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“新材料之王”石墨烯的发展为高科技产业带来哪些启示?


编者按

刘忠范,北京石墨烯研究院院长,北京大学博雅讲学教授,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,首批教育部长江学者奖励计划特聘教授,首批国家杰出青年科学基金获得者,长期从事石墨烯的研究及产业化落地工作。本文根据2021中关村论坛全球科技创新高端智库论坛演讲实录整理而成,在文中,刘忠范院士分享了其从石墨烯研究到产业化过程中的心得体会。

我是做石墨烯研究的。早年主要从事石墨烯新材料的基础研究,后来开始关注实用技术研发,现在更进一步关注如何实现产业化落地。十几年来,我以石墨烯材料为抓手,做了很多基础研究、技术研发和产业化工作。希望跟大家分享一下我对高科技产业发展的体会和认识。


石墨烯:潜力巨大的“新材料之王”


石墨烯是一种新材料,号称“新材料之王”。它是最薄的材料,只有一个原子层那么厚;也是强度最大的材料,理论上比钢强百倍;还是导电性、导热性最好的材料。石墨烯是纯碳材料,100%由碳原子构成。所以跟现在特别时髦的“低碳”概念不同,它是“高碳”材料。当然,相信这种“高碳”石墨烯材料能够为“低碳经济”做贡献。


石墨矿属于天然的石墨。石墨是一种层状材料,层与层之间的结合力很弱,用胶带轻轻一撕就可以撕下来很多层。如果你有足够的耐心反复对折撕,最后可以撕出一个原子层厚度的石墨片,这就是石墨烯。早期的石墨烯实验研究就是用这种笨办法撕出来的,所以大家常常开玩笑地讲,石墨烯这个诺贝尔奖是透明胶带撕出来的。


安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫是石墨烯研究的先驱,他们非常有耐心,真的是用普通胶带一层一层地撕出来了石墨烯,并且首次测量了这种单层石墨片的性质,论文发表在2004年10月22日的《科学》期刊上。


这应该是石墨烯领域的第一篇热点文章,6年后两位先驱斩获诺贝尔物理学奖。这里我要强调的是,从零到一的原创性基础研究突破常常是“无心栽柳”的结果,源于科学家们强烈的好奇心和求知欲,很难进行规划和重点攻关。基础研究不是简单地规划和用钱砸出来的。没钱不行,光有钱也不行,基础研究有其自己的规律。


石墨烯作为一种神奇的新材料,拥有极为广阔的应用前景。可以想象的应用场景很多,尽管大部分尚处于研发阶段,比如电子信息、能源、功能材料、生物医药、节能环保、航空航天以及国防军工领域等。举几个大家在广告中常常看到的例子。第一个是石墨烯电池,严格意义上讲,应叫作石墨烯改性锂离子电池。原理上讲,石墨烯用作锂离子电池正极材料的导电添加剂,比当前主流炭黑导电剂拥有更大的优势。锂离子电池正极材料导电性差,需添加大量的非活性、轻组分导电剂,导致能量密度降低。

高性能石墨烯导电添加剂可显著降低用量,从而提升能量密度并实现快速充电。石墨烯的高导热性也有助于快速充放电时的散热,提高电池的安全性和稳定性。需要指出的是,单节电池的快充和整车快充不可同日而语,更须考虑充电枪和充电桩的功率限制。因此,部分商家所谓的“充电八分钟,能跑一千公里”的说法仅仅是营销噱头。


石墨烯涂料是人们关注最多的另一个话题。超薄石墨烯微片比传统玻璃鳞片(3—5微米厚)提供更好的物理屏蔽,延缓腐蚀介质的渗透。研究表明,绝缘性的氧化石墨烯或石墨烯衍生物添加量达到0.5%左右,氯离子的渗透即可降低一半,效果显著。在含有金属锌的重防腐涂料中加入0.3%左右的粉体石墨烯,锌的利用效率会更高,从而显著降低锌粉用量,降低成本。需要指出的是,比金属更稳定的高导电性石墨烯会加剧金属的电化学腐蚀,而石墨烯提供的物理屏蔽效应仅能满足短期防腐需求。因此,不能过度夸大石墨烯涂料的神奇效应。统计资料显示,2017年全球防腐涂料市场规模约250亿美元,其中石墨烯涂料市场规模约8亿美元。目前中国从事石墨烯涂料业务的企业约700家,主要分布在江苏省和广东省。


