中科院院士刘忠范：石墨烯——新材料的洼地，在能源领域将大有可为
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中国科学院院士、中国投资协会能源投资专业委员会专家委员会首席专家、北京大学纳米科学与技术研究中心主任刘忠范院士近日出席由中国投资协会主办，中国投资协会能源投资专业委员会承办的2018中国能源投资发展论坛，他分享了对石墨烯产业的看法以及他所做的工作。
刘院士指出，石墨烯目前在中国是最时髦的词之一，在中国正式注册的石墨烯相关的企业有2059家。按照去年增长的速度来看，他估计现在已经超过了2500家。实际上，据不完全统计，全国各地都在建石墨烯产业园、产业创新中心和各个相关的机构，现在可能已经超过50家。他说，在中国比较特殊的是，很多投资机构、上市公司都参与了对石墨烯产业的推动作用。截止2017年10月19日的统计数据，有不少已经赚钱。现在中国非常多的人参与石墨烯基础研究和产业推动，在全球石墨烯的专利申请方面是遥遥领先。截止到一年前专利的申请情况，我国占了58%，第二位韩国占比17%，美国占比13%，石墨烯的发源地欧洲占了一少部分，中国是遥遥领先。
石墨烯的确号称新材料之王，它是最薄最轻的材料，也是最结实、最坚硬、最软的材料，还是最好的导电材料和导热材料，加上碳原子，它是柔性的、透明的，一层光吸收是2.3%，97.7%的光是透过去的，所以石墨烯是非常稳定的透明导电材料。
去年2月份在西班牙巴塞罗那开的世界移动通信大会上，由某企业和曼彻斯特大学共同推进的石墨烯汽车，结构部件用石墨烯，车体用石墨烯。虽然碳纤维很轻，但石墨烯比碳纤维还轻。有很多的传感器，包括电池都可以用石墨烯来做。石墨烯还可以用到各种各样的传感器当中，在未来的物联网建设当中，石墨烯是不可忽视的关键材料之一。
石墨烯还可以应用在穿戴设备上，因为是透明导电，所以在可穿戴领域有非常广阔的开拓空间。在数据通信的应用上，石墨烯有可能代替硅，可以做快速光通信，发展空间非常大。在能源技术，石墨烯不仅可以应用在电池领域，还可以在光伏领域做导电薄膜，也有广阔的应用空间。
复合材料石墨烯是轻质高强材料，市场空间非常大。国内现在关注最多、炒作最多的还是与电池相关的产业。石墨烯在能源领域的应用主要体现在电池材料，电池材料基本上是导电添加剂的10%-15%，石墨烯可以有效的提高它的倍率性能和存放电的特性等。石墨烯在超级电容器领域，有着更广阔前景。国内最近几年经常有充电几分钟，甚至充电几秒钟，但这是实验室水平，作为电池组来说，还有一定距离。
在国内重视比较多的防腐涂料，石墨烯作为它的替代品有比较优秀的性能。石墨烯还能做触摸屏，因为是透明导电薄膜，它的优点是透明度更好，缺点是导电性不好，尤其是在价格方面的竞争力还远处于弱势。
石墨烯作为复合材料，可以有效提高散热电热转换的性能。石墨烯还可以制作内裤、内衣等。
在石墨烯批量制备方面，中国也是领先水平。粉体石墨烯现在国内的产能已经到了7000吨，但是实际上不可能这么多。
石墨烯作为薄膜，它的性能相对更好，国内现在可以做到年产150万平米，但石墨烯材料的理想与现实还一段距离，原材料本身是石墨烯产业的基石。如同半个世纪前的碳纤维只能做钓鱼杆和高尔夫球杆，现在可以做大飞机一样，石墨烯虽有半个世纪的研究，但从实验室到实际应用只有十几年的时间，它在原材料方面有非常大的空间需要去探索和开拓。所以需要持续不断提升石墨烯材料的品质，这是一条漫长而崎岖的产业化之路，没有捷径可走。
