推动我国石墨产业转型升级的科技对策建议

孟 弘

( 中国科学技术发展战略研究院，北京 100038)

1 引言

石墨是碳材料的重要组成部分，具有良好的导电、导热、润滑、耐高温、化学稳定、可塑、抗热震等特殊性能，已广泛应用于冶金、化工、机械、电子、航空航天、国防军工等行业，是国民经济建设、战略性新兴产业和国防科技工业发展的重要基础原材料，在其应用的诸多行业中具有产业关联度高和不可替代性等特征［1］。我国是世界上石墨储量最丰富的国家，已探明储量占世界总储量的70%，也是第一生产大国和出口大国［2］，在世界石墨行业中占有重要地位。然而，在整个石墨产业链中，我国仍然处于价值链低端［3］，产品以矿产原料和初级产品为主，深加工产品较少，环境污染较严重，资源回收率较低，与发达国家石墨产业相比存在较大的差距。

2 我国石墨产业转型升级的科技需求

在产业竞争日趋激烈且新需求不断涌现的情况下，我国石墨产业正面临着转型升级的迫切需求。而要转变我国石墨产业附加值低、利润流失的“资源—产品—废弃物”线性发展模式，就必须依靠科技创新，突破深加工技术瓶颈，通过深加工延长产业链进而走向价值链的高端，形成从采矿、选矿、提纯、深加工到循环利用的全产业链的产业集群，实现我国石墨产业的转型升级。

2.1 实现清洁高效开发

当前，我国石墨产业高能耗、高污染、低效率的问题依然严重。在采矿环节，小规模掠夺式开采模式普遍存在，开采技术力量薄弱，生产工艺落后，缺少专业化协作分工和规模效应，缺乏正规的矿山开采设计，采富弃贫现象严重，剥采比例严重失调，甚至只采不剥;在选矿和提纯环节，主要采用多级浮选法进行初选，再通过多级强酸强碱法进行提纯，浮选和提纯废水含有大量剧毒有害物质，严重威胁地表水和地下水安全;在深加工环节，由于技术、工艺和装备的落后导致深加工产品的技术标准不高、批次质量不稳定、效率低下［4］;在尾矿环节，基本采取堆积的方式，不仅占用大量的地表面积，而且尾矿中有毒有害物质对水资源威胁巨大，缺乏资源综合利用的系统考虑。

因此，实现石墨产业转型升级首先就要实现清洁高效开发，这就需要在采矿环节开发能耗低、环境友好、生产能力强的绿色保护性开采技术和工艺，研制自动化、大型化的石墨矿专用开采装备;在选矿环节，开发高效清洁且能保护石墨大鳞片的浮选技术及工艺，研制全流程自动化绿色选矿系统;在提纯环节，开发节能环保型提纯技术工艺，研制配套的大型连续式提纯关键装备;在深加工环节，突出应用导向，充分利用高技术增加石墨产品的价值，增加深加工产品的比重，真正做到石墨产业的高效开发;在资源综合利用环节，开发适用于石墨及伴生元素综合回收技术、尾矿资源化利用技术、矿山生态治理与修复技术。

2.2 适应战略性新兴产业发展

2012 年7 月9 日，国务院发布了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，对节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等战略性新兴产业进行了部署。鉴于石墨在新能源、节能环保等领域的广阔应用前景，《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的发布对我国石墨产业发展既是一个难得的机遇，也是一个重大的挑战。目前，我国天然石墨在大型动力型锂离子电池和储能型锂离子电池中的使用尚处于研究开发阶段，主要是在循环寿命、倍率特性与低温性能等方面达不到动力电池负极材料要求，因此为了降低成本，急需研发符合要求的天然石墨基锂离子电池负极材料;我国只能生产低品质的各向同性石墨，高品质各向同性石墨完全依赖进口且受国外出口限制［5］，我国大力发展核电的客观需求使得高质量各向同性石墨的国产化的要求更加迫切;我国在柔性石墨密封材料上与国际水平的差距是高档产品少、品牌效益差、缺乏明确的质量技术标准，需要对不同用途的柔性石墨密封材料研发通用级、高导热级、核能级、缓蚀级、高纯级等不同的技术标准。

因此，在新能源领域，我国石墨产业需要突破动力型和储能型锂离子电池用石墨负极材料的制备技术和成型技术，攻克核反应堆用各向同性石墨、锂氟电池用氟化石墨的制备技术等。在节能环保领域，我国石墨产业需要突破低硫高抗氧化可膨胀石墨的制备技术，研制用于油污处理、污水净化等民生领域的高效吸附材料，开发高强型、高导热型、缓蚀型、超薄型、高纯型、高导电型等系列高端柔性石墨密封材料制备技术、工艺及生产装备。