石墨烯在热管理和大健康领域承载着人们巨大的期望,也是目前最活跃的应用市场。石墨烯是理想的远红外辐射材料,也是导电性和导热性最好的材料。从发射频谱上看,石墨烯远红外线频谱与人体发射的远红外线频谱高度重叠,这也是所谓石墨烯发射“生命光波”的由来。利用石墨烯材料制造的电热转换设备,具有电热响应快、驱动电压低、发射率高以及电热转换效率高等优点。国内市场推出很多此类石墨烯电热产品,电暖画、电热服装、电热毯、加热眼罩、红外理疗房、地暖墙暖、护颈护腰等,都是这方面的例子。


回顾一下石墨烯的发展历史。从2004年年末至今,石墨烯已经走过了将近17年的历史。其中有几个非常重要的事件和时间节点。

2010年10月5日

石墨烯研究的两位先驱获得诺贝尔物理学奖,进一步推高了石墨烯的热度。

2013年

欧盟启动为期十年的“石墨烯旗舰计划”,每年投资1亿欧元,推动石墨烯材料走出实验室,打造新兴石墨烯产业。

2014年

国家发展和改革委员会、工业和信息化部等部门发布《关键材料更新换代实施方案》,石墨烯位列其中。同年,首家以石墨烯为主营业务的公司“第六元素”登陆新三板。

2015年3月

两位诺贝尔奖得主的东家英国曼彻斯特大学成立国家石墨烯研究院(NGI),同年10月23日习近平主席参访NGI,继而引发了国内延续至今的“石墨烯热”。

2018年10月25日

北京市成立北京石墨烯研究院(BGI),全力推进北京的石墨烯新材料研发工作,我担任首任院长。同年,华为发布采用石墨烯散热技术的Mate20X手机。

2018年12月10日

英国曼彻斯特大学成立“石墨烯工程创新中心”(NEIC),致力于基础研究和工程化齐头并进,抢占石墨烯新材料产业的先机。


截至2020年年底,国内号称从事石墨烯业务的企业超过2万家。这个数字可以说是全世界最庞大的,估计比其他国家的总和还要多。据不完全统计,目前中国拥有石墨烯产业园30个、石墨烯研究院54家、石墨烯产业创新中心8个。全国20多个省份的“十三五”规划中,都有石墨烯板块的产业布局,并出台了一系列支持政策。2016年,北京市启动石墨烯科技专项,致力于把研发资源优势转化为石墨烯产业发展优势。

许多上市公司密切关注石墨烯产业发展,据不完全统计,目前有60多家上市公司涉及石墨烯业务,涵盖了石墨烯产业链条的各个环节,其中以新能源相关企业居多。在基础研究方面,2011年开始,我国学者发表的石墨烯相关学术论文就已领跑全球,占比达到34%。在石墨烯相关专利申请方面,中国更是遥遥领先,全球占比达到68%。可以肯定的是,从统计数字上看,中国的石墨烯行业是居国际领先地位的。


石墨烯产业:制备决定未来


那么,石墨烯产业究竟处于什么发展阶段呢?我们用高德纳技术成熟度曲线来对标一下石墨烯材料。与其他新材料和新技术一样,石墨烯材料从实验室走向产业化也需要经历五个阶段:技术萌芽期、期望顶峰期、泡沫谷底期、爬坡期、稳定应用期。对石墨烯来说,2004年年底算是技术萌芽期,随后迅速得到人们的广泛关注,期望值越来越高,几乎成了无所不能的超级材料。2015年、2016年左右是炒作的高峰期,那时候石墨烯仿佛无所不能。但是现在大家渐趋冷静,过了炒作高峰。实际上,实验室里的材料和技术绝大部分很难走到最后,大部分中途夭折。政府决策部门,要有耐心,对新材料产业尤其要有耐心。对于石墨烯新材料来说,毕竟才17年的历史,未来的路还很长。


我一直强调,对于石墨烯产业来说,制备决定未来。材料是产业的基石,如果没有规模化制备技术的突破,就不可能有石墨烯产业。同样,如果没有扎实的制备科学基础研究,就会失去核心竞争力,所以也不能着急。还需要强调的是,缺乏针对性的基础研究也很难带来制备上的真正突破。如果我只是在北京大学实验室里带领学生做基础研究,尽管可以发一大堆论文,申请无数的专利,但是很难对石墨烯材料的产业化落地有帮助,这是我现在的切身体会。尤其需要指出的是,石墨烯材料的质量提升是一个循序渐进的过程,需要不懈的努力和耐心。石墨烯材料的产业化不可能一蹴而就,尽管并非把材料做到尽善尽美才能形成产业,这是一个发展过程,没有例外。


