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| 石墨在新能源新材料領(lǐng)域的需求預測以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-10-20 09:22:42 瀏覽次數： |
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一、新能源新材料領(lǐng)域的石墨需求預測
1.1 密封材料對石墨的需求
膨脹石墨保持了天然鱗片石墨原有的優(yōu)良化學(xué)性能，又增加了許多獨特的機械性能，是一種理想的密封材料。密封材料功能作用決定了國家在經(jīng)濟結構調整中將是予以重點(diǎn)支持的工業(yè)領(lǐng)域。隨著(zhù)中國汽車(chē)、石油、化工、電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，石墨密封產(chǎn)業(yè)將具有廣闊的發(fā)展前景。2010年密封行業(yè)總產(chǎn)量為7萬(wàn)t，預計到2015年中國密封材料總產(chǎn)量達到10萬(wàn)t左右，年均增長(cháng)率與中國汽車(chē)產(chǎn)量增速相當。隨著(zhù)汽車(chē)、電力、化工等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，依據主要設備石墨需求參數，本文預計到2020年中國密封材料產(chǎn)業(yè)將消耗石墨5.4~5.6萬(wàn)t左右（表3），其中汽車(chē)行業(yè)是主要的消費領(lǐng)域。
1.2 制動(dòng)材料石墨需求展望剎車(chē)片產(chǎn)品的市場(chǎng)
需求增長(cháng)與汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。統計數據顯示，2010年我國摩擦材料行業(yè)年產(chǎn)摩擦材料制品42.6萬(wàn)t，其中汽車(chē)用摩擦材料占總量的80%左右。隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)近幾年來(lái)迅猛增長(cháng)以及國外市場(chǎng)需求大幅增加，摩擦材料行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，預計到2015年我國摩擦材料總產(chǎn)量將達到80萬(wàn)。根據中國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展增速7.8%，到2020年中國摩擦材料總產(chǎn)量將達到115萬(wàn)t，制動(dòng)車(chē)片石墨需求量0.4%~1.3%，預計消費石墨0.5~1.62萬(wàn)t。
1.3 潤滑、吸附對石墨的需求
石墨材料良好的潤滑性源于石墨晶體結構，因此，應用生產(chǎn)干粉石墨潤滑劑、水基石墨潤滑劑、油 劑石墨潤滑劑等產(chǎn)品。一些學(xué)者也研究了關(guān)于石墨在不同潤滑劑中的添加量的問(wèn)題。如水基石墨潤滑劑中，石墨微粒的含量一般在20%~40%。在石墨吸附劑石墨含量研究方面，不同的配比基于不同的原料，石墨的混合比例也顯示出了巨大的差別。石墨潤滑劑、石墨吸附劑種類(lèi)多種多樣，且未有詳盡的現狀及預測資料。本研究分別基于制動(dòng)、密封材料的發(fā)展狀況，對其未來(lái)石墨的需求狀況進(jìn)行了粗略的判斷。預計到2020年中國應用于潤滑劑、吸附劑的石墨需求量為5.5萬(wàn)t和3.1萬(wàn)t。
1.4 電池電極對石墨的需求
石墨導電性能顯著(zhù)地優(yōu)于其它非金屬材料，是目前應用最廣泛的鋰離子電池負極材料。我國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)近些年來(lái)發(fā)展迅速。2013年，我國的鋰離子電池年產(chǎn)量已達到47.68億只。近年因消費類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)趨于飽和，鋰離子電池需求的增幅將會(huì )持續下降。而在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域鋰離子電池市場(chǎng)將進(jìn)入飛速發(fā)展的階段。因此，電池電極對石墨的需求大致會(huì )經(jīng)歷一個(gè)“V”字型過(guò)程。未來(lái)鋰離子電池市場(chǎng)需求高速增長(cháng)的動(dòng)力主要來(lái)自交通工具及工業(yè)儲能領(lǐng)域。電子市場(chǎng)的石墨消費量在趨于飽和狀態(tài)后呈下降態(tài)勢，到2020年電子產(chǎn)品市場(chǎng)石墨消費量約為2.4萬(wàn)t。而交通工具領(lǐng)域消費則快速增長(cháng)?；谛履茉雌?chē)規劃生產(chǎn)能力，預計到2020年電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量將達到140萬(wàn)輛左右，交通工具領(lǐng)域石墨的需求量將達到6.5萬(wàn)（t 表3）。
