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點(diǎn)墨成金 寧波探索石墨烯產(chǎn)業(yè)化科創(chuàng)新路徑
http://www.yudeshui.club 中國寧波網(wǎng) 25年02月28日
國創(chuàng)中心九龍湖園區(qū)。國家石墨烯創(chuàng)新中心提供
近日，國家石墨烯創(chuàng)新中心孵化企業(yè)——寧波烯沃新材料科技有限公司宣布在石墨烯納米管領(lǐng)域取得重大技術(shù)突破，成功實(shí)現(xiàn)高性能產(chǎn)品的規(guī)模化量產(chǎn)。
不僅如此，從電熱膜到冷鏈設(shè)備再到改性面料，一連串石墨烯產(chǎn)業(yè)化成果的落地，讓“石墨烯之父”——2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者安德烈·海姆感慨不已。
“石墨烯產(chǎn)業(yè)化這條路，寧波走在了全世界的前面。”去年11月，在寧波參加中國國際石墨烯創(chuàng)新大會時(shí)，他這樣對國家石墨烯創(chuàng)新中心主任劉兆平說。
20年前，安德烈·海姆在實(shí)驗(yàn)室扔掉的廢棄膠帶上，將石墨的層狀結(jié)構(gòu)分離開來，獲得了人類第一個(gè)二維晶體材料——石墨烯。從此，這個(gè)無法用肉眼直接觀察的微觀世界吸引了無數(shù)研究者、創(chuàng)業(yè)者投身其中，在全球掀起一波波石墨烯熱潮。
2022年11月，工信部批復(fù)由寧波石墨烯創(chuàng)新中心有限公司組建國家石墨烯創(chuàng)新中心（下稱國創(chuàng)中心），實(shí)現(xiàn)了浙江省國家級制造業(yè)創(chuàng)新中心零的突破。
截至目前，國創(chuàng)中心獲得授權(quán)專利300余項(xiàng)，其中數(shù)十項(xiàng)專利成果實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，并培育孵化石墨烯企業(yè)20余家。依托“國字號”平臺，寧波如何點(diǎn)墨成金，為未來產(chǎn)業(yè)構(gòu)筑適宜的創(chuàng)新生態(tài)？帶著一連串的疑問，記者開啟探尋之路。
電池“電量”有望提升50%
十多年前的實(shí)驗(yàn)室成果煥發(fā)新生
疾馳的新能源汽車上，動(dòng)力電池猶如心臟。這顆心臟如何變得更強(qiáng)勁？
去年11月，在鎮(zhèn)海舉行的中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，中國科學(xué)院寧波材料所研究員周旭峰發(fā)布了一項(xiàng)名為“石墨烯復(fù)合納米硅碳負(fù)極材料”的新成果。該成果的創(chuàng)新點(diǎn)在于將石墨烯與硅碳負(fù)極材料進(jìn)行有效混合，突破了后者的性能瓶頸。
“理想條件下，采用這種材料的動(dòng)力電池能量密度（單位重量電池最多能儲存的電量）可突破450瓦時(shí)每千克，是目前主流水平的1.5倍，汽車?yán)m(xù)航里程將顯著提高。”周旭峰驕傲地說。
石墨烯動(dòng)力電池技術(shù)平臺工作場景。國家石墨烯創(chuàng)新中心提供
正極材料和負(fù)極材料決定著鋰電池的能量密度，其技術(shù)迭代格外引人關(guān)注。相比廣泛應(yīng)用的石墨負(fù)極，硅負(fù)極的“儲電”能力要高出近10倍，但硅材料容易膨脹，反復(fù)充放電后更會引起性能的衰減，進(jìn)而影響電池壽命。為解決這個(gè)難題，周旭峰團(tuán)隊(duì)想到了石墨烯。
作為二維材料，石墨烯擁有強(qiáng)大的機(jī)械性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，3克石墨烯的比表面積就相當(dāng)于一個(gè)足球場。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，復(fù)合了石墨烯的硅材料會變得更穩(wěn)定。
“你可以把石墨烯想象成一張張又柔又韌的小網(wǎng)，在其包覆下，硅顆粒即便有膨脹也不會互相分離，造成電池負(fù)極的碎裂脫落。”周旭峰說，這個(gè)原理他們十多年前就已發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)相關(guān)產(chǎn)業(yè)沒起來，因此只停留在基礎(chǔ)研究階段。
一項(xiàng)十多年前的實(shí)驗(yàn)室成果，為何能在今天成為解決行業(yè)發(fā)展痛點(diǎn)的突破口？這背后，是一條由國創(chuàng)中心策源牽引、圍繞商業(yè)化方向開展關(guān)鍵共性技術(shù)研究的嶄新科創(chuàng)路徑。
作為提升中國制造競爭力的重要舉措，2016年起至今，國家先后在14個(gè)省（市、自治區(qū)）布局了30個(gè)國家級制造業(yè)創(chuàng)新中心。2017年，浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心落戶寧波。5年后，中心晉升為“國家級”。
