經(jīng)濟參考報記者 袁震宇 魏一駿
我國是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國家之一，相關(guān)產(chǎn)業(yè)正進入高速發(fā)展期。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2025-2030年中國石墨烯行業(yè)調(diào)研分析及市場預(yù)測報告》顯示，2024年中國石墨烯市場規(guī)模達到約411億元。
記者近日了解到，目前石墨烯新材料在電力能源領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用已取得新突破，常溫高導(dǎo)電復(fù)合材料具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。專家及業(yè)內(nèi)人士認為，未來需進一步加強技術(shù)研發(fā)投入和人才儲備，著力打造全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
拓寬產(chǎn)業(yè)發(fā)展新藍海
在位于浙江溫州樂清的物聯(lián)網(wǎng)傳感產(chǎn)業(yè)園，石墨烯新材料創(chuàng)新中心孕育著發(fā)展新動能。這里正重點培育常溫高導(dǎo)超級銅粉、超級銅線、超級銅帶材等產(chǎn)業(yè)化能力，以及復(fù)合線材等制備規(guī)模化、工業(yè)化能力，加速新材料的落地應(yīng)用。
在新一輪產(chǎn)業(yè)升級和科技革命大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)必將成為未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)，對全球經(jīng)濟、科技、環(huán)境等各個領(lǐng)域發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。在中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長李義春看來，石墨烯作為一種新型功能材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。
石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維原子晶體材料，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)賦予其獨特的物理化學性質(zhì)，尤其是超高載流子遷移率和極高的導(dǎo)熱率，使石墨烯新材料在發(fā)揮其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的應(yīng)用領(lǐng)域中為人們所青睞。
李義春介紹，根據(jù)石墨烯出眾的性能特點，可以將其應(yīng)用領(lǐng)域大致分為電子信息、能源儲存與轉(zhuǎn)換、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程等。在這些領(lǐng)域中，已經(jīng)有一些石墨烯產(chǎn)品或原型得到了實驗室驗證或通過了小規(guī)模試驗，如石墨烯晶體管、觸摸屏、太陽能電池、超級電容器、導(dǎo)電油墨、傳感器等。
目前，全球石墨烯年產(chǎn)量超過23000噸，全球有250多家公司將石墨烯材料商業(yè)化，這表明石墨烯市場正在不斷擴大。據(jù)不完全統(tǒng)計，有80多個國家和地區(qū)在積極布局和推進石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展。多家權(quán)威市場分析機構(gòu)預(yù)測，2023年至2028年，整個石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模的年均復(fù)合增長率將達到30%至45%。
“我國高度重視石墨烯的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，從國家和地方層面在資金和政策上給予不斷支持，研究和產(chǎn)業(yè)化進程基本與國際同步。”中國科學院院士劉忠范說，我國石墨烯論文發(fā)表、專利申請數(shù)量均占據(jù)全球總數(shù)的四分之三左右，相關(guān)企業(yè)數(shù)量超過5萬家。
劉忠范認為，從國內(nèi)情況來看，我國在石墨烯的基礎(chǔ)研究和專利申請方面已經(jīng)取得了世界領(lǐng)先的地位，有雄厚的人才儲備和科技支撐，也有龐大的市場需求和政策扶持，因此擁有實現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢和條件。
常溫高導(dǎo)電材料研發(fā)取得新進展
經(jīng)過8年研究攻關(guān)，正泰集團在常溫高導(dǎo)電石墨烯銅復(fù)合材料領(lǐng)域已經(jīng)取得了多項重要成果。“公司開發(fā)的高導(dǎo)電石墨烯復(fù)合材料在2024年8月的第三方導(dǎo)電率測試中取得了109.6%IACS（國際退火銅標準）的高性能結(jié)果，順利達成了技術(shù)目標對材料導(dǎo)電性能的要求?！闭憬」ど搪?lián)主席、正泰集團董事長南存輝說。
據(jù)介紹，采用石墨烯化學氣相沉積（CVD）生長技術(shù)，在制備高導(dǎo)電石墨烯銅復(fù)合材料時，通過控制各個銅石墨烯粉體制備工藝中的實驗參數(shù)可以調(diào)整石墨烯與銅之間的結(jié)合力，銅粉上薄膜石墨烯的片層厚度在1至10層可控，薄膜石墨烯在銅粉表面的包覆率在30%至95%可調(diào)，導(dǎo)電率可實現(xiàn)108%IACS。
