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| 石墨在新能源新材料領(lǐng)域的需求預(yù)測(cè)以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向 |
| 來源：中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-10-20 09:22:42 瀏覽次數(shù)： |
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一、新能源新材料領(lǐng)域的石墨需求預(yù)測(cè)
1.1 密封材料對(duì)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(dú)特的機(jī)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(guó)家在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中將是予以重點(diǎn)支持的工業(yè)領(lǐng)域。隨著中國(guó)汽車、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t，預(yù)計(jì)到2015年中國(guó)密封材料總產(chǎn)量達(dá)到10萬t左右，年均增長(zhǎng)率與中國(guó)汽車產(chǎn)量增速相當(dāng)。隨著汽車、電力、化工等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，依據(jù)主要設(shè)備石墨需求參數(shù)，本文預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)密封材料產(chǎn)業(yè)將消耗石墨5.4~5.6萬t左右（表3），其中汽車行業(yè)是主要的消費(fèi)領(lǐng)域。
1.2 制動(dòng)材料石墨需求展望剎車片產(chǎn)品的市場(chǎng)
需求增長(zhǎng)與汽車工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年我國(guó)摩擦材料行業(yè)年產(chǎn)摩擦材料制品42.6萬t，其中汽車用摩擦材料占總量的80%左右。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)近幾年來迅猛增長(zhǎng)以及國(guó)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(yù)計(jì)到2015年我國(guó)摩擦材料總產(chǎn)量將達(dá)到80萬。根據(jù)中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展增速7.8%，到2020年中國(guó)摩擦材料總產(chǎn)量將達(dá)到115萬t，制動(dòng)車片石墨需求量0.4%~1.3%，預(yù)計(jì)消費(fèi)石墨0.5~1.62萬t。
1.3 潤(rùn)滑、吸附對(duì)石墨的需求
石墨材料良好的潤(rùn)滑性源于石墨晶體結(jié)構(gòu)，因此，應(yīng)用生產(chǎn)干粉石墨潤(rùn)滑劑、水基石墨潤(rùn)滑劑、油 劑石墨潤(rùn)滑劑等產(chǎn)品。一些學(xué)者也研究了關(guān)于石墨在不同潤(rùn)滑劑中的添加量的問題。如水基石墨潤(rùn)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(rùn)滑劑、石墨吸附劑種類多種多樣，且未有詳盡的現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)資料。本研究分別基于制動(dòng)、密封材料的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)其未來石墨的需求狀況進(jìn)行了粗略的判斷。預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)應(yīng)用于潤(rùn)滑劑、吸附劑的石墨需求量為5.5萬t和3.1萬t。
1.4 電池電極對(duì)石墨的需求
石墨導(dǎo)電性能顯著地優(yōu)于其它非金屬材料，是目前應(yīng)用最廣泛的鋰離子電池負(fù)極材料。我國(guó)的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)近些年來發(fā)展迅速。2013年，我國(guó)的鋰離子電池年產(chǎn)量已達(dá)到47.68億只。近年因消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)趨于飽和，鋰離子電池需求的增幅將會(huì)持續(xù)下降。而在電動(dòng)汽車領(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(duì)石墨的需求大致會(huì)經(jīng)歷一個(gè)“V”字型過程。未來鋰離子電池市場(chǎng)需求高速增長(zhǎng)的動(dòng)力主要來自交通工具及工業(yè)儲(chǔ)能領(lǐng)域。電子市場(chǎng)的石墨消費(fèi)量在趨于飽和狀態(tài)后呈下降態(tài)勢(shì)，到2020年電子產(chǎn)品市場(chǎng)石墨消費(fèi)量約為2.4萬t。而交通工具領(lǐng)域消費(fèi)則快速增長(zhǎng)?；谛履茉雌囈?guī)劃生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)到2020年電動(dòng)汽車產(chǎn)量將達(dá)到140萬輛左右，交通工具領(lǐng)域石墨的需求量將達(dá)到6.5萬（t 表3）。