刘院士认为，发展石墨烯产业绝非是一朝一夕的事情，需要国家意志、产学研有效结合和长期不懈的努力，政府需要耐心，企业需要耐心，研究的人更需要耐心，需要大家一起协同去开发。石墨烯还存在一个严峻的问题，即常用的技术路线对环境污染很严重。比如一个标准的配比：一公斤的石墨烯需要50公斤的浓硫酸，如果大量制造石墨烯，会造成严重的污染，所以对环境的环保问题必须提到议事日程上来。
在北京市政府的积极支持下，由北京市政府和若干企业共同出资，由北京大学牵头建设的新型研发机构北京石墨烯研究院已基本建成。一期面积约一万平米，专业研发人员300人，现在有五六十人已经到位，十年的总投资是20亿元。这个新型研发机构作为民非组织于2016年12月25号正式注册成立。2017年12月26号注册成立北京市石墨烯研究院有限公司，注册资本是3.2亿，即一个是企业，实行公司化、产业化的运作；另一个是新型研发机构，承接政府和企业的双向投资。还配有石墨烯展厅，可以对石墨烯进行广泛科普宣传。
北京石墨烯研究院瞄准的是未来石墨烯的产业，希望能够通过石墨烯研究院的研发来打造未来石墨烯产业的核心竞争力。他们尤其关注的是高品质的石墨烯原材料，比如碳纤维，还关注石墨烯的应用以及规模化的制备技术。
刘院士带领团队，经过大量的研究，形成了一种新型运营模式，即鸡蛋运营模型。其核心部分是北京石墨烯研究院核心研发团队，即蛋黄部分。这部分关注的是五年、十年，甚至是二十年核心技术的研发，并且会持续不断地做核心技术研发，核心团队大约150人。外围部分是蛋清，称为企业研发代工，即每一个企业研发代工对应的是特定企业和特定市场的需求，每个企业分别做石墨烯相关技术的研发，并直接对向产业和市场，团队规模大约五千到一万人，甚至更大。最外围的蛋壳是以企业研发代工、核心技术直接对接市场的基本技术研发，大约有上千人的规模。北京石墨烯研究院设定的十年产业目标是三千亿，并将通过这样一个新兴的机制来对接产学研，达到政产学研有效结合的模式。
一是石墨烯原材料与装备制造。北京石墨烯研究院不仅做材料工艺，也做装备，他们希望能控制未来高端的石墨烯原材料；二是核心技术研发；三是企业的研发代工 ORM；四是石墨烯的众创空间，众创空间将为对石墨烯感兴趣的人士提供相关条件，进行产业孵化。
刘院士举例介绍，他的北京大学的团队已经有十年多的石墨烯研发历史，他在北京大学做产业化技术的研发工作是成立研究院的底气和技术来源。制备决定未来，石墨烯材料做不好，未来产业是没戏的。比如我国的石墨烯薄膜在全世界做得最好，我国的第二代制备装备，可以实现每台年产能两万平米。最近，他们的超级石墨烯在材料制备方面有重大的突破，即研发出非常干净的石墨烯，超洁净石墨烯，它具有最高的透明性、最高的导电组，改变了人们对石墨烯的认识，是非常接近理想状况的石墨烯。同时，他们还开发了另外一条技术路线，即用石墨烯作电子芯片，可以做四英寸、八英寸、十二英寸不等；他们还制定了技术标准、研究价格等，他们发现单晶石墨烯如果重复使用，越用效果越好。他们研发的4英寸芯片，相对于一般的多晶结构来说，要小好几倍，可以小到275欧。另外，他们也在关注装备，未来要推两大类产品，一类是超洁净大规模的石墨烯薄膜制备；二是单晶石墨烯芯片原材料的供应，这是他们在原材料方面具有杀手锏级的成果。
刘院士认为，未来石墨烯产业的主体是要推动石墨烯传统产业升级换代，以及石墨烯所创造的新产业。
他举例介绍了所发明的超级石墨烯玻璃，实现了传统的玻璃和石墨烯材料的完美结合。石墨烯玻璃不仅导电性、导热性非常好，还可以解决易碎和柔性的问题等。石墨烯玻璃在批量制备装备上，能够实现每年五千平米的企业并不多，但是在放大的技术上难度非常大，因为一旦放大，它的均匀性和速率就需要解决，现在还需要耐心地等待研发成果。石墨烯玻璃可能用做智能汽车、玻璃暖气片、触摸屏、光学传感器、智能投影墙，如果在石英玻璃上涂一层石墨烯就可以变成光学传感器等问题，当前正在研发解决中。
