过度炒作 石墨烯图谋商业化仍有长路要走

杨晓红

石墨烯(Graphene)自2004年被发现以来,在短短数年间已经成为物理、化学、材料科学等领域研究中倍受瞩目的“明星材料”。2014年,石墨烯产业新闻不断,第一轮商业应用已经公布的消息一石激起千层浪,业界见证了大量的投资和收购活动。近几年这些石墨烯公司和科研机构对石墨烯电池技术尽管进行了多项研究和实验,看起来非常有前途,但仍然需要一段时间才能大规模并以合理的速度生产,当今市场仍以研究兴趣占主导,主要方向是储能和复合材料,更多的企业会通过中间产品获益,避免终端用户不确定性带来的风险损失。指望石墨烯大幅提供动力电池能量密度,解决电动汽车的“里程焦虑”还不现实。

研究与投资热度不减

电动汽车和可再生能源被誉为应对气候变化的最佳解决方案,需要更便宜、更好的电池实现广泛使用。小到实验室、初创公司,大到通用电气(GE)、IBM、丰田等大型企业都在进行提高锂离子电池性能的研发,但挑战十分巨大。石墨烯则是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,能助力超级电容器、锂离子电池的发展。资料显示,加入石墨烯材料,同等体积的电容可扩充5倍以上的容量,而锂电池电极中加入石墨烯可大幅度提高其导电性能。

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石墨烯示意图

石墨烯产业一直被期待能出现稳定和发散式的长期应用,但实际上鲜有“杀手级应用”,缺乏具有独特价值和先发优势的产品,因此,商业化进程依然像一个替代游戏。目前,主要应用仅限于储能、复合材料、功能性油墨、电子、石墨等,石墨烯的价值定位、竞争格局、技术标准和未来可能出现的制造技术在各个细分市场都有不同,导致市场割裂,供应商也一直在寻求阶段化的市场策略,但市场多元子集过于细微分散,这势必拖垮长期价格。值得注意的是,与石墨烯竞争的碳纳米管价格也因此承压。

现在的商业投资者有更真实的期望,表现出对复合材料、储能应用及中间产品的关注。商业化的研究并不容易或快速商品化,以许多纳米材料或组件电池为例,前期投入过于昂贵以至于难以尽快推出有利可图的应用。美国马里兰大学和伊利诺伊大学的研究人员称,“开发这种电池在目前是一个显著的挑战,问题很多,油价和天然气价格的下跌也抑制了对电动汽车和可再生能源的需求。与其竞争存在很大风险和困难。”

莱斯大学材料科学和纳米工程学教授James Tour表示,他的研究团队创建了系列科研项目,包括碳纳米管和石墨烯,可以显著提高能量存储效率。总部位于德克萨斯州的Xidex公司和以色列Graphite石墨公司,正在基于莱斯大学的这些科研技术研发产品,这些技术可以使智能手机在几分钟内让电池完全充满电,“距离商品化还有三年的路要走”,James Tour说道。

近几年,一些石墨烯公司和科研机构对石墨烯电池技术进行了多项研究和实验。韩国光州科学技术院的研究人员正在对一项新型石墨烯电池技术进行研究,研究表明,这种新型电池可将电动汽车的充电时间缩短至16秒,而不影响能量密度。美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员则利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。新储能设备称为石墨烯表面锂离子交换电池,或简称为表面介导电池(SMCS),它集中了锂电池和超级电容的优点,同时兼具高功率密度和高能量储存密度的特性。欧盟十多年来投入10亿欧元致力于研究石墨烯和其它2D材料,韩国和英国政府过去两年里分别投资至少4000万美元和2400万英镑从事研究。投资界对石墨烯的投资热度也很高。据IDTechEx统计,过去几年中,私人石墨烯公司的投资约有6000万美元。

全球石墨烯市场规模

单位:百万美元

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数据来源:IDTechEx

上述石墨烯的研究看起来非常有前途,但仍然需要一段时间才能大规模并以合理的速度生产。

生产能力过剩

作为应用的第一步,目前石墨烯在工业上的应用主要在手机触摸屏方面,即以替代现有的ITO靶材,而三星已于近期生产出相关样品——使用石墨烯材料的手机可随意弯曲、捶打,并具有更长的待机时间、更清晰的屏幕分辨率。全世界已公布的石墨烯产能估计为近500吨/年,市场中大约有超过20个“玩家”,尽管基数不大,但是在第一阶段的需求期过后,产能已经处于过剩状态。这显然带有盲目性,供应商承担了风险,市场仍未做好准备吸收产能。