2.3 创造新的应用需求

石墨产业作为典型的资源型原材料产业，其产业的转型升级必须以应用为牵引，以提升自主创新能力为重点，充分依托全国科技和工业基础，在基础科学和核心关键技术取得重大突破的基础上，开发新的产品，开拓新的应用领域，创造新的应用需求。目前，石墨烯是石墨产业最前沿的科技和产业概念之一［6］，在电池材料领域如锂离子电池正负极材料、燃料电池催化剂及其载体、超级电容器材料以及太阳能电池材料等方面已经取得了较大的进展，且很有希望成为最先获得产业化应用的领域。但目前的研究多为将石墨烯与现有材料的复合，发挥石墨烯的优点以提高材料的宏观性能［7］，而针对石墨烯在相关领域的基础研究相对薄弱，如石墨烯的嵌脱锂机制、电催化过程中的作用机理、界面电荷输运动力学、光电转换增强机制等方面亟需开展系统深入的理论研究工作，进而拓展石墨烯的应用领域。

因此，我国石墨产业的转型升级还需要不断地创造新的应用需求，推动石墨产业持续向高端发展。这就需要跟踪国外发达国家石墨应用领域的高技术发展态势，积极研发具有自主知识产权的新技术、新工艺和新设备。根据国外石墨产业的发展趋势和我国的现状，需要突破石墨烯规模化制备技术，面向纳米电路技术、石墨烯晶体管、石墨烯电容触摸屏、新能源电池宏观组装、新型显示技术、纳米复合材料制备技术等领域开展石墨烯在新型功能复合材料中的应用研究;突破浸硅石墨的规模化制备技术，开发高导热/导电/耐高温石墨复合材料的制备工艺，攻克金属/石墨的界面设计和调控技术等，进而创造更多的应用需求。

3 对策建议

为了实现我国石墨产业的转型升级，完成深加工技术的突破，全面提升我国石墨产业的科研技术水平和生产保障能力，建议近期我国科技主管部门在以下方面进行重点部署:

3.1 基础研究方面

以解决石墨采选、深加工和应用中的关键科学问题为目标，开展天然石墨矿物结构与性能、石墨烯的制备与应用、石墨改性等方面的基础研究，为关键技术攻关和新产品研发提供坚实的理论保障。重点研究方向如下:

(1)天然石墨矿物结构与性能研究。研究天然石墨的地质特征和矿石矿物学，研究天然石墨的矿物结构、杂质元素的赋存规律及其对天然石墨理化性能的影响，研究不同矿物在选矿和深度提纯进程中的性状及其行为，建立石墨工艺矿物学数据库及工艺矿物学研究方法。

(2)石墨烯的制备与应用基础研究。开展石墨烯的特性、生长机理和采用鳞片石墨的规模化制备方法研究，突破石墨烯层数控制和理化分离的理论与技术;研究石墨烯的修饰、改性及其功能化原理与方法，研究石墨烯表面缺陷、掺杂、官能团的表征方法和形成机理;开展石墨烯在新型功能复合材料中的应用基础研究。

(3)石墨改性的基础研究。研究石墨在化学改性、层间化合物改性、物理改性等过程中电子键合和晶体结构的变化规律，并研究其对改性产物的性能影响机制，突破系列高性能改性石墨材料和新型石墨功能材料制备及应用的关键科学问题。

3.2 前沿技术方面

瞄准石墨提纯的节能环保和未来高端应用需求，探索石墨提纯的新路径和新方法，开发高性能石墨/M 复合负极材料、各向同性石墨、浸硅石墨、高性能石墨复合材料，研制相关装备，提升产业关键环节的技术能力。重点研究方向如下:

(1)高效磁电提纯工艺技术。开发石墨射频介电分选提纯技术及配套装备;研究石墨聚磁永磁超强磁(3T)分选提纯技术，石墨微波加热淬火裂解技术及石墨高温除杂技术，开发配套装备;研究石墨射频介电分选提纯用介电液体回收技术;建立石墨射频电选—聚磁永磁超强磁选—微波除杂综合深加工工艺流程;研究石墨及其杂质矿物射频、微波场中介电常数、介质损耗、比磁化系数的测试技术。

(2)高性能石墨/M 复合负极材料开发。研究石墨/M (包括硅、锡、金属氧化物等)复合锂离子电池负极材料的结构设计、可控制备和改性技术，研制配套的材料制备及电极制作装备;开发储能型高能量密度负极材料，动力型高功率密度负极材料，研究提高材料充放电效率和长期循环稳定性、降低负极材料成本的工艺技术，研究石墨复合负极材料与正极材料、复合负极材料与电解液体系的匹配集成技术，开发相关的锂离子电池制造技术和提高负极材料充放电效率及长期循环稳定性的综合技术。

(3)各向同性石墨制备技术及装备开发。研究天然石墨制备各向同性石墨的技术，突破天然石墨制备各向同性石墨的成型技术和加工技术，开展鳞片石墨和微晶石墨制备各向同性石墨材料的产业化技术研究。