我经常开玩笑地把石墨烯分成两大类:男石墨烯和女石墨烯。男石墨烯对应于石墨烯粉体材料,属于傻大黑粗型的材料;女石墨烯对应于石墨烯薄膜材料,属于白富美和高大上型的材料。两种石墨烯材料的制备方法不同,用途也完全不同,不可同日而语。


现在离产业化比较近的、国内研究比较多的是粉体石墨烯材料。粉体石墨烯材料的制备现状是什么样呢?2018年,新加坡国立大学的研究人员发表了一篇文章,认真检测了来自全球60家企业的粉体样品,发现大部分材料的石墨烯含量低于10%,也就是其中有90%不是石墨烯。而且,作为纯碳材料的石墨烯,碳含量竟然不足60%。可以想象,这样的材料怎么可能肩负起石墨烯产业的未来?我们必须在材料上狠下功夫。还是那句话,制备决定未来。


高温炉子里烧制出来的薄膜材料也是一样。2018年,我们写了一篇60多页的综述文章,总结了团队十年来的石墨烯薄膜生长工作。实际上,对于石墨烯薄膜而言,理想和现实之间存在巨大的鸿沟。理想的石墨烯薄膜是完美的二维单晶材料,而现实的石墨烯薄膜是由单晶碎片堆积起来的富含缺陷的多晶薄膜,就像一件缝补起来的破衣服。道理上也不难理解,石墨烯薄膜的高温生长过程非常复杂,涉及诸多基元反应步骤。真正完美的石墨烯生长,必须设计和控制好每一步,现实中是很难做到的。其实做大不难,提高产量并不难,但是做好很难,这就是现状。


致力打造一个千亿级石墨烯产业帝国


我的团队可谓是“十年磨一剑”。我们从2008年开始进入石墨烯领域,至今已经13年了。早年我本人研究的是石墨烯的姊妹篇——碳纳米管,二者的制备方法、性能检测方法非常类似,基础是相通的。这样算起来,我已经从事20多年的石墨烯相关研究了。进入石墨烯领域之初,主要关注基础研究,用化学气相沉积方法生长石墨烯薄膜,研究其好玩的性质,探索其可能的应用。后来下决心做点真正有用的东西,发展石墨烯薄膜材料的规模化制备技术,这是石墨烯产业的基石。从实验室样品到规模化产品,是一个重要的跨越,成立了北京石墨烯研究院。有了更大的平台和更大的舞台,可以做实验室所不能做的事情。


北京石墨烯研究院(BGI)是由北京市政府和社会资本共同出资、北京大学牵头建设的新型研发机构,2018年10月25日正式揭牌。研究院落地中关村北区翠湖科技园,一期研发大楼2万平方米,注册资本3.226亿元,十年规划总投资20亿元,现在人员规模已经达到240人。研究院的定位是石墨烯产业核心技术策源地、高端石墨烯材料生产和装备研发基地、面向全球企业的“研发代工”平台、高科技人才汇聚地和创新创业基地,以及政产学研协同创新机制探索基地和新型研发机构示范区。研究院重点关注三大业务板块:石墨烯材料规模化制备技术和装备研发,面向未来石墨烯产业的核心技术研发,以及面向当前市场的企业研发代工。


过去三年来,我们已经实现了不少规模化和产业化的明星产品。比如,第一个是领跑世界的A3尺寸石墨烯薄膜,年产1万平方米。每张A3尺寸的石墨烯薄膜售价2万元,还很贵。第二个是单晶石墨烯晶圆,4英寸晶圆年产10000片,6英寸晶圆年产12000片,每片售价3000美元以上。第三个是超洁净石墨烯薄膜,目前只有我们能够生产这种最高质量的石墨烯薄膜。石墨烯在高温炉子里“长”出来的时候非常脏,我们率先实现了超洁净生长。这种超洁净石墨烯的性能接近理论极限,代表着石墨烯薄膜制备的最高水平。第四个是超级石墨烯玻璃,我们自己发明的技术,年产5000平方米。我要强调的是,这些石墨烯材料的生产装备都是我们自己研制的,BGI拥有自己的石墨烯装备研发中心,已经研制出一系列新型石墨烯生长装备。


