕防腐涂料、复合材料、触摸屏等应用领域,重点发展利用石墨烯改性的储能器件、功能涂料、改性橡胶、热工产品以及特种功能产品,基于石墨烯材料的传感器、触控器件、电子元器件等,构建若干石墨烯产业链,形成一批产业集聚区。

(4)标准体系

俗话说,无规不立,标准体系的完善对于一个产业的发展非常重要。中国自2014年9月起正式开启石墨烯相关国家标准的制定工作。2016年8月12日,国家标准《石墨烯材料的术语、定义及代号》预审查会在常州召开,预计很快将会发布。

另外,由江南石墨烯研究院主导起草的第一部石墨烯检测方法标准《石墨烯层数测定扫描探针显微镜法》(草案)也已获得国家标准委立项。

2016年12月,广西质量技术监督局正式发布5项石墨烯地方标准,包括《石墨烯三维构造粉体材料的检测与表征方法》、《石墨烯三维构造粉体材料名词术语和定义》、《石墨烯三维构造粉体材料生产用聚合物》、《石墨烯三维构造粉体材料生产技术》和《石墨烯三维构造粉体材料生产用高温反应炉的设计规范》等。

2、石墨烯产业存在问题与风险

石墨烯产业在中国已开始起步,但是也存在不少问题,给产业的后续发展带来风险。

(1)原料开采滥觞无序

石墨是制备石墨烯的重要原料,中国具有较大的石墨储量,但同时也有190多家石墨开采企业,每年开采晶质石墨和隐晶质石墨过百万吨。由于各种原因,一些企业滥采乱掘、采富弃贫,导致大量石墨资源浪费。

据中国石墨行业协会测算,按照目前的开采方式和速度,最多20年,国内已探明的石墨资源将消耗殆尽,届时中国将要从国外高价进口石墨,由石墨大国变成石墨贫国。这给中国石墨烯产业的后续可持续发展带来严重隐患。

(2)技术研发良荞不齐

中国虽然掌握世界石墨烯专利总量的近一半,但与发达国家横向比较,在技术研发方面还存在不少问题。

一是基础研究多,原始创新少。目前国内对石墨烯的研究多集中在电学、化学的基础领域,其中尖端原创成果稀少,绝大多数是在追赶国外创新。

二是技术侧重点的经济适用性差。目前国内研究多集中在基础研究领域,如bottom-up方法制备、石墨烯在锂离子电池电极中的应用、石墨烯复合材料等;而欧美发达经济体的研究则主要集中在光电器件、传感器、医药和环保材料等高端应用领域。相比之下,中国石墨烯技术研发成果的未来经济可期性较差。

三是企业作为技术研发主体的责任没有体现。一个产业,只有当从业企业具备强大的研发实力时,才有持续前进的动力。可遗憾的是,目前国内的石墨烯研究主体中,大学和科研院所占绝大多数,较多关注的是理论基础研究,成果呈现出碎片化、同质化的现象。真正具备研发实力的企业只有深圳鸿海等少数几家,但其掌握的专利数量远少于IBM、英特尔、陶氏化学、通用、杜邦、东芝等跨国公司。

在未来的世界产业科技竞争格局中,中国企业明显处于下风。

(3)产业发展秩序紊乱

中国的石墨烯从业企业超过百家,但与海外三星、IBM、诺基亚、英特尔、陶氏化学等大公司推动石墨烯材料产业化应用不同,中国的从业企业主要将石墨烯材料作为添加剂使用,是对传统产业进行修补。

目前,国内真正能规模化量产单层石墨烯的企业不到10家,一些企业和机构出于通过资本炒作获得收益的投机心理,一味夸大行业的产能和产值,造成市场盲目跟风。

另有一些企业将单层和多层混为一谈,把厚度远远超过10个原子层的石墨烯微片或石墨烯纳米片产品也混称为石墨烯,造成业界认识的混乱。

一些地方政府也推波助澜,不管是否具备条件,都急于上马建设石墨烯产业园区。初步统计,目前全国有将近20个石墨烯产业园已经建成或正在建设之中,但其功能性都差不多,未来必定会出现严重的同质化竞争,低价格局将导致企业盈利能力下降,不利于行业的发展。

(4)资金支撑量小力微

石墨烯产业是一个典型的“技术+资本密集型行业”,需要大量的资本投人,以供技术研发和市场拓展,但目前中国石墨烯产业面临严重的资金不足问题。

一是技术研发资金投人相对乏力。当前全球有80多个国家、近300家公司投人石墨烯材料的研发,英、韩、欧等将石墨烯研究提升到了战略高度。

据了解,英国在2011-2016年至少投人了2.37亿美元支持石墨烯研究,韩国自2012年起计划7年内向石墨烯领域提供总额为2.5亿美元的资助,而欧盟委员会更是将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一,并从2013年起10年内向石墨烯应用研究领域提供10.5亿美元资助。相比之下,中国政府在石墨烯相关研究领域的投人只有近0.5亿美元,要少很多。