相比其他載體，作為“國家隊(duì)”的國創(chuàng)中心不僅能最大限度集聚資源，還呈現(xiàn)出鮮明的市場化運(yùn)作特點(diǎn)，首批股東單位就包含數(shù)十家協(xié)同創(chuàng)新主體。
“我們與中國科學(xué)院寧波材料所共建研發(fā)設(shè)計(jì)中心，并聯(lián)合上下游建設(shè)協(xié)同創(chuàng)新平臺。”劉兆平解釋，這種模式的好處在于，一旦石墨烯行業(yè)產(chǎn)生變革性需求，中心可以從科研和市場兩個(gè)方向同時(shí)整合資源發(fā)力，從而加速新技術(shù)的迭代突破。
關(guān)鍵共性技術(shù)決定著產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。新能源汽車方興未艾，硅負(fù)極商用不斷加速，這讓周旭峰團(tuán)隊(duì)看到了實(shí)驗(yàn)室成果往前邁一步的機(jī)會。
在國創(chuàng)中心支持下，周旭峰團(tuán)隊(duì)聚焦石墨烯與硅復(fù)合的工藝難題進(jìn)行了反復(fù)驗(yàn)證，中心專家和股東單位也作為“智囊團(tuán)”提出了許多建議，由此加快了“石墨烯復(fù)合納米硅碳負(fù)極材料”的落地。
眼下，該新材料已在多家頭部電池廠開展測試。周旭峰說，他們已建成百噸級的中試線，如果這個(gè)材料能順利量產(chǎn)應(yīng)用，將會大大提高硅負(fù)極的市場競爭力。
“借助石墨烯之后，硅在負(fù)極材料的用量會顯著增加，動(dòng)力電池性能‘天花板’也更有希望突破。”在劉兆平看來，這是石墨烯在新能源領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)里程碑，甚至有可能引發(fā)行業(yè)變革。
發(fā)展機(jī)遇轉(zhuǎn)瞬即逝。對國創(chuàng)中心來說，一項(xiàng)重要使命就是篩選面向國家重大需求和行業(yè)發(fā)展需要的石墨烯創(chuàng)新方向，加快工藝和裝備布局，從而避免“開盲盒”式的一擁而上。劉兆平告訴記者，中心堅(jiān)持“有所為有所不為”，正圍繞石墨烯基動(dòng)力電池、石墨烯銅基復(fù)合材料、石墨烯導(dǎo)熱材料、石墨烯電熱元件、石墨烯改性重防腐涂料、碳基芯片等領(lǐng)域加速關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，“爭取到2028年，建設(shè)成具有國際影響力的石墨烯創(chuàng)新策源中心”。
石墨烯導(dǎo)熱膜。國家石墨烯創(chuàng)新中心提供
樓下科研，樓上創(chuàng)業(yè)
為創(chuàng)新成果建好“育苗箱”
剛過完年，國家納米科學(xué)中心研究員徐建勛博士又從北京飛回寧波。去年3月，徐建勛選擇以柔性方式加盟國創(chuàng)中心，他要在寧波完成“石墨烯玻璃”這一新技術(shù)的落地轉(zhuǎn)化。
“好比在廚房做烤餅，玻璃經(jīng)過‘烤制’后表面生成的石墨烯納米薄膜，就能為普通的玻璃賦予導(dǎo)電、防刮、散熱等多種新特性。”徐建勛告訴記者，這個(gè)“烤制”技術(shù)在國內(nèi)乃至國際屬于首創(chuàng)，未來前景看好。
吸引徐建勛等技術(shù)大牛來寧波創(chuàng)業(yè)的，是國創(chuàng)中心精心打造的一套創(chuàng)新“生態(tài)系統(tǒng)”。
“新材料的產(chǎn)業(yè)化需經(jīng)歷相當(dāng)長的周期，更離不開人才、設(shè)備等大量資源的匹配支撐，絕不是一兩次融資就能輕松完成。這點(diǎn)往往不被石墨烯從業(yè)者所重視。”作為國內(nèi)最早從事石墨烯產(chǎn)業(yè)化的專家，劉兆平深知石墨烯技術(shù)創(chuàng)新的艱難。
為提高石墨烯技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化效率，國創(chuàng)中心不僅建設(shè)了專門的成果轉(zhuǎn)化平臺，更為創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)量身定制了靈活多樣的合作模式，既可帶著學(xué)術(shù)論文來，也可帶著商業(yè)計(jì)劃書來……從成果驗(yàn)證到資源匹配，再到工程化放大，就像搭建起了一個(gè)石墨烯技術(shù)成果培育的專業(yè)“育苗箱”。
“樓下科研，樓上創(chuàng)業(yè)。”在徐建勛看來，這種模式能為他這樣的學(xué)者型創(chuàng)業(yè)者帶來更多機(jī)遇。“對接市場不是我們的強(qiáng)項(xiàng)，在寧波，這些事有人幫我們干了，我們只需把團(tuán)隊(duì)組建好、把產(chǎn)線調(diào)試好。”
精準(zhǔn)培育下，畢業(yè)于中國科學(xué)院蘇州納米所的郭玉芬博士也看到了項(xiàng)目“破土”的希望。