石墨烯产业在中国的发展处于上升势头,产能巨大,多个供应商均发布了能够提供大量石墨烯纳米片和CVD石墨烯的公告。中国企业已经申请了超过2000项与石墨烯相关的专利。与此同时,韩国三星集团对石墨烯也有强烈兴趣,该集团是碳纳米管领域的最大专利持有者,LG集团正在石墨烯行业利用自己的经验,特别是碳纳米管方面,创建本地供应链。

另一方面,石墨烯的产业投资也在继续。总计约1.5亿美元已经投向新的石墨烯公司,投资分布在至少20家公司。投资组合也是多种多样,包括风险投资和不同行业的战略投资,如钢铁制造(例如浦项制铁)、石墨开采(如加拿大Focus Graphite)、消费电子(如三星)、化学和材料(如韩华和DSM)、石油和天然气(如雷普索尔)。

石墨烯的潜质有多大

石墨烯经常被与碳纳米管相比较,因为它们有很多相似的材料特性,两者也常常被舆论炒作。

碳纳米管被发现可作为很多领域的合格添加材料,诸如可静电喷涂的塑料车体部件、可消散静电电荷的塑料燃料管/系统和锂离子电池。总体而言,预计中国、韩国、美国和欧洲的产能分别为2300-2600吨/年。

石墨烯产业可以从碳纳米管借鉴良多。然而,碳纳米管的持久挑战是集束难以分散,早期的科学研究结果表明,石墨烯更容易分散,这是一个机会,也是区分与碳纳米管的最大不同。

石墨烯能够以薄膜形式生产(例如石墨烯CVD),这针对一组独立的市场,如透明导电薄膜,但是这个市场的竞争十分激烈,无论是现在的解决方案,还是性能更好的替代品。考虑到石墨烯的表现平平,IDTechEx预期,出了触摸屏那一小块市场,石墨烯目前很难在其他细分市场大有作为。

虽然现在明确说明还为时过早,初期的一些迹象表明,石墨烯可能造成的健康和安全风险比碳纳米管低。科学研究方面还有堆积如山的工作要做,一旦被证实危害风险较低,石墨烯有望加速发展。此外,石墨烯似乎更善于把一系列功能同时宿于主材料,反过来也像一个微分器一样能够发展多功能,这也是和现有的石墨粉、炭黑等的区别。

2015年及后期市场展望

现在,由于质量参差不齐,供应商也不同,因此石墨烯在市场上的价格成本并不统一,不过总体而言,其平均价格将会下降。2015年,将会看到许多有利可图的细分市场会采用石墨烯,在复合材料作为添加材料,以及(长期)能源存储设备等,预计市场在原材料层面上,市场规模在2014年-2024年的十年间将从2000万美元增长至3.9亿美元。

对石墨烯来说,储能是一个非常有吸引力的目标市场。超级电容器是一个高速增长的行业。IDTechEx预计这个市场在未来十年的复合年增长率是30%。比表面积(即单位质量物料所具有的总面积)高和早期的实验室成果可以让石墨烯创造价值,但是技术方面还存在一些障碍,阻止了表面完整利用和平面内的传导保持。同时,活性炭仍然占据主导地位,其价格低至5美元/公斤。然而,石墨烯的关注度和研究工作不减,预计市场将在2019年之后快速增长。定位于锂离子市场的几个产品已推出,由于化学反应的多样性和锂离子电池的设计问题,性能基准仍难制定。

透明导电薄膜市场也是一个不断增长的巨大市场。ITO薄膜将是一直是市场的主流解决方案,主流企业将在这一领域增加生产力。然而,市场也在改变,对超低薄膜电阻、机械强度和更低价格的需求,将引来新进入者。许多替代品逐渐出现,包括银纳米线、金属丝网、PEDOT和碳纳米管。石墨烯也可以作为透明导体,但其性能与ITO薄膜配合才能表现最好,除非生产技术有重大创新,否则不能够受益于行业趋势。

复合材料行业大而分散,需求很细很多。在这一领域,石墨烯可以作为添加材料提供价值。例如石墨烯纳米片,提高导电性、导热性、抗渗性、机械强度等。

作者:杨晓红

来源:第一电动网

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