石墨烯产业化之路如何走?

王永生

近些年，石墨烯已被公众熟知，是由碳原子组成的二维晶体，仅有一层原子厚度，却是目前发现强度最大，导电性最强的材料。石墨烯成了当今最炙手可热的新材料之一，在半导体产业、光伏产业、航天等传统领域及新能源、新材料等新兴领域发挥着日益重要的作用。

一款神奇的材料

2010年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，两位最早发现并揭示石墨烯独特性质的科学家获得当年诺贝尔物理学奖。石墨烯从此进入大众视野，成为材料家族中光芒四射的新星。

进入10月份以来，国内石墨烯会议活动南北开花，关于石墨烯产业化的讨论如火如荼。这个从陌生到被大众熟知的一款热门材料，为何如此备注关注？其产业化之路如何走呢？

石墨烯不是一种天然存在的材料。人们常见的石墨是由可以机械剥离的石墨片组成。由于石墨片层与层之间作用力较弱，当石墨被剥离至单层，仅有一个碳原子的厚度时，这层石墨片就是石墨烯。它是由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构的二维材料，看上去近似一张六边形网格构成的平面。

在材料大家族中，石墨烯只是个晚辈。2004年，海姆和诺沃肖洛夫领导的研究小组，将石墨片黏在两片特殊的胶带之间，撕开胶带，石墨片就被减薄，一分为二。如此反复操作，薄片越来越薄，最终在显微镜下发现了石墨烯。人们发现，它的厚度只有0.34纳米，一片1毫米厚的石墨片由近300万层石墨烯堆垛而成。

石墨烯的应用非常广泛，在电子、航天军工、新能源等领域有广泛的应用潜力，被称为有望引发现代电子科技新革命。石墨烯问世时间虽短，但其高强度、高导电性、极轻薄等优势，使产业界迅速嗅到了其在电子、航天军工、生物、新能源、半导体等领域可能的应用潜力。

目前的电子器件工业中，硅是主流的材料，而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅。中国科学院物理研究所研究员、中国科学院院士高鸿钧表示，石墨烯在未来电子器件上具有诱人的应用前景，被看作是石墨烯研究最可能突破、实现产业化的领域，成为国际上的研究热点和竞争焦点。

对于石墨烯的行业应用，北京碳世纪科技有限公司董事长闫立群感受颇深，他认为，从技术应用角度来说，石墨烯的发展方向更需要贴近产业、行业、企业。行业应用层面要围绕石墨烯的特性进行材料改性，即改变普通材料的特性，比如空气净化器、电池等时下热度比较高的产品中通过添加石墨烯来提升性能。但具体应用要看主要是利用石墨烯哪方面的性能，是吸附能力？还是作为活性载体来提高活性？还是利用其强度？看用于什么，不能走向一个“为用石墨烯而使用石墨烯”的误区。

康斯坦丁·諾沃肖洛夫接受采访时表示，石墨烯材料在世界各地分布都很广泛，将来石墨烯有非常广泛的应用前景。现在已经有一些与民众生活相关的石墨烯产品开始在市场销售，这都是非常好的势头。

中国与石墨烯

如果把时光倒流5年，2015年被称为是中国石墨烯元年。彼一时，石墨烯材料在中国“红的发紫”。对于我国石墨烯的研究，高鸿钧提出的看法是，我国起步虽相对较晚，研究跟进却很快，我国在国际权威期刊上发表的与石墨烯相关论文已经居世界第一。

数据显示，截至今年6月底，我国在工商部门注册、营业范围包括石墨烯相关业务的企业已达到1.68万家。全国已成立石墨烯产业园29个，石墨烯研究院54家，石墨烯产业创新中心8个，石墨烯联盟12个。

从石墨烯领域发表的论文数量来看，2011年起，我国就在全球领先，目前占比超过全球的三分之一。石墨烯领域专利申请数量在我国也是最多的，约占全球七成。我国粉体石墨烯制备产能很大，已达每年5000多吨。在薄膜石墨烯制备方面，我国也于全球领先，年产能达650万平方米左右。

在闫立群看来，我国正由加工强国向制造强国迈进，在这一过程中与国际上的前沿技术、大企业在很多领域都处于同一起跑线。石墨烯就是典型案例，从理论思路到技术路线都无先行经验可借鉴的情况下，那就看各自的理解和研发、实验能力。所有国家面对的都是新东西，需要独立探索，我国在这方面丝毫不弱。

近些年来，石墨烯在改造提升传统产业、培育新兴产业方面发挥着巨大作用，并被视为未来高技术产业竞争的战略制高点，在国家一系列政策的推动下，我国石墨烯产业快速发展。

2020年10月16日，“2020中国国际石墨烯创新大会”在上海举办，该大会被称为是一年一度的石墨烯行业大会，来自全国的石墨烯领域专家、企业家、展商单位、媒体代表等近500人现场参加了活动。

2020年10月25日，由北京石墨烯研究院（BGI）主办的“北京石墨烯论坛2020”开幕，来自国内外石墨烯学术界、产业界以及地方政府、高校代表400余人齐聚北京稻香湖景酒店共话石墨烯发展。《中关村》杂志作为特别支持媒体参与了本次论坛。