1.5 石墨烯產(chǎn)業(yè)對天然石墨的需求態(tài)勢分析
石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料，其強度是已測試材料中最高的，是鋼的100多倍；載流子遷移率是商用硅片遷移率的10倍；熱導率是金剛石的3倍。石墨烯是一種應用潛力廣泛的碳材料，在電子器件、新能源、航天軍工、生物醫藥等領(lǐng)域擁有廣闊的應用前景，將成為下一個(gè)萬(wàn)億級的新興產(chǎn)業(yè)。世界主要國家都在進(jìn)行石墨烯的前沿研究，但多處于材料研發(fā)的初級階段，距大規模生產(chǎn)應用仍有一段距離。學(xué)者預測石墨烯首先應用于電子觸摸屏，用作儲能材料也將于近些年實(shí)現，但用作高頻電路、邏輯電路則在更遠的將來(lái)才能走向市場(chǎng)。
（1） 石墨烯應用發(fā)展展望
石墨烯具備完整的較強導電性、透光性、柔性及微電子等屬性，可作為感應層或者驅動(dòng)層，被使用在觸摸屏的模組里。2015年全球首臺石墨烯手機已經(jīng)在重慶發(fā)布。2014年全球對透明導電薄膜的市場(chǎng)需求量約為4 000萬(wàn)m2，根據機構預測，5年后需求量將翻一番，猛增至8 000萬(wàn)m2。其最大的市場(chǎng)為觸控領(lǐng)域，應用于顯示器、平板電腦、智能手機等產(chǎn)品。石墨烯具有極高的比表面積，這使得石墨烯可成為潛力巨大的儲能材料。石墨烯電池在比容量、成本、壽命等較其他產(chǎn)品有顯著(zhù)的卓越性，2015年石墨烯聚合材料電池將在西班牙實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。石墨烯電池負極材料具有優(yōu)良的比容量。
專(zhuān)業(yè)人士預計到2020年，中國儲能產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規模至少可達6 000億元。石墨烯有望成為市場(chǎng)潛力巨大的電極材料。石墨烯材料能有效去除水中重金屬、染料和氟化物。吳艷等研究得到當亞甲基藍初始濃度為100mg/L，石墨烯吸附劑投加量的最適濃度為2g/L。2012年中國工業(yè)廢水排放量為221.6億t。這表明石墨烯吸附材料在水處理領(lǐng)域上也有巨大的應用前景。
科學(xué)家正在研究石墨烯的新應用領(lǐng)域，主要集中于超輕型材料、太空線(xiàn)纜、石墨烯光電探測器等。
（2）石墨烯產(chǎn)業(yè)對天然石墨需求的判斷
石墨烯的制備主要有四種方法。機械剝離法、外延生長(cháng)法、氧化石墨還原法的原材料為天然石墨，而氣相沉積法原材料多為甲烷。電阻觸摸屏石墨烯材料，多采用氫氣、甲烷等原材料先在金屬表面上催化生長(cháng)石墨烯。在作為吸附材料，不同的學(xué)者應用氧化石墨烯和還原性石墨烯均取得了不錯的效果。
制約石墨烯廣泛應用的瓶頸在于難以大規模、低成本、可控的制備高品質(zhì)的石墨烯?，F在氧化還原法和化學(xué)沉積法均實(shí)現了石墨烯制備的產(chǎn)業(yè)化，并且產(chǎn)量也已達到噸級。但對于未來(lái)石墨烯的巨大需求，何種方法能大規模、低成本、可控的合成石墨烯，將主導未來(lái)天然石墨需求態(tài)勢。
隨著(zhù)石墨烯研發(fā)的深入和產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，中國涌現了幾十家石墨烯高科技企業(yè)。如上海新池、南京科孚納米、深圳貝特瑞等。中國現階段石墨烯生產(chǎn)線(xiàn)在江蘇常州、泰州、浙江寧波、重慶、山東、寧夏等地投產(chǎn)，生產(chǎn)規模在30~300t之間，且采用的原料多種多樣，江蘇第六元素公司采用石墨粉氧化還原、二維碳素公司采用甲烷等化學(xué)氣相沉積，而寧夏平羅采用碳化硅生產(chǎn)下腳料作為原料。由此可見(jiàn)，在2020年前石墨烯產(chǎn)業(yè)對天然石墨的需求量將保持在萬(wàn)噸的規模，難以撼動(dòng)天然石墨的消費結構。
二 未來(lái)中國石墨需求格局及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向
2.1 未來(lái)中國石墨需求規模及格局