另外，石墨烯级第三代半导体照明产业空间非常大，石墨烯有可能完成下一代的LED产业升级。比如蓝光LED是一层一层在蓝宝石衬底上做发光，现在巧妙地把石墨烯放到蓝宝石上面，就可以一片片的长单晶蓝宝石，这将使原有缺陷大幅度降低，而它的发光效率大幅度提升。同样，石墨烯在600毫安的情况下光输出功率可以达到20%，石墨烯有效地跟LED产业结合，有可能是下一代颠覆性、变革性的技术。
在超级石墨烯光纤方面，把石墨烯跟光纤有效巧妙的结合起来。用途非常大，比如用它做电光调制器，做特种防腐光纤，不仅导电性非常好，还实行电光缆的结合。
刘院士针对所研究的全新产学研结合的模式，即企业研发代工的模式进行深入剖析。他说，让机构研究员给特定的企业做研究，而机构充当企业研发代工的角色。针对特定企业的市场结构，成立专门的研发队伍，一方做市场，一方做研发，这种模式能够有针对性的、长期稳定的为企业开展石墨烯相关的技术研发。通过这种模式，可以为企业建立长期稳定的研发团队，可以有效解决企业研发能力不足的难题，解决中小型企业和偏远地区人才竞争优势天然不足的问题。研究人员不用跑到偏远的地区做研发，在本地就可以解决这些需求，而且还不会影响偏远地区的市场开发等。借助专业化、协同式集成研发平台模式，可以为企业大幅度降低研发成本，知识共享、技术专用。相对单一项目合作面临的非成功即失败的传统模式，有效提升产学研结合的成功率。这种模式是从头到尾捆绑制的合作，总会有一个研发是成功的，一方做研发，一方做市场，共同创造品牌。
他介绍了和中国宝安合作的案例，他的团队有效地把石墨烯的优势转换成在充电箱研制方面的优势，用石墨烯做充电箱。这种烯碳充电箱，通过研发代工模式来解决高校原来不愿意做的事情，还可以直接对接市场。
刘院士认为，这种企业研发代工模式是中国特色的政产学研结合之路，有广阔的开发展空间。
第一个方面，制备决定未来。第二个方面，一定要考虑未来杀手锏级的用途，不能简单地往涂料、衣服或者是水泥里面放，这些不会代表石墨烯产业的未来，必须找到真正的核心技术。第三个方面，石墨烯产业发展有三种模式，一是碳纤维模式，需要用时间使石墨烯材料做到极致，壮大石墨烯产业；二是数量模式，石墨烯原理上各方面的性能都很好，有可能像塑料袋那样极大的便利人们的生活；三是硅材料模式，石墨烯从材料角度来讲不仅做支撑材料、功能材料，甚至做集成电路、信息化的核心材料，甚至能够替代铜。
最后，他对他的团队表示感谢，希望社会各界能够一起参与到石墨烯产业的开拓上面来，一起把石墨烯产业在中国做起来。
（本文根据会议速记整理，未经许可不可转载）
【发言人简介】刘忠范，中国科学院院士，北京大学纳米科学与技术研究中心主任，北京石墨烯研究院院长。主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究，在石墨烯、碳纳米管的化学气相沉积生长方法研究领域做出了一系列开拓性和引领性的工作，是国际上具有代表性的纳米碳材料研究团队之一。发表SCI检索学术论文500余篇，申请中国发明专利72项。近年来在石墨烯研究领域不断取得重要突破，发明了超级石墨烯玻璃、超级石墨烯光纤、超洁净石墨烯、标号石墨烯、石墨烯的光化学能带工程等一系列新概念和新技术，推动了石墨烯领域的快速发展。
来源：中国投资协会能源投资专业委员会
【微能网】小编编辑整理
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