主办方北京石墨烯研究院坐落在中关村科学城北区中关村智谷中心，这里背靠西山阳台山自然风景区，毗邻翠湖湿地，依山傍水，环境优美。致力于打造引领世界的石墨烯新材料研发高地和创新创业基地，瞄准未来石墨烯产业，全方位开展石墨烯基础研究和产业化核心技术研发是北京石墨烯研究院的发展目标和努力的方向。自成立以来，研究院全方位布局石墨烯新材料的近中远期前沿技术研发及产业化，积极探索石墨烯产业的基石和核心竞争力。

在北京石墨烯研究院一楼大厅墙上有这样一行字格外醒目，“践行工匠精神，融通政产学研，打造石墨烯产业核心竞争力”。

近年来，北京石墨烯研究院异军突起，短短不到两年时间已经拥有一支两百余人的石墨烯行业的权威研发团队，快速发展的北京石墨烯产业研究院已成为中国石墨烯产业的引领者。

目前，中国已经基本形成以长三角、珠三角和京津冀鲁区域为聚合区，多地分布式发展的石墨烯产业格局。我国石墨烯产业化势头强劲，多个具有石墨烯特色的产业创新中心已露雏形。尤其是长三角地区，“东方碳谷”常州因其石墨烯相关产业的高度集聚而备受关注。

工信部赛迪研究院近日发布的《中国石墨烯产业发展竞争力指数（2020）》指出了全国各地石墨烯产业发展情况，基本呈现“四个梯队”。江苏省以90.44的指数居第一梯队榜首，福建省处于发展势头迅猛的第二梯队，以74.78居第二梯队首位。在发展环境指数方面，全国石墨烯政策环境整体趋好。

不过，我国石墨烯研究仍存在不足。如研究群体大、成果多，但突出性、原创性成果较少。另外，主要集中在基础研究，产业应用相对薄弱等情况。但从总体上看，中国石墨烯基础研究与产业化力量在全球仍处于第一方队。

研发代工成为产业新模式

《“十三五”国家科技创新规划》提出，要培育面向市场的新型研发机构，希望通过战略性科技创新领军人才领衔，采取与国际接轨的治理模式和运行机制，协同多方资源，开展基础前沿研究和共性关键技术研发，通过产学研合作，提升产业竞争力。如何快速解决石墨烯产业化问题，一直是北京石墨烯研究院重点研究的议题，并已取得了突破性成果，且广受业内认可。这一模式是推进企业“研发代工”服务，打造新型政产学研合作模式的做法，将对石墨烯领域科技创新和我国高科技产业发展产生重要的推动作用。

北京石墨烯研究院院长刘忠范认为，科技与经济“两张皮”的问题是阻碍创新驱动发展的瓶颈。一方面，高校和科研院所产生了大量的科研论文和专利，难以转化;另一方面，企業自身研发实力不足，迫切需要科技创新突破技术瓶颈。“我们希望能在关键核心技术领域取得突破，解决诸多“卡脖子”问题，做出一些别人没有的东西，提升企业和产业的竞争力。

“新型研发机构一定要针对现存问题，把产学研能够真正有效结合起来。”刘忠范表示，新型研发机构的目的，不是纯粹做基础研究，也不是简单地为特定企业服务。“新型研发机构应该是一个平台，体现国家为解决经济科技‘两张皮所作的战略布局和重大举措。”

北京石墨烯研究院成立之初，刘忠范就里提出了“研发代工”创新模式，这是北京石墨烯研究院在体制机制创新方面的重要尝试，如今已运转近两年，取得了很好的成果，达成了多项合作。

在这样的模式下，研究人员有了清晰明确的技术需求牵引和市场目标，避免了当前高校和科研院所的研究人员“闭门造车”、研究成果不接地气而很难落地的现实问题。对于代工企业而言，从此就有了真正的研发团队和研发力量，确保企业自身的核心竞争力和可持续发展能力。“这种产学研协同创新模式还有助于改变以盲目追求发表论文为导向的当前科技评价体制，引导广大科研人员从事真正有价值的研究，让国家不断增长的科技研发投入能够真正开花结果。”

以“粉体石墨烯规模化生产的研发代工合作”为例，北京石墨烯研究院的代工伙伴拥有百吨级的石墨烯生产线，在已有制备技术的基础上，成立专门研发团队，对接企业的技术升级需求，立即形成了产学研协同创新团队，共同打造引领世界的石墨烯粉体材料生产基地。

“这种结合的优势明显，我们不需要从零开始投资建设石墨烯生产线，而企业也不需要养一个专门的研发团队，实现优势互补、协同发展，”刘忠范说。

研发代工模式是一个全新的、适合中国国情的产学研结合模式，一方面解决了企业研发能力低的问题，同时也能解决教授直接办企业的“怪圈儿”。

经过十年的研究积淀，北京石墨烯研究院自主研发的超级石墨烯玻璃、第三代+半导体照明技术、烯碳光纤、超洁净石墨烯薄膜制备技术以及四英寸无褶皱单晶石墨烯晶圆制备技术都得到石墨烯同行们的广泛认可。其中，超级石墨烯玻璃赋予了传统玻璃所不具备的导电、导热、生物相容性等诸多优异特性，将大幅拓展玻璃应用领域，全面推动玻璃产业转型升级;烯碳光纤将成为传统光纤领域的变革性技术，有望在电光调制器、超快激光器、光纤探测器和传感器以及光纤通讯领域得到重要应用;将石墨烯作为第三代半导体材料的外延生长缓冲层，显著降低半导体薄膜的缺陷浓度，有望成为下一代半导体照明核心技术。