1.5 石墨烯產(chǎn)業(yè)對(duì)天然石墨的需求態(tài)勢(shì)分析
石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料，其強(qiáng)度是已測(cè)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(dǎo)率是金剛石的3倍。石墨烯是一種應(yīng)用潛力廣泛的碳材料，在電子器件、新能源、航天軍工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，將成為下一個(gè)萬億級(jí)的新興產(chǎn)業(yè)。世界主要國(guó)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(jí)階段，距大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用仍有一段距離。學(xué)者預(yù)測(cè)石墨烯首先應(yīng)用于電子觸摸屏，用作儲(chǔ)能材料也將于近些年實(shí)現(xiàn)，但用作高頻電路、邏輯電路則在更遠(yuǎn)的將來才能走向市場(chǎng)。
（1） 石墨烯應(yīng)用發(fā)展展望
石墨烯具備完整的較強(qiáng)導(dǎo)電性、透光性、柔性及微電子等屬性，可作為感應(yīng)層或者驅(qū)動(dòng)層，被使用在觸摸屏的模組里。2015年全球首臺(tái)石墨烯手機(jī)已經(jīng)在重慶發(fā)布。2014年全球?qū)ν该鲗?dǎo)電薄膜的市場(chǎng)需求量約為4 000萬m2，根據(jù)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，5年后需求量將翻一番，猛增至8 000萬m2。其最大的市場(chǎng)為觸控領(lǐng)域，應(yīng)用于顯示器、平板電腦、智能手機(jī)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(chǔ)能材料。石墨烯電池在比容量、成本、壽命等較其他產(chǎn)品有顯著的卓越性，2015年石墨烯聚合材料電池將在西班牙實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。石墨烯電池負(fù)極材料具有優(yōu)良的比容量。
專業(yè)人士預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模至少可達(dá)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(dāng)亞甲基藍(lán)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(guó)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(yīng)用前景。
科學(xué)家正在研究石墨烯的新應(yīng)用領(lǐng)域，主要集中于超輕型材料、太空線纜、石墨烯光電探測(cè)器等。
（2）石墨烯產(chǎn)業(yè)對(duì)天然石墨需求的判斷
石墨烯的制備主要有四種方法。機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)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(zhǎng)石墨烯。在作為吸附材料，不同的學(xué)者應(yīng)用氧化石墨烯和還原性石墨烯均取得了不錯(cuò)的效果。
制約石墨烯廣泛應(yīng)用的瓶頸在于難以大規(guī)模、低成本、可控的制備高品質(zhì)的石墨烯?，F(xiàn)在氧化還原法和化學(xué)沉積法均實(shí)現(xiàn)了石墨烯制備的產(chǎn)業(yè)化，并且產(chǎn)量也已達(dá)到噸級(jí)。但對(duì)于未來石墨烯的巨大需求，何種方法能大規(guī)模、低成本、可控的合成石墨烯，將主導(dǎo)未來天然石墨需求態(tài)勢(shì)。
隨著石墨烯研發(fā)的深入和產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，中國(guó)涌現(xiàn)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(guó)現(xiàn)階段石墨烯生產(chǎn)線在江蘇常州、泰州、浙江寧波、重慶、山東、寧夏等地投產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)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，在2020年前石墨烯產(chǎn)業(yè)對(duì)天然石墨的需求量將保持在萬噸的規(guī)模，難以撼動(dòng)天然石墨的消費(fèi)結(jié)構(gòu)。
二 未來中國(guó)石墨需求格局及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向
2.1 未來中國(guó)石墨需求規(guī)模及格局