基于以上對石墨需求的主要部門(mén)的分析和未來(lái)趨勢判斷，得出：到2020年中國天然石墨的需求規模將達到100萬(wàn)t，比2010年增長(cháng)42.5%。并且石墨烯制備方法、應用的不確定性將對石墨的需求造成巨大的影響（圖4）。在剔除石墨烯發(fā)展的不確定性情況下，到2020年耐火材料的石墨量為15萬(wàn)t，呈現下降的態(tài)勢，所占比重為14.93%；隨著(zhù)鋼鐵需求的逐步回落，鋼鐵鑄造的石墨消費量預計為55萬(wàn)t，仍舊是消費的最大行業(yè)。而密封材料、摩擦材料、潤滑劑、吸附劑對石墨的需求將保持快速的增長(cháng)態(tài)勢，到2020年各部門(mén)對石墨的消費量將是2010年的2倍以上。電池電極對石墨消費量也呈現快速增長(cháng)態(tài)勢，其增長(cháng)主要來(lái)源于未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)對石墨的需求增長(cháng)，電動(dòng)汽車(chē)石墨消費量將是2013 年的46倍。
科學(xué)利用和保護天然石墨資源，開(kāi)發(fā)深加工技術(shù)和發(fā)展高端產(chǎn)品將是必然的選擇。中國石墨發(fā)展要依據未來(lái)石墨的需求格局變化，調整發(fā)展方向。從未來(lái)石墨的消費結構來(lái)看，傳統領(lǐng)域對石墨的需求趨于穩定，新能源新材料領(lǐng)域對石墨的需求增長(cháng)強勁，而石墨烯產(chǎn)業(yè)將對石墨的需求帶來(lái)巨大的不確定性。隨著(zhù)科技創(chuàng )新的發(fā)展，為滿(mǎn)足新能源、新材料領(lǐng)域對高性能、專(zhuān)業(yè)化石墨材料的需求，石墨產(chǎn)業(yè)應從材料級向專(zhuān)業(yè)級產(chǎn)品和深加工產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展的趨勢。
未來(lái)中國石墨需求在傳統應用領(lǐng)域將保持穩定。而在高精尖領(lǐng)域將得到越來(lái)越廣泛的應用，成為戰略性新興材料。石墨的市場(chǎng)需求將會(huì )持續增加，戰略意義越發(fā)凸顯。未來(lái)在鋰離子電池、密封、制動(dòng)、潤滑等新能源、新材料領(lǐng)域應用潛力巨大。雖然中國是石墨資源大國，但也應具有強烈的危機意識和戰略意識。調整產(chǎn)品結構，鼓勵支持發(fā)展高附加值產(chǎn)品，帶動(dòng)石墨產(chǎn)業(yè)鏈后向一體化發(fā)展，提升我國石墨產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，努力使我國發(fā)展成為石墨資源強國。
三 結論與討論
在現階段石墨的應用領(lǐng)域和技術(shù)情況下，本研究主要從石墨在耐火材料、鑄造等傳統領(lǐng)域和密封、制動(dòng)材料、潤滑劑、吸附劑、電池電極等新能源新材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)部門(mén)需求的角度，研究了這些部門(mén)未來(lái)對石墨的需求情況，主要結論有：
（1）到2020年中國石墨的需求量將達到100萬(wàn)t，比2010年增長(cháng)42.5%。
（2）從消費格局來(lái)看，傳統領(lǐng)域仍然是石墨的主要消費領(lǐng)域，但所占比重將逐漸減低；新能源新材料領(lǐng)域石墨消費將快速增長(cháng)，其中電動(dòng)汽車(chē)增長(cháng)尤為明顯。
（3）在現在技術(shù)條件下，石墨烯對天然石墨的需求將保持在萬(wàn)噸水平，難以改變已有天然石墨消費格局。中國主要石墨烯生產(chǎn)線(xiàn)的規模、工藝和原材料的差異，弱化了石墨烯產(chǎn)業(yè)對天然石墨的需求規模。石墨烯作為在儲能、吸附材料很大程度上將依賴(lài)于天然石墨，而觸摸屏利用則可能以甲烷等為原料。
（4）從本文的趨勢判斷來(lái)看，天然石墨生產(chǎn)企業(yè)的未來(lái)發(fā)展將以電池電極負極材料、膨脹石墨、柔性石墨等密封材料、及氟化石墨、各向同性石墨為主。
從產(chǎn)業(yè)需求的范圍來(lái)看，本研究重點(diǎn)分析了主要傳統和新型領(lǐng)域對石墨的需求，而其他石墨功能性材料：導電油墨、抗靜電橡膠和塑料、防輻射材料等均未包含在本研究?jì)?，研究范圍待拓寬；對鉛筆、潤滑、吸附等領(lǐng)域的應用，由于知識和相關(guān)文獻的制約，一些參數的設置如吸附劑、潤滑劑的消費量、天然石墨在其中的比重、石墨烯天然石墨的消費強度、石墨烯在主要應用領(lǐng)域的單位需求量等還需進(jìn)一步的研究和探討。
本文作者：高天明1，陳其慎2，于汶加2，沈鐳1（1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2. 中國地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰略研究中心，北京100037）
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