石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子層厚度的二維晶體，作為唯一的二維碳材料，結(jié)構(gòu)的特殊性也讓其在性能上呈現(xiàn)出其他碳材料所不具備的優(yōu)勢——強度高、韌性強、透光率高、重量輕、導(dǎo)電性佳、導(dǎo)熱性優(yōu)。

制造之難

在中科院上海微系統(tǒng)所(下稱“中微所”)研究員丁古巧看來，獨特的結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)異性能從某種程度而言也成為石墨烯材料普及的制約因素。“從材料結(jié)構(gòu)而言，單個碳原子層組成的二維材料，沒辦法單獨使用，而石墨烯自身化學(xué)鍵飽和，又很難和其他材料復(fù)合。”丁古巧介紹道。

丁古巧所在的課題組從2009年就開始進行石墨烯材料的基礎(chǔ)科學(xué)研究，不斷追求更環(huán)保、更高質(zhì)量、規(guī)模化的石墨烯材料制備技術(shù)，在從通常使用的強氧化技術(shù)，逐漸發(fā)展到少使用或不使用強酸強氧化劑的機械剪切剝離技術(shù)。

這種剝離工藝和英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫最初從石墨材料中分離出石墨烯的方法如出一轍，即利用每個原子層之間相對微弱的結(jié)合力，用透明膠帶粘住石墨片層的兩面，反復(fù)粘貼撕開，直到獲得只有一層原子厚度的石墨烯。

看似簡單的提取方式雖然可以獲得高品質(zhì)的石墨烯，但石墨烯的大小只能靠運氣且很難實現(xiàn)量產(chǎn)，因為1毫米厚的石墨薄片就能剝離出300萬層石墨烯。除此之外還有氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、超聲剝離法等。

“多數(shù)化學(xué)方法制備的石墨烯，并不是純石墨烯，其實質(zhì)為多層的石墨堆積，產(chǎn)品質(zhì)量無法得到保障;化學(xué)氣相沉積制備石墨烯薄膜成本高，成品率低，難以進行批量化生產(chǎn)。”弗若斯特沙利文全球合伙人兼大中華區(qū)總裁王昕博士告訴記者。

目前的石墨烯主要有兩種形態(tài)，一種是石墨烯薄膜，一種是類似炭黑的石墨烯粉體，兩者的應(yīng)用方向也不盡相同。薄膜形態(tài)的石墨烯已經(jīng)可以大規(guī)模生產(chǎn)，包括重慶墨希科技有限公司、常州二維碳素、無錫格非等公司。

但石墨烯粉體則是爭議最為集中的領(lǐng)域。一些公司和機構(gòu)將單層和多層混為一談，將厚度遠遠超過10個原子層的石墨烯微片或石墨烯納米片也稱為石墨烯。“目前國內(nèi)很多公司號稱可以做100噸、500噸甚至上千噸，夸大成分比較大，且大部分并不是真正的石墨烯，非專業(yè)人士很難分辨清楚。”丁古巧說道。

科研和產(chǎn)業(yè)未有效銜接

目前我國的石墨烯生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)超過百家，尤其在常州、青島、重慶、無錫、深圳等地形成了產(chǎn)業(yè)集群。但與海外三星、IBM、諾基亞、英特爾、陶氏化學(xué)等大公司推動產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不同，中國的石墨烯生產(chǎn)多集中于中小型公司，大型企業(yè)較少參與。

但推至科研角度而言，中國在石墨烯研究處于世界領(lǐng)先位置。根據(jù)中華人民共和國知識產(chǎn)權(quán)局、Wind數(shù)據(jù)庫資料，2015年中國專利申請數(shù)量達7925個，居全球第一。而從專利布局來看，企業(yè)和學(xué)校總占比達80%以上，公司占比低于學(xué)校，產(chǎn)業(yè)化進程提速有限。

而在王昕的觀察看來，“我國雖然科研人員和成果數(shù)量大，但高精尖的原始科研成果還較少，大多采用跟蹤研究的方法，重大創(chuàng)新還比較少，研究成果還主要集中在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，高端應(yīng)用技術(shù)還相對薄弱。”

