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石墨在新能源新材料领域的需求预测以及产业发展方向

作者:管理员

  一、新能源新材料领域的石墨需求预测

1.1 密封材料对石墨的需求

膨胀石墨保持了天然鳞片石墨原有的优良化学性能,又增加了许多独特的机械性能,是一种理想的密封材料。密封材料功能作用决定了国家在经济结构调整中将是予以重点支持的工业领域。随着中国汽车、石油、化工、电力产业的发展,石墨密封产业将具有广阔的发展前景。2010年密封行业总产量为7万吨,预计到2015年中国密封材料总产量达到10万吨左右,年均增长率与中国汽车产量增速相当。随着汽车、电力、化工等产业的发展,依据主要设备石墨需求参数,本文预计到2020年中国密封材料产业将消耗石墨5.4~5.6万吨左右(表3),其中汽车行业是主要的消费领域。 

       

1.2 制动材料石墨需求展望刹车片产品的市场

需求增长与汽车工业的发展息息相关。统计数据显示,2010年我国摩擦材料行业年产摩擦材料制品42.6万吨,其中汽车用摩擦材料占总量的80%左右。随着我国国民经济的快速发展,汽车工业近几年来迅猛增长以及国外市场需求大幅增加,摩擦材料行业也得到了快速的发展,预计到2015年我国摩擦材料总产量将达到80万。根据中国汽车产业发展增速7.8%,到2020年中国摩擦材料总产量将达到115万吨,制动车片石墨需求量0.4%~1.3%,预计消费石墨0.5~1.62万吨。

1.3 润滑、吸附对石墨的需求

石墨材料良好的润滑性源于石墨晶体结构,因此,应用生产干粉石墨润滑剂、水基石墨润滑剂、油剂石墨润滑剂等产品。一些学者也研究了关于石墨在不同润滑剂中的添加量的问题。如水基石墨润滑剂中,石墨微粒的含量一般在20%~40%。在石墨吸附剂石墨含量研究方面,不同的配比基于不同的原料,石墨的混合比例也显示出了巨大的差别。石墨润滑剂、石墨吸附剂种类多种多样,且未有详尽的现状及预测资料。本研究分别基于制动、密封材料的发展状况,对其未来石墨的需求状况进行了粗略的判断。预计到2020年中国应用于润滑剂、吸附剂的石墨需求量为5.5万吨和3.1万吨。

1.4 电池电极对石墨的需求

石墨导电性能显著地优于其它非金属材料,是目前应用最广泛的锂离子电池负极材料。我国的锂离子电池产业近些年来发展迅速。2013年,我国的锂离子电池年产量已达到47.68亿只。近年因消费类电子产品市场趋于饱和,锂离子电池需求的增幅将会持续下降。而在电动汽车领域锂离子电池市场将进入飞速发展的阶段。因此,电池电极对石墨的需求大致会经历一个“V”字型过程。未来锂离子电池市场需求高速增长的动力主要来自交通工具及工业储能领域。电子市场的石墨消费量在趋于饱和状态后呈下降态势,到2020年电子产品市场石墨消费量约为2.4万吨。而交通工具领域消费则快速增长。基于新能源汽车规划生产能力,预计到2020年电动汽车产量将达到140万辆左右,交通工具领域石墨的需求量将达到6.5万吨(见表3)。

1.5 石墨烯产业对天然石墨的需求态势分析

石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料,其强度是已测试材料中最高的,是钢的100多倍;载流子迁移率是商用硅片迁移率的10倍;热导率是金刚石的3倍。石墨烯是一种应用潜力广泛的碳材料,在电子器件、新能源、航天军工、生物医药等领域拥有广阔的应用前景,将成为下一个万亿级的新兴产业。世界主要国家都在进行石墨烯的前沿研究,但多处于材料研发的初级阶段,距大规模生产应用仍有一段距离。学者预测石墨烯首先应用于电子触摸屏,用作储能材料也将于近些年实现,但用作高频电路、逻辑电路则在更远的将来才能走向市场。

(1)石墨烯应用发展展望

石墨烯具备完整的较强导电性、透光性、柔性及微电子等属性,可作为感应层或者驱动层,被使用在触摸屏的模组里。2015年全球首台石墨烯手机已经在重庆发布。2014年全球对透明导电薄膜的市场需求量约为4000万m2,根据机构预测,5年后需求量将翻一番,猛增至8000万m2。其最大的市场为触控领域,应用于显示器、平板电脑、智能手机等产品。石墨烯具有极高的比表面积,这使得石墨烯可成为潜力巨大的储能材料。石墨烯电池在比容量、成本、寿命等较其他产品有显著的卓越性,2015年石墨烯聚合材料电池将在西班牙实现产业化。石墨烯电池负极材料具有优良的比容量。

专业人士预计到2020年,中国储能产业的市场规模至少可达6000亿元。石墨烯有望成为市场潜力巨大的电极材料。石墨烯材料能有效去除水中重金属、染料和氟化物。吴艳等研究得到当亚甲基蓝初始浓度为100mg/L,石墨烯吸附剂投加量的最适浓度为2g/L。2012年中国工业废水排放量为221.6亿吨。这表明石墨烯吸附材料在水处理领域上也有巨大的应用前景。

