石墨烯产业需要工匠精神

牛禄青

应像欧美日韩等产学研界一样，持之以恒、精益求精地攻坚克难，掌握核心技术，而不是炒作概念、盲目跟风、急功近利

迄今发现的厚度最薄、重量最轻、强度最高、透光最好、导电导热最优的新材料是谁啊？非石墨烯莫属。石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

自2004年石墨烯被英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫破天荒发现，特别是2010年因此获得诺贝尔物理学奖，短短六年时间，在全球引发了一浪高过一浪的“石墨烯风潮”。高校科研机构卯足了劲，发表论文、申请专利如下饺子，政府纷纷制定宏大的战略规划并提供政策支持，资本、企业更是豪掷千金、为之疯狂，都想在第一时间抢占石墨烯产业第一高地、拔得头筹。

我国石墨烯产业发展的火爆程度有过之而无不及，但同国外重视石墨烯基础理论研究、高端应用和理性投资相比，中国的一系列发展乱象令人担忧，轰轰烈烈的“造烯运动”已陷入泡沫化、低端化、应用乏力、小散乱等困境。作为二维碳材料，石墨烯本是极具前沿的高端科技，应像欧美日韩等产学研界一样，持之以恒、精益求精地攻坚克难，掌握核心技术，而不是炒作概念、盲目跟风、急功近利。

事件 华为推出石墨烯基锂离子电池

华为公司中央研究院瓦特实验室在第57届日本电池大会上宣布推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示，以石墨烯为基础的新型耐高温技术可将锂离子电池上限使用温度提高10℃，使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

自2015年10月华为与英国曼彻斯特大学达成石墨烯应用研究项目后，业界很期待华为能在石墨烯领域推出“颠覆性”成果。此电池的推出，意味着石墨烯助力的高温锂离子电池研究取得重大突破。

华为瓦特实验室首席科学家李阳兴表示，石墨烯基高温锂离子电池的技术突破主要来自三方面：在电解液中加入特殊添加剂，除去痕量水，避免电解液的高温分解；电池正极选用改性的大单晶三元材料，提高材料的热稳定性；同时，采用新型材料石墨烯，可实现锂离子电池与环境间的高效散热。这三项技术突破的协同发力，让华为这款新电池的性能秒杀目前市面上的大部分锂电池。其中，石墨烯起到的作用是高效散热，而非电池的正极或负极材料。

据了解，华为计划将“石墨烯增强电池”用于沙漠、阳光直晒等高温极端环境的移动网络基站，使用该高温锂离子电池的外挂基站工作寿命可达4年以上。

有业内人士指出，华为石墨烯基锂离子电池里面的“石墨烯”仅用于提升锂离子电池散热效果。而电池电极上也并没有使用石墨烯材料提高导电性，更没有直接使用石墨烯材质制作电池主体。但是一些公众号和科技媒体可能出于蹭热度或者某些利益原因，却以“石墨烯”为切入点，胡编乱造出“华为正式发布石墨烯电池”或者“华为开启石墨烯商用时代”之类的言论，极大地误导了一般读者。

背景 红红火火石墨烯

在经历了2014年至2016年的高速发展后，目前我国约有400多家经营石墨烯业务的企业，约占全球石墨烯企业数量的3/4，主要集中在长三角、珠三角和京津冀鲁区域。将石墨烯作为主营业务的约70家，多呈小型、初创等特点。按经营业务划分，还可进一步分为石墨烯粉体企业和石墨烯薄膜企业，前者数量约50家，后者约10家。

除了资本的角逐和推波助澜，石墨烯也引起了国家层面的关注。最近两年间，国家主席习近平先后3次考察和调研石墨烯产业，并对其寄予厚望。中国政府还陆续出台了多项支持政策。《中国制造2025》重点领域技术路线图中提到，中国石墨烯产业未来总体目标是“2020年形成百億产业规模，2025年整体产业规模突破千亿”。

当前，中国是石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。据统计，我国石墨烯专利和论文全球第一，已成为全球范围内石墨烯出版物和专利的领先者，申请的石墨烯专利数量占全球总数的1/3，位居首位。全球第一条和第二条规模化量产的石墨烯生产线也诞生在中国。宁波、常州、无锡、青岛、重庆等地都纷纷设立了石墨烯产业园区。

联盟秘书长李义春表示，因为大批企业投身石墨烯产业化，2016年石墨烯产值预计将达到30亿元，远远超过去年的6亿元。还有很多企业正在尝试产业化，2017年估计有五个到六个新领域产业化应用会突破。到2018年，石墨烯产值预计可达到100亿元，整个行业将迎来应用爆发年。