北京石墨烯研究院的优势在于,我们拥有三大协同创新团队:基础研究团队依托北京大学高水平的研究生和博士后队伍,还有专业的工艺研发团队和装备制造团队。三个团队协同作战,缺一不可,快速推进着石墨烯材料的规模化生产工作。显而易见,单纯在北京大学做基础研究,没有后两个团队很难实现规模化生产;而只有后两个团队,没有强大的基础研究支撑,也很难有竞争力。对于石墨烯新材料来说,规模化是一个重大的跨越,也是推进材料产业化的关键。

现实情况是,大部分的人都是在实验室里做研究,做出来的是石墨烯样品,谈不上是石墨烯材料。做材料规模化制备的团队很少,相比做样品来说难得多。我的实践体会是,在石墨烯材料研发方面,基础决定实力,工艺决定质量,装备决定胜负。基础研究至关重要,没有扎实的基础研究做支撑,就没有实力和竞争力。2021年9月,国家自然科学基金“石墨烯制备科学”基础科学中心正式获批成立,依托北京大学和北京石墨烯研究院。这是石墨烯领域的第一家基础科学中心,是对我们过去十几年来工作的认可,也是我们继续前行的信心和基础。只停留在基础研究阶段,没有规模化制备工艺的研发,就不可能生产出高质量的石墨烯材料。与此同时,自己做装备非常重要,装备是工艺的“固化”,先进的制备工艺需要新的装备来实现。当然,自行研发装备也是保护自主知识产权的重要举措。


实现从研究思维到工程和产业思维的跨越


我的另一个体会是,从基础研究走向产业化时,必须转变思维方式,实现从研究思维到工程思维和产业思维的跨越。这一点极为重要。研究思维是好奇心驱动,是发散性的思维方式。新奇特很重要,创新性来源于此,这是科学家的思维模式;工程思维是聚焦一个特定的东西,造出一个具体的东西来,比如一座桥梁,不能满足于搞花样,这是工程师的思维方式;产业思维是必须考虑市场因素,考虑成本、价格和可竞争性。实际上,并非最好的技术和最好的材料才能进入市场、占领市场。对于石墨烯新材料来说,光有研究思维肯定不行,要有工程思维,还要有产业思维,三者有效结合才能真正推动产业发展。我认为,产学研协同创新的关键是让科学家、工程师和企业家有一个公共平台、共同的抓手和利益共享机制,三者缺一不可。


现在大家经常讲的科技与经济“两张皮”的问题,实际上就是产学研协同创新机制还没有理顺,还有很大的提升空间。目前存在两种截然不同的产学研协同创新模式:一个是单一主体内的协同创新模式;另一个是多个主体之间的协同创新模式。像华为这样的大型高科技企业就是典型的单一主体协同创新模式,他们自己拥有科学家团队、工程师团队以及市场运作团队,在一个统一的目标和利益链上协同创新。而多主体的协同创新模式涉及大学、科研院所、新型研发机构或创新中心以及企业等独立实体,希望在共同的目标牵引下,步调一致地协同创新。


两种模式哪一种更高效其实一目了然,前者就像一台高速运转的机器,而后者则像多台同步运转的机器群,难度完全不同。在当前情况下,我们更多地重视多主体的协同创新模式,让一大堆机器顺畅地协同运转,选择的是一条难度极大的路径,值得深思。我认为,应该更多地推进单一主体的协同创新模式,让千千万万个具有内部协同创新能力的企业成长起来,这才是解决产学研协同创新难题的根本之道。


大家的共识是,工程化研发是基础研究成果走向产业落地的必经之路,也是当前我国产学研协同创新链条的薄弱环节,而企业才是一切基础研究和技术研发成果转化落地的关键所在。没有企业机制,没有企业家的担当,“卡脖子”技术永远解决不了。我们要像尊重和重视科学家那样对待企业家,中国的高科技产业才能更好地发展。


发展石墨烯产业绝非一朝一夕的事情,需要国家意志和市场意志的有机结合,需要长期不懈的努力和不屈不挠的坚持,可持续发展能力是走向未来的关键所在。


来源:科技创新、龙江石墨等

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