科学家正在研究石墨烯的新应用领域,主要集中于超轻型材料、太空线缆、石墨烯光电探测器等。

(2)石墨烯产业对天然石墨需求的判断

石墨烯的制备主要有四种方法。机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法的原材料为天然石墨,而气相沉积法原材料多为甲烷。电阻触摸屏石墨烯材料,多采用氢气、甲烷等原材料先在金属表面上催化生长石墨烯。在作为吸附材料,不同的学者应用氧化石墨烯和还原性石墨烯均取得了不错的效果。

制约石墨烯广泛应用的瓶颈在于难以大规模、低成本、可控的制备高品质的石墨烯。现在氧化还原法和化学沉积法均实现了石墨烯制备的产业化,并且产量也已达到吨级。但对于未来石墨烯的巨大需求,何种方法能大规模、低成本、可控的合成石墨烯,将主导未来天然石墨需求态势。

随着石墨烯研发的深入和产业化的推进,中国涌现了几十家石墨烯高科技企业。如上海新池、南京科孚纳米、深圳贝特瑞等。中国现阶段石墨烯生产线在江苏常州、泰州、浙江宁波、重庆、山东、宁夏等地投产,生产规模在30~300吨之间,且采用的原料多种多样,江苏第六元素公司采用石墨粉氧化还原、二维碳素公司采用甲烷等化学气相沉积,而宁夏平罗采用碳化硅生产下脚料作为原料。由此可见,在2020年前石墨烯产业对天然石墨的需求量将保持在万吨的规模,难以撼动天然石墨的消费结构。

二、未来中国石墨需求格局及产业发展方向

2.1 未来中国石墨需求规模及格局

基于以上对石墨需求的主要部门的分析和未来趋势判断,得出:到2020年中国天然石墨的需求规模将达到100万吨,比2010年增长42.5%。并且石墨烯制备方法、应用的不确定性将对石墨的需求造成巨大的影响(见图4)。在剔除石墨烯发展的不确定性情况下,到2020年耐火材料的石墨量为15万吨,呈现下降的态势,所占比重为14.93%;随着钢铁需求的逐步回落,钢铁铸造的石墨消费量预计为55万吨,仍旧是消费的最大行业。而密封材料、摩擦材料、润滑剂、吸附剂对石墨的需求将保持快速的增长态势,到2020年各部门对石墨的消费量将是2010年的2倍以上。电池电极对石墨消费量也呈现快速增长态势,其增长主要来源于未来电动汽车对石墨的需求增长,电动汽车石墨消费量将是2013年的46倍。

 

2.2 中国石墨未来发展方向

科学利用和保护天然石墨资源,开发深加工技术和发展高端产品将是必然的选择。中国石墨发展要依据未来石墨的需求格局变化,调整发展方向。从未来石墨的消费结构来看,传统领域对石墨的需求趋于稳定,新能源新材料领域对石墨的需求增长强劲,而石墨烯产业将对石墨的需求带来巨大的不确定性。随着科技创新的发展,为满足新能源、新材料领域对高性能、专业化石墨材料的需求,石墨产业应从材料级向专业级产品和深加工产业方向发展的趋势。

未来中国石墨需求在传统应用领域将保持稳定。而在高精尖领域将得到越来越广泛的应用,成为战略性新兴材料。石墨的市场需求将会持续增加,战略意义越发凸显。未来在锂离子电池、密封、制动、润滑等新能源、新材料领域应用潜力巨大。虽然中国是石墨资源大国,但也应具有强烈的危机意识和战略意识。调整产品结构,鼓励支持发展高附加值产品,带动石墨产业链后向一体化发展,提升我国石墨产业的国际竞争力,努力使我国发展成为石墨资源强国。

三、结论与讨论

在现阶段石墨的应用领域和技术情况下,本研究主要从石墨在耐火材料、铸造等传统领域和密封、制动材料、润滑剂、吸附剂、电池电极等新能源新材料领域的产业部门需求的角度,研究了这些部门未来对石墨的需求情况,主要结论有:

(1)到2020年中国石墨的需求量将达到100万吨,比2010年增长42.5%。

(2)从消费格局来看,传统领域仍然是石墨的主要消费领域,但所占比重将逐渐减低;新能源新材料领域石墨消费将快速增长,其中电动汽车增长尤为明显。

(3)在现在技术条件下,石墨烯对天然石墨的需求将保持在万吨水平,难以改变已有天然石墨消费格局。中国主要石墨烯生产线的规模、工艺和原材料的差异,弱化了石墨烯产业对天然石墨的需求规模。石墨烯作为在储能、吸附材料很大程度上将依赖于天然石墨,而触摸屏利用则可能以甲烷等为原料。

(4)从本文的趋势判断来看,天然石墨生产企业的未来发展将以电池电极负极材料、膨胀石墨、柔性石墨等密封材料、及氟化石墨、各向同性石墨为主。

从产业需求的范围来看,本研究重点分析了主要传统和新型领域对石墨的需求,而其他石墨功能性材料:导电油墨、抗静电橡胶和塑料、防辐射材料等均未包含在本研究内,研究范围待拓宽;对铅笔、润滑、吸附等领域的应用,由于知识和相关文献的制约,一些参数的设置如吸附剂、润滑剂的消费量、天然石墨在其中的比重、石墨烯天然石墨的消费强度、石墨烯在主要应用领域的单位需求量等还需进一步的研究和探讨。

                      (本文作者:高天明1,陈其慎2,于汶加2,沈镭1,其中1为中国科学院地理科学与资源研究所;2为中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心)