此外，《石墨烯材料的术语、定义及代号》国家标准已基本完成制定工作，正在报批程序中。

伴随着中国企业和专利爆发式的增长，“中国国际石墨烯创新大会”已连续举办了三届。石墨烯联盟秘书长李义春深有感触地说，三年间，全国石墨烯企业如雨后春笋般诞生，仅从大会上来看，一方面参会企业明显增多，另一方面在单位构成上，已由最初80%～90%是政府、高校及科研院所，转变为70%～80%为企业。

“石墨烯主要以石墨烯粉体及石墨烯薄膜两种形式存在。”中国非金属矿工业协会石墨专委会副秘书长刘荣华介绍说，石墨烯粉体通过天然石墨制备，应用于新材料领域和能源领域。新材料领域包括防腐涂料、散热材料、电学材料和功能增强材料等；能源领域包括超级电容器和锂离子电池。石墨烯薄膜通过甲烷制备，应用于电子领域、环境领域和医药领域等。电子领域包括触控屏、电子元器件、传感器材料和燃料电池材料等；环境领域包括金属污染土壤修复、重金属污染治理、海水淡化和雾霾预警等；医药领域包括靶向药物输送和催化载体等。

刘荣华认为，石墨烯处于产业化突破前的黎明期，在复合材料、锂离子电池正极材料以及电子触摸屏领域最有希望率先产业化。“长期来看，石墨烯想象空间最大的应用领域是替代硅，成为下一代超高频率晶体管基础材料，应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。”

由于具有超强特性，石墨烯将给各个领域带来令人惊奇的巨大变化。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会提高数百倍，这项应用在未来的数据中心、智慧城市等建设中，可发挥作用的空间不可限量；石墨烯电子显示屏，不仅更薄、透光性更好，还更有韧性和柔性，不容易破损，甚至还能够卷起来；用石墨烯制造的感光元件，性能增强千倍，在昏暗的光线环境中，依然能够捕捉到较为清晰的物体影像。不难看出，石墨烯应用前景巨大、潜力无限，这正是全球各国争相布局石墨烯产业的原因。

《中国制造2025》明确了石墨烯在战略前沿材料中的关键地位，并提出到2020年形成百亿产业规模，规模化制备及在储能、印刷电子、航空航天复合材料、海洋工程防腐等应用领域达到国际先进水平；2025整体产业规模突破千亿，电动车锂电池石墨烯基电极材料产业规模达万吨级，海洋工程等石墨烯基防腐涂料产业规模达十万吨级，柔性电子用石墨烯薄膜产业规模达上亿平方米。

重点的发展领域包括：石墨烯基电极材料在电动车领域应用，石墨烯基防腐材料在海洋工程领域应用，石墨烯薄膜在柔性电子领域应用，石墨烯基散热材料在光电领域应用，以及石墨烯材料的规划化制备技术。

焦点 高端产业低端化

尽管中国的石墨烯基础研究和产业化研发都取得了巨大的进步，在国际上位列第一方队，但也暴露出制约石墨烯产业持续发展的诸多问题。很多人误认为进入石墨烯行业的门槛很低，并且误以为石墨烯时代就在眼前。实际上石墨烯相关基础研究的热潮刚刚退去，石墨烯原材料的规模化生产才刚刚开始，应用研究也只能说逐渐走出实验室。就现状而言，石墨烯仍处在产业化前夜，至多是起步阶段。这种认识上的误区导致很多人盲目乐观，盲目进入石墨烯领域。

中关村石墨烯产业联盟理事长、北京大学教授、中科院院士刘忠范指出，我国拥有庞大的石墨烯新材料研发队伍，但仍处于分散的、小作坊式的无序发展阶段；石墨烯产业园区建设盲目冒进，简单重复，特色不清；整个行业存在急功近利的倾向，只重视低端产出，轻视对未来石墨烯产业核心技术的关注和投入。

“这张是中国石墨烯产业园区布局图，我经常要更新这张图，其中20多个产业园我都去过；这一张是‘大跃进时期河北省徐水县修建的土高炉，当前全国轰轰烈烈的石墨烯产业园建设运动让我想起了当年的大炼钢铁运动，这种运动式的做法会带来很多问题。”刘忠范不无担忧地说。

工信部赛迪研究院原材料工业研究所博士李丹表示，我国石墨烯研究基本上属于自发性的群众运动，一大堆人哄抢一块蛋糕，投入非常分散，缺少国家层面的全局性规划，这样很难布局长远目标。“这样的发展模式常常带来表面上的繁荣，并且造成人力、物力和财力资源的严重浪费。”李丹直言。

据了解，尽管石墨烯主要被当作改性添加剂广泛应用于涂料、复合材料、动力电池等领域，但对其品质要求并不高，产品附加值也不高，无法真正体现石墨烯作为高性能、高品质材料的特性和价值。除产品附加值低之外，低端产能扩张过快、产品同质化严重等也困扰着石墨烯的发展。

