石墨在新能源新材料領域的需求預測以及產業發展方向
石墨在新能源新材料領域的需求預測以及產業發展方向
一、新能源新材料領域的石墨需求預測
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良化學性能，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濟結構調整中將是予以重點支持的工業領域。隨著中國汽車、石油、化工、電力產業的發展，石墨密封產業將具有廣闊的發展前景。2010年密封行業總產量為7萬噸，預計到2015年中國密封材料總產量達到10萬噸左右，年均增長率與中國汽車產量增速相當。隨著汽車、電力、化工等產業的發展，依據主要設備石墨需求參數，本文預計到2020年中國密封材料產業將消耗石墨5.4~5.6萬噸左右（表3），其中汽車行業是主要的消費領域。
1.2 制動材料石墨需求展望剎車片產品的市場
需求增長與汽車工業的發展息息相關。統計數據顯示，2010年我國摩擦材料行業年產摩擦材料制品42.6萬噸，其中汽車用摩擦材料占總量的80%左右。隨著我國國民經濟的快速發展，汽車工業近幾年來迅猛增長以及國外市場需求大幅增加，摩擦材料行業也得到了快速的發展，預計到2015年我國摩擦材料總產量將達到80萬。根據中國汽車產業發展增速7.8%，到2020年中國摩擦材料總產量將達到115萬噸，制動車片石墨需求量0.4%~1.3%，預計消費石墨0.5~1.62萬噸。
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，應用生產干粉石墨潤滑劑、水基石墨潤滑劑、油劑石墨潤滑劑等產品。一些學者也研究了關于石墨在不同潤滑劑中的添加量的問題。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、密封材料的發展狀況，對其未來石墨的需求狀況進行了粗略的判斷。預計到2020年中國應用于潤滑劑、吸附劑的石墨需求量為5.5萬噸和3.1萬噸。
1.4 電池電極對石墨的需求
石墨導電性能顯著地優于其它非金屬材料，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業近些年來發展迅速。2013年，我國的鋰離子電池年產量已達到47.68億只。近年因消費類電子產品市場趨于飽和，鋰離子電池需求的增幅將會持續下降。而在電動汽車領域鋰離子電池市場將進入飛速發展的階段。因此，電池電極對石墨的需求大致會經歷一個“V”字型過程。未來鋰離子電池市場需求高速增長的動力主要來自交通工具及工業儲能領域。電子市場的石墨消費量在趨于飽和狀態后呈下降態勢，到2020年電子產品市場石墨消費量約為2.4萬噸。而交通工具領域消費則快速增長。基于新能源汽車規劃生產能力，預計到2020年電動汽車產量將達到140萬輛左右，交通工具領域石墨的需求量將達到6.5萬噸（見表3）。
1.5 石墨烯產業對天然石墨的需求態勢分析
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、生物醫藥等領域擁有廣闊的應用前景，將成為下一個萬億級的新興產業。世界主要國家都在進行石墨烯的前沿研究，但多處于材料研發的初級階段，距大規模生產應用仍有一段距離。學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現，但用作高頻電路、邏輯電路則在更遠的將來才能走向市場。
(1)石墨烯應用發展展望
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在重慶發布。2014年全球對透明導電薄膜的市場需求量約為4000萬m2，根據機構預測，5年后需求量將翻一番，猛增至8000萬m2。其最大的市場為觸控領域，應用于顯示器、平板電腦、智能手機等產品。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現產業化。石墨烯電池負極材料具有優良的比容量。
專業人士預計到2020年，中國儲能產業的市場規模至少可達6000億元。石墨烯有望成為市場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年中國工業廢水排放量為221.6億噸。這表明石墨烯吸附材料在水處理領域上也有巨大的應用前景。
科學家正在研究石墨烯的新應用領域，主要集中于超輕型材料、太空線纜、石墨烯光電探測器等。
（2)石墨烯產業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石墨烯。在作為吸附材料，不同的學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、可控的制備高品質的石墨烯。現在氧化還原法和化學沉積法均實現了石墨烯制備的產業化，并且產量也已達到噸級。但對于未來石墨烯的巨大需求，何種方法能大規模、低成本、可控的合成石墨烯，將主導未來天然石墨需求態勢。
隨著石墨烯研發的深入和產業化的推進，中國涌現了幾十家石墨烯高科技企業。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線在江蘇常州、泰州、浙江寧波、重慶、山東、寧夏等地投產，生產規模在30~300噸之間，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氣相沉積，而寧夏平羅采用碳化硅生產下腳料作為原料。由此可見，在2020年前石墨烯產業對天然石墨的需求量將保持在萬噸的規模，難以撼動天然石墨的消費結構。
二、未來中國石墨需求格局及產業發展方向
2.1 未來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的分析和未來趨勢判斷，得出：到2020年中國天然石墨的需求規模將達到100萬噸，比2010年增長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（見圖4）。在剔除石墨烯發展的不確定性情況下，到2020年耐火材料的石墨量為15萬噸，呈現下降的態勢，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量預計為55萬噸，仍舊是消費的最大行業。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態勢，到2020年各部門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態勢，其增長主要來源于未來電動汽車對石墨的需求增長，電動汽車石墨消費量將是2013年的46倍。
2.2 中國石墨未來發展方向
科學利用和保護天然石墨資源，開發深加工技術和發展高端產品將是必然的選擇。中國石墨發展要依據未來石墨的需求格局變化，調整發展方向。從未來石墨的消費結構來看，傳統領域對石墨的需求趨于穩定，新能源新材料領域對石墨的需求增長強勁，而石墨烯產業將對石墨的需求帶來巨大的不確定性。隨著科技創新的發展，為滿足新能源、新材料領域對高性能、專業化石墨材料的需求，石墨產業應從材料級向專業級產品和深加工產業方向發展的趨勢。
未來中國石墨需求在傳統應用領域將保持穩定。而在高精尖領域將得到越來越廣泛的應用，成為戰略性新興材料。石墨的市場需求將會持續增加，戰略意義越發凸顯。未來在鋰離子電池、密封、制動、潤滑等新能源、新材料領域應用潛力巨大。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。調整產品結構，鼓勵支持發展高附加值產品，帶動石墨產業鏈后向一體化發展，提升我國石墨產業的國際競爭力，努力使我國發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域和技術情況下，本研究主要從石墨在耐火材料、鑄造等傳統領域和密封、制動材料、潤滑劑、吸附劑、電池電極等新能源新材料領域的產業部門需求的角度，研究了這些部門未來對石墨的需求情況，主要結論有：
（1）到2020年中國石墨的需求量將達到100萬噸，比2010年增長42.5%。
（2）從消費格局來看，傳統領域仍然是石墨的主要消費領域，但所占比重將逐漸減低；新能源新材料領域石墨消費將快速增長，其中電動汽車增長尤為明顯。
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（3）在現在技術條件下，石墨烯對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格局。中國主要石墨烯生產線的規模、工藝和原材料的差異，弱化了石墨烯產業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看，天然石墨生產企業的未來發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。
從產業需求的范圍來看，本研究重點分析了主要傳統和新型領域對石墨的需求，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內，研究范圍待拓寬；對鉛筆、潤滑、吸附等領域的應用，由于知識和相關文獻的制約，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域的單位需求量等還需進一步的研究和探討。