基于以上對(duì)石墨需求的主要部門的分析和未來趨勢(shì)判斷，得出：到2020年中國(guó)天然石墨的需求規(guī)模將達(dá)到100萬t，比2010年增長(zhǎng)42.5%。并且石墨烯制備方法、應(yīng)用的不確定性將對(duì)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t，呈現(xiàn)下降的態(tài)勢(shì)，所占比重為14.93%；隨著鋼鐵需求的逐步回落，鋼鐵鑄造的石墨消費(fèi)量預(yù)計(jì)為55萬t，仍舊是消費(fèi)的最大行業(yè)。而密封材料、摩擦材料、潤(rùn)滑劑、吸附劑對(duì)石墨的需求將保持快速的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，到2020年各部門對(duì)石墨的消費(fèi)量將是2010年的2倍以上。電池電極對(duì)石墨消費(fèi)量也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其增長(zhǎng)主要來源于未來電動(dòng)汽車對(duì)石墨的需求增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車石墨消費(fèi)量將是2013 年的46倍。
科學(xué)利用和保護(hù)天然石墨資源，開發(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(guó)石墨發(fā)展要依據(jù)未來石墨的需求格局變化，調(diào)整發(fā)展方向。從未來石墨的消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)領(lǐng)域?qū)κ男枨筅呌诜€(wěn)定，新能源新材料領(lǐng)域?qū)κ男枨笤鲩L(zhǎng)強(qiáng)勁，而石墨烯產(chǎn)業(yè)將對(duì)石墨的需求帶來巨大的不確定性。隨著科技創(chuàng)新的發(fā)展，為滿足新能源、新材料領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、專業(yè)化石墨材料的需求，石墨產(chǎn)業(yè)應(yīng)從材料級(jí)向?qū)I(yè)級(jí)產(chǎn)品和深加工產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展的趨勢(shì)。
未來中國(guó)石墨需求在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈３址€(wěn)定。而在高精尖領(lǐng)域?qū)⒌玫皆絹碓綇V泛的應(yīng)用，成為戰(zhàn)略性新興材料。石墨的市場(chǎng)需求將會(huì)持續(xù)增加，戰(zhàn)略意義越發(fā)凸顯。未來在鋰離子電池、密封、制動(dòng)、潤(rùn)滑等新能源、新材料領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。雖然中國(guó)是石墨資源大國(guó)，但也應(yīng)具有強(qiáng)烈的危機(jī)意識(shí)和戰(zhàn)略意識(shí)。調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)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(guó)石墨產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，努力使我國(guó)發(fā)展成為石墨資源強(qiáng)國(guó)。
三 結(jié)論與討論
在現(xiàn)階段石墨的應(yīng)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(tǒng)領(lǐng)域和密封、制動(dòng)材料、潤(rùn)滑劑、吸附劑、電池電極等新能源新材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)部門需求的角度，研究了這些部門未來對(duì)石墨的需求情況，主要結(jié)論有：
（1）到2020年中國(guó)石墨的需求量將達(dá)到100萬t，比2010年增長(zhǎng)42.5%。
（2）從消費(fèi)格局來看，傳統(tǒng)領(lǐng)域仍然是石墨的主要消費(fèi)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(fèi)將快速增長(zhǎng)，其中電動(dòng)汽車增長(zhǎng)尤為明顯。
（3）在現(xiàn)在技術(shù)條件下，石墨烯對(duì)天然石墨的需求將保持在萬噸水平，難以改變已有天然石墨消費(fèi)格局。中國(guó)主要石墨烯生產(chǎn)線的規(guī)模、工藝和原材料的差異，弱化了石墨烯產(chǎn)業(yè)對(duì)天然石墨的需求規(guī)模。石墨烯作為在儲(chǔ)能、吸附材料很大程度上將依賴于天然石墨，而觸摸屏利用則可能以甲烷等為原料。
（4）從本文的趨勢(shì)判斷來看，天然石墨生產(chǎn)企業(yè)的未來發(fā)展將以電池電極負(fù)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)需求的范圍來看，本研究重點(diǎn)分析了主要傳統(tǒng)和新型領(lǐng)域?qū)κ男枨?，而其他石墨功能性材料：?dǎo)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?jī)?nèi)，研究范圍待拓寬；對(duì)鉛筆、潤(rùn)滑、吸附等領(lǐng)域的應(yīng)用，由于知識(shí)和相關(guān)文獻(xiàn)的制約，一些參數(shù)的設(shè)置如吸附劑、潤(rùn)滑劑的消費(fèi)量、天然石墨在其中的比重、石墨烯天然石墨的消費(fèi)強(qiáng)度、石墨烯在主要應(yīng)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(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京100037）
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