我國是石墨烯研究和應用開發(fā)最活躍的國家之一，相關產(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域的研發(fā)應用已取得新突破，常溫高導電復合材料具備產(chǎn)業(yè)化應用的基礎。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超級銅粉、超級銅線、超級銅帶材等產(chǎn)業(yè)化能力，以及復合線材等制備規(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，對全球經(jīng)濟、科技、環(huán)境等各個領域發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。在石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CGIA）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熱率，使石墨烯新材料在發(fā)揮其導熱性和導電性的應用領域中為人們所青睞。

李義春介紹，根據(jù)石墨烯出眾的性能特點，可以將其應用領域大致分為電子信息、能源儲存與轉(zhuǎn)換、復合材料、生物醫(yī)藥、環(huán)境工程等。在這些領域中，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)預測，2023年至2028年，整個石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模的年均復合增長率將達到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?！敝袊茖W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研究和專利申請方面已經(jīng)取得了世界領先的地位，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。

常溫高導電材料研發(fā)取得新進展

經(jīng)過8年研究攻關，正泰集團在常溫高導電石墨烯銅復合材料領域已經(jīng)取得了多項重要成果?！肮鹃_發(fā)的高導電石墨烯復合材料在2024年8月的第三方導電率測試中取得了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)目標對材料導電性能的要求。”浙江省工商聯(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)，在制備高導電石墨烯銅復合材料時，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合材料已經(jīng)成功應用到觸點領域，并率先實現(xiàn)觸點的產(chǎn)業(yè)化，打通了從原材料到復合材料再到觸點產(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。

在高導電石墨烯銅復合材料研發(fā)中，核心任務就是具有高性能優(yōu)勢的石墨烯銅復合材料的穩(wěn)定制備，而其核心指標就是如何實現(xiàn)材料導電率的提升。

“在初步實現(xiàn)高導電石墨烯銅復合材料制備后，我們組建了三支團隊、用三種方法來開發(fā)高導電石墨烯復合材料，在2021年初才逐漸找到了提高導電能力的關鍵影響因素，并逐步提升導電能力。”南存輝說。

中國電力科學研究院電工新材料研究所電工導體材料研究室主任丁一說，根據(jù)測算，導電率提高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用場景。依托自主研發(fā)的超高導電石墨烯銅復合材料，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?！蹦洗孑x說，“一方面，進一步建立和發(fā)揮復合技術(shù)及設備研發(fā)、批量制備、性能檢測、產(chǎn)品應用測試等平臺在技術(shù)應用研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化方面的優(yōu)勢，加快關鍵技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化，同時，重視人才隊伍建設及培養(yǎng)，堅持以產(chǎn)業(yè)化思維、工程化思維培養(yǎng)科創(chuàng)人才?！?/p>

石墨烯復合材料涉及多個環(huán)節(jié)，劉忠范等專家認為，應加強原材料供應商、石墨烯生產(chǎn)企業(yè)、應用企業(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型號的開關中進行產(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，才實現(xiàn)了新產(chǎn)品的落地和批量化應用。

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，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研究、人才、技術(shù)方面的優(yōu)勢，協(xié)同攻克高導電石墨烯銅復合材料產(chǎn)業(yè)化制備、應用等關鍵技術(shù)，共同實現(xiàn)石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化和應用推廣。（記者 袁震宇 魏一駿）