著眼手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的散熱需求，5年前，郭玉芬采取了一條與同行不同的技術(shù)路線，研發(fā)石墨烯導(dǎo)熱膜。在中心著力打造的石墨烯導(dǎo)熱材料技術(shù)平臺加持下，如今郭玉芬團(tuán)隊(duì)不僅可量產(chǎn)大寬幅的石墨烯導(dǎo)熱膜產(chǎn)品，還可定制高性能的非標(biāo)產(chǎn)品，拿到了不少頭部手機(jī)廠的意向訂單。
人才的匯聚，常能催生更多的創(chuàng)新成果。采訪中，記者發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣現(xiàn)象：中心不少孵化企業(yè)不但是產(chǎn)業(yè)鏈上下游，更在抱團(tuán)成長，開拓更廣闊的石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域。
比如，烯材暖、柔碳科技兩家企業(yè)都生產(chǎn)石墨烯電熱膜，但生產(chǎn)工藝不同，應(yīng)用領(lǐng)域也不同。作為兩者的下游，高芯熱能、佳運(yùn)智能、五恒烯等企業(yè)對“柔碳牌”電熱膜優(yōu)化升級后，深耕可穿戴取暖領(lǐng)域；對“烯材暖牌”的電熱膜優(yōu)化設(shè)計(jì)加工后，則在地暖等煤改電、氣改電領(lǐng)域找到了良好前景。
電熱膜、導(dǎo)熱膜、導(dǎo)電劑、氣凝膠、烯合金……目前，以首次商業(yè)化為主要目標(biāo)的國創(chuàng)中心已組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)近30個(gè)，集聚科研人員近250人。
“新材料從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線，必須做好方方面面準(zhǔn)備。”劉兆平介紹，瞄準(zhǔn)未來，他們正努力打造貫穿石墨烯領(lǐng)域創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、人才鏈的新型創(chuàng)新體系，“這實(shí)際上是在為創(chuàng)新蓄水，慢不得，但也急不得。”
石墨烯導(dǎo)熱膜卷材中試制備技術(shù)。國家石墨烯創(chuàng)新中心提供
產(chǎn)品“七十二變”
石墨烯釋放更多光和熱
10秒速熱，從25度升溫至100度僅需4分鐘……去年“雙十一”，一款應(yīng)用了石墨電熱元件的家用暖菜板在電商平臺爆賣數(shù)萬臺。為該產(chǎn)品提供關(guān)鍵材料的，正是坐落于鎮(zhèn)海的柔碳科技。
早在7年前，柔碳科技便已建成半米寬幅、千米級長度的石墨烯薄膜卷對卷中試生產(chǎn)線，率先實(shí)現(xiàn)大寬幅石墨烯薄膜卷材生產(chǎn)。歷經(jīng)多次技術(shù)迭代，柔碳石墨烯卷材駛上產(chǎn)業(yè)化快車道。
“原先都是埋頭搞科研，現(xiàn)在這種思維方式逐漸轉(zhuǎn)過來了。”柔碳科技董事長汪偉告訴記者，石墨烯薄膜卷材對工藝要求極高，但這在某種意義上也成為產(chǎn)業(yè)化初期的“瓶頸”。“‘曲高和寡’的東西別人不敢用，你必須考慮石墨烯能為生產(chǎn)生活帶來什么。”
以暖菜板產(chǎn)品為例，石墨烯在其中的用料占比并不高，但憑借其超強(qiáng)的導(dǎo)熱性，一款暖菜板可以在功率不變的前提下，大幅提升熱能輸出的效率，從而吸引“路人粉”嘗鮮購買。
在國創(chuàng)中心產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目支持下，柔碳科技大膽延伸在智能家電、可穿戴等領(lǐng)域的新產(chǎn)品研發(fā)觸角，產(chǎn)值節(jié)節(jié)高的同時(shí)，還在當(dāng)?shù)匦纬闪艘粭l從石墨烯薄膜卷材制備到應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈。近期，他們還與吉利汽車研究院達(dá)成合作，未來將借助石墨烯的獨(dú)特性能，進(jìn)軍百億級汽車熱管理市場。
不止暖菜板，只有一個(gè)原子層厚的石墨烯正在成為一些傳統(tǒng)行業(yè)迭代升級的催化劑。烯冷新能源與頭部物流企業(yè)合作開發(fā)石墨烯熱管理增強(qiáng)制冷裝備，解決冷鏈運(yùn)輸難題；尚烯科技開發(fā)的石墨烯改性面料，讓衣物擁有抑菌、抗靜電、吸濕、速干等多重功能；高芯熱能則聚焦“暖”經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)家居地暖、育苗床電暖等石墨烯產(chǎn)品的“七十二變”……
在國創(chuàng)中心所在的寧波鎮(zhèn)海區(qū)，這種催化效應(yīng)尤其明顯。前不久，一家專門生產(chǎn)接插件產(chǎn)品的本土企業(yè)還找到柔碳科技，希望為昂貴的導(dǎo)電銀材料找到“平替”。