二是企业融资困难。目前中国的石墨烯从业企业以中小企业和初创企业为主,骨干大部分是科研院校出来的研究人员,市场开发和维护能力不强,导致企业的盈利能力很低,风险系数较高。而金融机构据此多数持观望态度,企业普遍存在融资难问题。如果后续还是缺乏外来资本的介入,中国这些中小石墨烯从业企业最终会因财务危机而退出市场。

相比之下,欧美发达国家的情况要好很多,因为他们的从业企业大多是三星、LG,IBM等大型跨国公司,企业本身有实力投人大量的人力、物力,对石墨烯进行长期的系统研究,而且政府对此也大力支持,石墨烯的市场青睐度很高,融资渠道也较通畅。

3、对策与建议

(1)做好产业发展规划

石墨烯产业属于战略新兴产业,要促进产业健康发展,离不开良好的产业规划,但中国在石墨烯领域尚没有国家层面的宏观规划。建议要做好石墨烯产业的中长期发展规划,明确产业发展的阶段目标、重点任务和保障措施等,使产业发展总体有序。

目前来看,需要先做好三个方面的规划:

一是要做好上游原材料的开发部署,秉着“集约高效”的原则,统筹开发石墨资源,改变目前滥采乱掘的现象,为石墨烯产业的后续可持续发展提供充足资源保障。

二是要做好石墨烯加工和应用领域的市场引导,减少市场上的浮夸和盲目跟进,保障产业的平稳有序。

三是要站在国家科技战略的高度,对石墨烯技术研发进程做出合理安排,改变“零散的、单打独斗式”的技术研发模式,集中有限的科研资金和人力,向石墨烯高端技术应用领域进军,为中国在全球石墨烯产业竞争格局中奠定有利地位。

(2)优化产业政策设计

石墨烯产业在中国还处于刚刚起步阶段,迫切需要产业政策的扶持。建议各级主管部门要做好区域内石墨烯产业发展现状的摸底调研,弄清产业发展的主攻方向和存在的主要瓶颈,出台政策,鼓励企业走差异化发展道路。

在用地、用电以及科研投人等方面给予支持,减小广大中小从业企业的资金压力,使其可以轻装上阵。与此同时,也要注意财政补贴机制的完善,要吸取我国光伏产业发展的经验教训,以培养可以“丢拐走路”的企业集群为目标,逐步降低企业对财政补贴的依赖,最终形成自己的核心竞争力,融人市场发展大潮,成为产业发展的中坚力量。

(3)突破产业制约瓶颈

中国的石墨烯产业正处于从实验室走向产业化的进程中,产业的发展方向、盈利模式等还不明朗,存在多方面的制约。政府应及时介入引导,助力产业突破瓶颈。

一是突破市场规模小的瓶颈。要培养龙头领军企业,深人落实“放、管、服”理念,找出关键的少数,精准扶持,帮助其做大、做强,产生行业示范引领作用,推动市场规模整体做大。

二是突破高端人才短缺的制约。要注重引智、聚智和培智,一方面在国家的“千人计划”等实施过程中,加大对国际一流石墨烯技术研发人才的引进力度;另一方面要做好本土顶尖人才的培育,通过大力实施“创新人才推进计划”等,培育青年领军人才,逐步建立起一支研发能力强、富有创新力的全球顶尖石墨烯技术研发梯队。

三是突破资金短缺的障碍。要搭建良好的融资发展平台,利用政策措施激发市场积极性,发展符合石墨烯产业特征的金融产品和服务,使天使投资、科技保险、科技小贷等新型金融业态成为保障石墨烯产业发展的有力资金渠道。

(4)完善产业秩序环境

任何产业的发展都离不开良好的市场环境以及完善的标准和技术服务体系,政府要发挥主导作用,为石墨烯产业构建良好的发展环境。

一是建立健全行业规范,设立准入门槛,加强行业自律,将市场中的“闹局者”淘汰出去,净化市场发展环境,提升业界信心。

二是要依托有关协会、学会等行业中间组织,加快完善产业标准体系,使产业发展有规可循。同时还要积极参与石墨烯国际标准制定的分工,使中国在石墨烯研发方面的累积优势转化为标准优势,争取掌握全球石墨烯产业发展的主导权。

4、结语

中国的石墨烯产业已经起步,但产业链还很脆弱,存在“原材料开采无序,高端应用技术研发薄弱,产业秩序紊乱和企业融资困难”等诸多问题与风险,影响产业的后续健康发展。相关部门要“做好产业发展规划,完善相关政策,着重突破市场规模小、高端人才短缺和发展资金不足的问题,并着力构建良好的市场发展秩序环境”,推动中国石墨烯产业可持续发展。


来源:中国粉体技术网


网站专用.png



点击次数:  更新时间:2017-05-26 17:20:09  【打印此页】  【关闭