石墨烯的发现者安德烈·海姆在2016年中国国际石墨烯创新大会上指出，中国目前推出的石墨烯产品普遍呈低端化特点，还没有发挥石墨烯的“真正能量”。

究竟低端到什么程度呢？这里列举一二，有枕头、电热毯等床上用品，有护肩、护膝、护腰等健康产品，有内衣、袜子、鞋底、鞋垫等鞋服产品，有散热器、充电宝、移动电源等电子电器产品，还有轮胎等汽车产品。而国外大企业都是应用于光电器件、传感器、医药、环保材料等高端领域。

从科研角度看，中国的石墨烯研究处于世界领先位置。根据中华人民共和国知识产权局、Wind数据库资料，2015年中国专利申请数量达7925个，居全球第一。而从专利布局来看，企业和学校总占比达80%以上，公司占比远远低于学校，产业化进程提速有限。

我国虽然科研人员和成果数量大，但高精尖的原始科研成果还较少，大多采用跟踪研究的方法，重大创新还比较少，研究成果还主要集中在基础研究领域，高端应用技术还相对薄弱。

清华大学深圳研究生院院长、碳材料专家康飞宇曾公开表示，我国虽然在石墨烯论文发表量上位居全球首位，但不少科研院所并不知道产业界到底要什么，科研和应用脱节问题突出。

我国企业通常重视短期发展急于变现，对研发的投入也不够。据了解，国内的石墨烯产品多为针对两三年以内可以形成产业的应用。例如将石墨烯添加到现有材料里提升其

性能。石墨烯的高端应用需要大量资金投入，而且风险很高，五年后才可能形成产业应用，国內民营企业很难有实力去进行布局。

中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春指出，与国外相比，中国企业在石墨烯高端应用上的投入差距巨大，相关的高端研发技术落后三年，研发成果已落后五年。因此，李义春建议，政府应在石墨烯高端领域的研发上加大资金支持力度。

启示 呼唤工匠精神

所谓“高端应用”，是指具有高技术含量、高附加值的应用。石墨烯极高的导热性、导电性、比表面积等优良特性，使其成为储能、电子、光电器件的首选材料，这些也是石墨烯最有可能发挥决定性作用，成为不可替代的“超级材料”的应用场景。大材小用无异于延误战机、竭泽而渔。

在高端应用中，石墨烯的空间有多大？刘忠范认为，超级石墨烯光纤、超级石墨烯玻璃、石墨烯透明电极和外延缓冲层或许会成为石墨烯“杀手锏”级的应用。

对于发达国家石墨烯产业发展的现状，李丹表示，美国在石墨烯专利布局方面比较全面，日本在薄膜晶体管领域处于领先地位，韩国在纳米器件领域具有领先优势，欧盟则把石墨烯研究作为首批技术旗舰项目之一。

针对当前我国石墨烯发展乱象丛生的局面，李丹提醒，石墨烯产业化进程不能一拥而上、一蹴而就，而是一个长期、缓慢的过程。目前，资本市场将石墨烯捧成了“上帝材料”，但国内研究缺少有价值的专业研发成果，石墨烯市场“虚火过旺”。

中科院国家纳米中心研究员智林杰也建议，要推动石墨烯产业健康发展，从技术角度来看，首先需要一批石墨烯企业静下心来，将石墨烯制备做好，因为制备技术优化是石墨烯高品质应用的前提。

刘忠范表示，“未来的石墨烯产业注定是一块很大的蛋糕，但中国能切到多少还取决于我们现在关注什么，是明天的技术，而不仅仅是今天的产品。中国的石墨烯产业呼唤工匠精神，精益求精，追求极致，不屈不挠。”

石墨烯作为一种战略新兴材料，国家既要积极谋划布局，更要加快科研体制改革步伐，确立以企业为主体的创新体系。我们不能过于急功近利，既要关注今天的产品，更要关注未来的核心技术。只有拥有这些核心技术，才能拥有石墨烯产业的未来。

改革开放之初，诺贝尔奖获得者杨振宁先生曾经给邓小平写过一封信，信中指出：中国的科学研究倾向于走两个极端，或者注重原理的研究，或者注重产品的研究，反过来对这两种研究之间的发展性研究似乎没有被注重。发展性研究是一种中期的投资，希望5年、10年或20年，成果能增强社会生产力。这种投资是中国十分脆弱的环节。杨振宁先生的这段话仍然具有现实意义，值得我们深思。

在急功近利的当下，石墨烯产业发展迫切需要“工匠精神”。当年碳纤维的研发历史就是一个很好的例子。日本东丽公司花费了近半个世纪，投入了1400亿日元，才推开了碳纤维在航空航天领域应用的大门，开启了碳纤维应用新时代。石墨烯拥有光明的未来，但需要耐心和坚持，需要踏踏实实的研发。华为今天的成功，也是来自于坚持不懈的研发。