(4)浸硅石墨制备技术及装备开发。研究浸硅石墨的规模化制备技术，研究制备工艺对浸硅石墨抗氧化性能、抗热震性能、摩擦性能及力学性能的影响，开展天然石墨制备浸硅石墨的产业化技术研究，开发配套的生产装备。

(5)高导热/导电/耐高温石墨复合材料制备技术。研究高导热/导电/耐高温石墨复合材料的制备工艺，突破石墨复合材料的界面改性技术和低成本制备技术，开展石墨及其复合材料的异质连接产业化技术研究，建立石墨复合材料导电、导热、高温力学等综合性能评价体系。

3.3 应用技术方面

以清洁高效加工和抢占高端应用为目标，攻克清洁高效采选、连续提纯的技术和装备，开发高性能膨胀石墨、高端柔性石墨密封材料、动力型锂离子电池用天然石墨负极材料、氟化石墨、高端金属/石墨复合材料等产品，推动其在相关行业中的应用。重点研究方向如下:

(1)石墨矿清洁高效采选技术工艺及装备开发。开发能耗低、环境友好、生产能力强的绿色保护性开采技术和工艺，研制自动化、大型化的石墨矿专用开采装备;研究选矿各环节对石墨大鳞片的损害规律，开发高效清洁且能保护石墨大鳞片的浮选技术及工艺，研发全流程自动化绿色选矿系统。

(2)石墨综合利用及尾矿资源化利用技术。开发适用于石墨及伴生有价元素综合回收的新型、高效、绿色药剂的开发和药剂配伍技术;研究石墨尾矿制备新型建材等产业化资源利用技术;研究石墨矿山生态治理与修复技术。

(3)节能环保型提纯技术工艺。开发改进型碱熔法-混酸法石墨提纯工艺及产业化集成技术，研制配套的高效清洁提纯关键装备;研究天然石墨微波化学提纯技术，中低温物理化学提纯技术，开发石墨提纯新工艺;研究高温提纯炉的加热、炉体材料、杂质分离等关键技术，研制配套的大型连续式提纯关键装备。

(4)高性能膨胀石墨制备与应用技术。开发低硫高抗氧化可膨胀石墨的制备技术及工艺，研制新型可膨胀石墨生产设备;研究细粒膨胀石墨的制备技术，开发使用细粒膨胀石墨的系列阻燃材料;研究膨胀石墨吸附材料制备技术，开发用于油污处理、污水净化等民生领域的吸附材料，研制能够现场生产吸附材料的可移动装备。

(5)高端柔性石墨密封材料研究。开发高强型、高导热型、缓蚀型、超薄型、高纯型、高导电型等系列高端柔性石墨密封材料制备技术、工艺及生产装备;制定不同用途柔性石墨密封材料的质量技术标准。

(6)动力型锂离子电池用天然石墨负极材料开发。研究石墨粉体改性技术、粉碎技术，突破小颗粒鳞片石墨球形化技术及工艺，开发节能高效的连续化生产设备;开发球形石墨及新型负极材料中有害磁性物质的高强去除技术;开展动力型锂离子电池用天然石墨负极材料的成分和结构设计，开发天然石墨负极材料的制备技术和成型技术，研发提高天然石墨负极材料倍率特性、低温性能和循环寿命的新技术及新工艺。

(7)氟化石墨关键技术研究。研究不同氟源的石墨插层技术，不同催化条件下前驱体合成技术，突破氟化石墨的低温合成关键技术，开发安全高效的合成工艺方法和专用设备。

(8)高端金属/石墨复合材料开发。开展金属/石墨复合材料的制备工艺及产品服役性能评价研究，突破金属/石墨的界面设计和调控技术，建立金属/石墨复合材料产品的性能数据库和生产示范线。

［1］尹丽文. 世界石墨资源开发利用现状［J］.国土资源情报，2011，(6):29 -32.

［2］崔源声，李辉，徐德龙. 世界天然石墨生产、消费与国际贸易［J］.中国非金属矿工业导刊，2012，(4):48 -51.

［3］苑金生. 我国石墨行业发展存在问题及改进措施［J］.中国非金属矿工业导刊，2008，(1):20 -22.

［4］沈万慈. 石墨产业的现代化与天然石墨的精细加工［C］.第28 届全国炭素技术信息交流会论文集，2012.

［5］沈万慈，康飞宇. 天然石墨精细加工技术及新材料的研发［C］.第十届全国新型炭材料学术研讨会论文集，2011.

［6］张丽娟. 欧洲着力推进石墨烯商业化进程［J］.科学中国人，2013，(7):14 -15.

［7］王国华，周旭峰，刘兆平. 石墨烯技术专利分析［J］.新材料产业，2013，(11):37 -45.