“其中，基于CVD銅粉石墨烯生長法制備的石墨烯銅復(fù)合材料已經(jīng)成功應(yīng)用到觸點領(lǐng)域，并率先實現(xiàn)觸點的產(chǎn)業(yè)化，打通了從原材料到復(fù)合材料再到觸點產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈?！闭┘瘓F副總裁王國榮說，目前新能源與電網(wǎng)領(lǐng)域的產(chǎn)線布局也已打通，產(chǎn)品陸續(xù)在充電槍、變壓器、電線電纜等產(chǎn)品上進行試制。
在高導(dǎo)電石墨烯銅復(fù)合材料研發(fā)中，核心任務(wù)就是具有高性能優(yōu)勢的石墨烯銅復(fù)合材料的穩(wěn)定制備，而其核心指標就是如何實現(xiàn)材料導(dǎo)電率的提升。
“在初步實現(xiàn)高導(dǎo)電石墨烯銅復(fù)合材料制備后，我們組建了三支團隊、用三種方法來開發(fā)高導(dǎo)電石墨烯復(fù)合材料，在2021年初才逐漸找到了提高導(dǎo)電能力的關(guān)鍵影響因素，并逐步提升導(dǎo)電能力?！蹦洗孑x說。
中國電力科學研究院電工新材料研究所電工導(dǎo)體材料研究室主任丁一說，根據(jù)測算，導(dǎo)電率提高1%IACS，每公里輸電線路每年可節(jié)能1000至2500度電。若采用對標銀的108%IACS高導(dǎo)電石墨烯銅，按全國10千伏、220千伏及以上線路總長630萬公里計算，每年可節(jié)約500億至1260億度電，年節(jié)電量相當于再造一座三峽大壩。
同時，石墨烯新材料與新興業(yè)態(tài)的融合催生了更多應(yīng)用場景。依托自主研發(fā)的超高導(dǎo)電石墨烯銅復(fù)合材料，正泰創(chuàng)新打造出高鎳-硅碳、高鎳-鋰和鋰硫體系電芯及模組產(chǎn)品，以及適用于光伏和風力電站、電網(wǎng)巡檢維護場景的“幽影”無人機。產(chǎn)品不僅滿足了長續(xù)航和極端環(huán)境的巡檢需求，還在工業(yè)無人機市場中實現(xiàn)了最長120分鐘的續(xù)航時間。
加快推動產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新
盡管目前研發(fā)應(yīng)用已取得積極進展，但專家和業(yè)內(nèi)人士認為，批量化制備技術(shù)、低成本剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)、統(tǒng)一的產(chǎn)品標準等仍不同程度制約石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)化速度。
“未來，我們將從平臺搭建、人才培育等角度夯實創(chuàng)新研發(fā)基礎(chǔ)。”南存輝說，“一方面，進一步建立和發(fā)揮復(fù)合技術(shù)及設(shè)備研發(fā)、批量制備、性能檢測、產(chǎn)品應(yīng)用測試等平臺在技術(shù)應(yīng)用研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化方面的優(yōu)勢，加快關(guān)鍵技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化，同時，重視人才隊伍建設(shè)及培養(yǎng)，堅持以產(chǎn)業(yè)化思維、工程化思維培養(yǎng)科創(chuàng)人才。”
石墨烯復(fù)合材料涉及多個環(huán)節(jié)，劉忠范等專家認為，應(yīng)加強原材料供應(yīng)商、石墨烯生產(chǎn)企業(yè)、應(yīng)用企業(yè)之間的合作與協(xié)同。通過建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、合作研發(fā)項目等方式，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的無縫對接，提高產(chǎn)業(yè)效率和競爭力。
以正泰集團的實踐為例，在石墨烯復(fù)合材料觸點產(chǎn)品開發(fā)中，以上海新池能源科技有限公司（以下簡稱“新池能源”）為主體，溫州宏豐電工股份有限公司（以下簡稱“宏豐電工”）、福達合金材料股份有限公司（以下簡稱“福達合金”）和浙江正泰電器股份有限公司（以下簡稱“正泰電器”）協(xié)作，四家公司作為產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司，共同研發(fā)新材料新產(chǎn)品。
王國榮介紹，新池能源作為新材料的開發(fā)公司，提供新材料給宏豐電工和福達合金，后者將新材料加工成電工觸點產(chǎn)品，然后送至正泰電器將觸點組裝到對應(yīng)型號的開關(guān)中進行產(chǎn)品性能驗證，驗證結(jié)果反饋到新池能源，對驗證結(jié)果進行分析總結(jié)，然后制定新的研發(fā)計劃開展下一輪產(chǎn)品驗證，直到性能達到產(chǎn)品要求。以這樣的合作方式，經(jīng)過長期的共同開發(fā)攻關(guān)，才實現(xiàn)了新產(chǎn)品的落地和批量化應(yīng)用。
在暢通產(chǎn)學研合作機制方面，李義春認為，要通過市場價值引導(dǎo)，進一步構(gòu)建“產(chǎn)-學-研-用”的新材料創(chuàng)新體系，充分發(fā)揮企業(yè)、高校、科研院所各自在基礎(chǔ)研究、人才、技術(shù)方面的優(yōu)勢，協(xié)同攻克高導(dǎo)電石墨烯銅復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化制備、應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，共同實現(xiàn)石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣。