石墨烯未来可期

对于目前石墨烯发展的阶段，市场对石墨烯的产业化仍有不同观点，不过业界一致认为石墨烯的未来非常可期。

为全面了解我国石墨烯产业发展现状，摸清行业发展脉络，为国家未来石墨烯战略规划和政策制定提供决策支撑，《中国石墨烯产业研究报告》在“北京石墨烯论坛2020”上做了发布，该报告全面解读了中国石墨烯产业的发展历程、区域分布及发展现状，石墨烯产业政策和投融资现状，存在的问题与调整，并提出推动石墨烯产业健康发展的对策建议等。

在应用研发领域，北京石墨烯研究院硕果累累：下一代变革性的光纤技术——烯碳光纤、石墨烯烯基第三代半导体照明技术、新一代电池集流体——烯铝集流体、石墨烯烯蚕丝纤维等等，这些石墨烯应用成果的发布将会对相关领域产生变革性的影响。

纵观全球石墨烯产业，到2023年全球石墨烯市场规模将超过13亿美元，复合增长率高达47%。《2018-2019中国石墨烯发展年度报告》显示，我国石墨烯产业前景广阔，产业规模持续增长。2018年我国石墨烯产业规模约为111亿元，较2017年增长41亿元，同比增长58%。2018年以来，石墨烯粉体和薄膜的生产规模进一步扩大。粉体方面，常州第六元素、青岛昊鑫、宁波墨西等多家企业已拥有国内领先的石墨烯粉体生产线。薄膜方面，长沙暖宇新材料科技公司年产量100万平方米的石墨烯膜生产线已开建，建成后将成为国内第二大石墨烯膜生产线。预计到2021年中国石墨烯市场规模市场可达200亿元，2025年有望达到1000亿元占世界市场规模超过一半，成为全球最大的石墨烯消费国家。

对于石墨烯的未来，国内外专家学者、企业家都对寄语了厚望。刘忠范指出，石墨烯产业将建立在石墨烯材料“杀手锏级”应用的基础上，而不是仅仅作为“万金油式”的添加剂和“工业味精”，“杀手锏级”应用具有不可替代性，将会带来传统产业的升级换代，甚至创造出全新的产业。

刘忠范说：“未来可能从两个方向入手，一类是逻辑推理式的用途，另一类是出其不意的用途。逻辑推理式用途，是从石墨烯本身性能推理出的用途。比如，現在的透明导电薄膜是一种ITO玻璃，它不是柔性的，还含稀有元素铟。而石墨烯薄膜导热性、导电性非常好，又是透明柔性的，且仅含便宜的碳原子。未来，石墨烯薄膜用作透明导电薄膜来制作可穿戴柔性电子器件将大有前途，或许能成为“杀手锏”级用途。非逻辑性的出其不意用途，则需要研究者创意思考。“比如，我们把石墨烯长到蓝宝石上，与LED结合起来，做成LED照明器件——其他工艺不变，就可以将发光效率提升30%以上。”刘忠范说，一旦产业化，这就是下一代LED节能照明器件，会全面淘汰现有照明器件，也属于“杀手锏”级应用。

“‘杀手锏级应用就是其他材料取代不了，所以必须基于并放大石墨烯材料的独特优势，来开展‘杀手锏级应用的探索。”

对于石墨烯行业未来的发展，刘忠范充满信心，他坚信通过扎扎实实的研发工作，将有力带动产业发展，让“中国创造”的石墨烯产品在世界舞台上真正有竞争力，有影响力。

对于石墨烯的产业化，闫立群始终执着的坚持着。在他看来，做石墨烯就是在做一件没人做过的事，同时要做到真正的帮助别人，运用知识、运用技术来帮助别人，让石墨烯技术改变人们的生活。

高鸿均表示，我国在重视石墨烯基础研究的同时，还需要加强石墨烯的应用基础和产业化研究。简单重复国外的应用研究，未来可能在专利方面受制于人。他建议，石墨烯的应用和基础研究应该齐头并进，不可偏废。在进一步加深对其物理特性深入研究以获得突出原创性成果的同时，也要加强石墨烯产业化探索方面的研究。

据预计，未来5-10年，导电添加剂、防腐涂料、触摸屏等低端应用领域的产业化将趋于成熟，超级电容、传感器、电子芯片等中高端领域也将逐渐进入产业化，石墨烯产业将进入快速成长期，市场空间将快速扩大。

人类文明发展史从从石器时代开始，到青铜器时代到钢铁时代以及硅时代。未来，“石墨烯时代”或将很快到来。