空有產(chǎn)能銷量低迷

更為值得關(guān)注的是，應(yīng)用技術(shù)突破難導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈下游尚未形成，很多宣稱能夠生產(chǎn)上百噸石墨烯的公司，空有產(chǎn)能，卻很難賣出產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)能夠規(guī)模化量產(chǎn)的石墨烯公司只有少數(shù)幾家。記者查詢了各家官網(wǎng)公開資料，如常州第六元素材料科技股份有限公司2013年11月，一條年產(chǎn)100噸氧化石墨(烯)的自動化生產(chǎn)線宣布投產(chǎn)，并預(yù)計2016年可年產(chǎn)1000噸粉體石墨烯，銷售收入超過6億元。

但根據(jù)2016年年中業(yè)績報告，2016年上半年凈利潤為-1367.27萬元，比去年同期下降38.83%。石墨烯粉體收入增加約 122.71萬元，觸摸傳感器收入增加了322.77萬元，雖然產(chǎn)品下游市場應(yīng)用逐步打開，但銷售遠不及預(yù)期。而常州二維碳素材料有凈利潤-521.4萬元，青島華高墨烯明細利潤-283.8萬元。

空有產(chǎn)能，投入大量資金于設(shè)備、人員，卻很難賣出產(chǎn)品，成為我國石墨烯生產(chǎn)的尷尬現(xiàn)狀，由于下游需求未起，大部分石墨烯企業(yè)目前仍無法找到穩(wěn)定的商業(yè)模式和盈利模式。

在石墨烯行業(yè)專家看來，雖然從2015年開始下游廠商對于石墨烯的應(yīng)用積極性大幅提升，但目前市場上大部分下游企業(yè)家對于石墨烯還停留在概念上，并不清楚怎么使用。

“不少企業(yè)購進石墨烯材料等相關(guān)產(chǎn)品后，不針對產(chǎn)品特性進行加工工藝的改變。在這種情況下，石墨烯材料即使品質(zhì)再高，也難以發(fā)揮其優(yōu)越性，造成‘材料好、用不好’的現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)。”王昕表示。

此外，從新材料到新產(chǎn)品轉(zhuǎn)變的周期較長，下游企業(yè)必須確保添加石墨烯材料的產(chǎn)品具有穩(wěn)定性。拿電池生產(chǎn)企業(yè)舉例，一批產(chǎn)品約需3個月出試驗結(jié)果，同款產(chǎn)品要做5~6批穩(wěn)定性試驗才能確定其穩(wěn)定性，決定是否導(dǎo)入。

“石墨烯的成本過高、在鋰電池中工藝特性不兼容等問題，使得‘石墨烯電池’這個技術(shù)接近于不存在。”王昕直言。

此外，一些企業(yè)粗制濫造生產(chǎn)的東西沒有人要，到處忽悠，使得市場對石墨烯的認知模糊，而當不成熟的產(chǎn)品盲目投放到市場，會帶有很大潛在風(fēng)險，同樣是以電池生產(chǎn)為例，使用安全性究竟如何仍需要不斷測試。

產(chǎn)業(yè)化路徑

在石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面，國外大公司的推動力量尤為明顯。以韓國為例，由于石墨烯在三星的主營業(yè)務(wù)領(lǐng)域均有著重大的應(yīng)用前景，因此對于石墨烯的研究應(yīng)用極為重視，不僅成立了自己的研發(fā)中心，還和韓國成均館大學(xué)合作，積累了大批石墨烯相關(guān)的技術(shù)專利。

而在美國擁有IBM、英特爾、波音等大公司，有利的創(chuàng)業(yè)環(huán)境催生了眾多小型石墨烯企業(yè)，形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋從制備及應(yīng)用研究到石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)，直至下游應(yīng)用全環(huán)節(jié)，加速了石墨烯的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進程，產(chǎn)業(yè)布局呈多元化。

在中國“企業(yè)+研發(fā)機構(gòu)+孵化器+加速器”的發(fā)展模式尚在摸索起步階段，石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化路線及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的階段目標、重點任務(wù)、重大工程等仍需要進一步明確。

下游應(yīng)用反饋到科研方面，下游應(yīng)用商到底需要什么性能的產(chǎn)品，能夠接受的價格是怎樣，想要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域，科研機構(gòu)才能更具針對性地進行研發(fā)。

“只有得到下游應(yīng)用需求的支撐，石墨烯產(chǎn)業(yè)才能真正散發(fā)出生命力和可持續(xù)性。”王昕表示。