在汪偉看來，這正是石墨烯作為未來材料的魅力所在。這些年，“柔碳”每年都向中車研究院提供銅基石墨烯薄膜，由對方加工成“超級銅”后，嘗試應(yīng)用于高鐵牽引電機(jī)上。“這個(gè)產(chǎn)品即將進(jìn)行整車驗(yàn)證，未來或?qū)⑴嘤鲇忠粋�(gè)千億級的新產(chǎn)業(yè)。”
11月，2024中國國際石墨烯創(chuàng)新大會在寧波舉行。國家石墨烯創(chuàng)新中心提供
未來產(chǎn)業(yè)不是空中樓閣，如何將其與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展，考驗(yàn)著地方的智慧。
以產(chǎn)業(yè)強(qiáng)區(qū)鎮(zhèn)海為例，依托中國科學(xué)院寧波材料所、國家石墨烯創(chuàng)新中心等平臺，當(dāng)?shù)睾茉缇屯瞥鍪┑任磥懋a(chǎn)業(yè)的專項(xiàng)扶持政策，可謂布局甚早。而今順應(yīng)新質(zhì)生產(chǎn)力培育的需要，當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展思路也在轉(zhuǎn)變。“通過更加精準(zhǔn)的引導(dǎo)，加速創(chuàng)新成果落地轉(zhuǎn)化，更好為地方經(jīng)濟(jì)服務(wù)。”鎮(zhèn)海區(qū)經(jīng)信局副局長童凱士說。
這兩年，鎮(zhèn)海逐漸聚起柔碳科技、尚烯科技、云涂新材、烯冷新能源等十?dāng)?shù)家石墨烯企業(yè)，形成了頗具影響力的創(chuàng)新生態(tài)。圍繞省級未來產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)區(qū)培育，鎮(zhèn)海正加快推進(jìn)“三核一鏈”的石墨烯創(chuàng)新發(fā)展新布局——九龍湖、駱駝負(fù)責(zé)小試中試，澥浦建產(chǎn)業(yè)化基地，此外，還將把附近廢棄的廠房改造成石墨烯等高新產(chǎn)業(yè)科創(chuàng)中心，并命名為“光明科創(chuàng)微城”。
以點(diǎn)帶面，串珠成鏈，一張由石墨烯催生的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新圖譜正在甬江畔鋪展開來。“打好基礎(chǔ)，小步快跑，相信石墨烯會釋放出更多的光和熱。”童凱士滿懷憧憬。
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石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展史
萌芽期（2010-2012）：2010年發(fā)現(xiàn)石墨烯的兩位科學(xué)家被授予諾獎(jiǎng)后，掀起全球石墨烯研究熱潮。2012年，工信部出臺《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，首次明確提出支持石墨烯新材料發(fā)展。
形成期：（2013-2015年）：石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展浪潮席卷全國，企業(yè)和專利數(shù)快速增加，應(yīng)用產(chǎn)品陸續(xù)面世。2015年，國家金融信息中心發(fā)布全球首個(gè)石墨烯指數(shù)。2015年底，三部門印發(fā)《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，提出將石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展成先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。
發(fā)展期：（2016-2018年）：在政策和資金的雙重支持下，企業(yè)數(shù)量進(jìn)入爆發(fā)期。制備技術(shù)不斷突破，下游應(yīng)用市場逐步打開。2018年，石墨烯散熱膜首次應(yīng)用于華為手機(jī)，這是以石墨烯為主體的散熱材料首次商業(yè)化應(yīng)用。石墨烯市場規(guī)模年均增長率高達(dá)58%。
調(diào)整期：（2019-至今）產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨于理性，一些不具備核心競爭力的企業(yè)開始被市場淘汰，產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)逐步凸顯。石墨烯市場規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，2023年已接近400億元。截至2023年底，我國登記注冊的石墨烯單位達(dá)17870家，居全球之首。我國石墨烯技術(shù)專利申請量占全球比例超過70%。
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