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點墨成金 寧波探索石墨烯產業化科創新路徑
http://www.server-x.net 中國寧波網 25年02月28日
國創中心九龍湖園區。國家石墨烯創新中心提供
近日，國家石墨烯創新中心孵化企業——寧波烯沃新材料科技有限公司宣布在石墨烯納米管領域取得重大技術突破，成功實現高性能產品的規�；慨a。
不僅如此，從電熱膜到冷鏈設備再到改性面料，一連串石墨烯產業化成果的落地，讓“石墨烯之父”——2010年諾貝爾物理學獎獲得者安德烈·海姆感慨不已。
“石墨烯產業化這條路，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新大會時，他這樣對國家石墨烯創新中心主任劉兆平說。
20年前，安德烈·海姆在實驗室扔掉的廢棄膠帶上，將石墨的層狀結構分離開來，獲得了人類第一個二維晶體材料——石墨烯。從此，這個無法用肉眼直接觀察的微觀世界吸引了無數研究者、創業者投身其中，在全球掀起一波波石墨烯熱潮。
2022年11月，工信部批復由寧波石墨烯創新中心有限公司組建國家石墨烯創新中心（下稱國創中心），實現了浙江省國家級制造業創新中心零的突破。
截至目前，國創中心獲得授權專利300余項，其中數十項專利成果實現了產業化，并培育孵化石墨烯企業20余家。依托“國字號”平臺，寧波如何點墨成金，為未來產業構筑適宜的創新生態？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%
十多年前的實驗室成果煥發新生
疾馳的新能源汽車上，動力電池猶如心臟。這顆心臟如何變得更強勁？
去年11月，在鎮海舉行的中國國際石墨烯創新大會上，中國科學院寧波材料所研究員周旭峰發布了一項名為“石墨烯復合納米硅碳負極材料”的新成果。該成果的創新點在于將石墨烯與硅碳負極材料進行有效混合，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瓦時每千克，是目前主流水平的1.5倍，汽車續航里程將顯著提高。”周旭峰驕傲地說。
石墨烯動力電池技術平臺工作場景。國家石墨烯創新中心提供
正極材料和負極材料決定著鋰電池的能量密度，其技術迭代格外引人關注。相比廣泛應用的石墨負極，硅負極的“儲電”能力要高出近10倍，但硅材料容易膨脹，反復充放電后更會引起性能的衰減，進而影響電池壽命。為解決這個難題，周旭峰團隊想到了石墨烯。
作為二維材料，石墨烯擁有強大的機械性能、優異的導電性和巨大的比表面積，3克石墨烯的比表面積就相當于一個足球場。正因為這些特點，復合了石墨烯的硅材料會變得更穩定。
“你可以把石墨烯想象成一張張又柔又韌的小網，在其包覆下，硅顆粒即便有膨脹也不會互相分離，造成電池負極的碎裂脫落。”周旭峰說，這個原理他們十多年前就已發現，但當時相關產業沒起來，因此只停留在基礎研究階段。
一項十多年前的實驗室成果，為何能在今天成為解決行業發展痛點的突破口？這背后，是一條由國創中心策源牽引、圍繞商業化方向開展關鍵共性技術研究的嶄新科創路徑。
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個省（市、自治區）布局了30個國家級制造業創新中心。2017年，浙江省石墨烯制造業創新中心落戶寧波。5年后，中心晉升為“國家級”。
相比其他載體，作為“國家隊”的國創中心不僅能最大限度集聚資源，還呈現出鮮明的市場化運作特點，首批股東單位就包含數十家協同創新主體。
“我們與中國科學院寧波材料所共建研發設計中心，并聯合上下游建設協同創新平臺。”劉兆平解釋，這種模式的好處在于，一旦石墨烯行業產生變革性需求，中心可以從科研和市場兩個方向同時整合資源發力，從而加速新技術的迭代突破。
關鍵共性技術決定著產業發展的方向。新能源汽車方興未艾，硅負極商用不斷加速，這讓周旭峰團隊看到了實驗室成果往前邁一步的機會。
在國創中心支持下，周旭峰團隊聚焦石墨烯與硅復合的工藝難題進行了反復驗證，中心專家和股東單位也作為“智囊團”提出了許多建議，由此加快了“石墨烯復合納米硅碳負極材料”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，如果這個材料能順利量產應用，將會大大提高硅負極的市場競爭力。
“借助石墨烯之后，硅在負極材料的用量會顯著增加，動力電池性能‘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域應用的一個里程碑，甚至有可能引發行業變革。
發展機遇轉瞬即逝。對國創中心來說，一項重要使命就是篩選面向國家重大需求和行業發展需要的石墨烯創新方向，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，中心堅持“有所為有所不為”，正圍繞石墨烯基動力電池、石墨烯銅基復合材料、石墨烯導熱材料、石墨烯電熱元件、石墨烯改性重防腐涂料、碳基芯片等領域加速關鍵技術攻關，“爭取到2028年，建設成具有國際影響力的石墨烯創新策源中心”。
石墨烯導熱膜。國家石墨烯創新中心提供
樓下科研，樓上創業
為創新成果建好“育苗箱”
剛過完年，國家納米科學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中心，他要在寧波完成“石墨烯玻璃”這一新技術的落地轉化。
“好比在廚房做烤餅，玻璃經過‘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電、防刮、散熱等多種新特性。”徐建勛告訴記者，這個“烤制”技術在國內乃至國際屬于首創，未來前景看好。
吸引徐建勛等技術大牛來寧波創業的，是國創中心精心打造的一套創新“生態系統”。
“新材料的產業化需經歷相當長的周期，更離不開人才、設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。這點往往不被石墨烯從業者所重視。”作為國內最早從事石墨烯產業化的專家，劉兆平深知石墨烯技術創新的艱難。
為提高石墨烯技術成果的轉化效率，國創中心不僅建設了專門的成果轉化平臺，更為創新團隊量身定制了靈活多樣的合作模式，既可帶著學術論文來，也可帶著商業計劃書來……從成果驗證到資源匹配，再到工程化放大，就像搭建起了一個石墨烯技術成果培育的專業“育苗箱”。
“樓下科研，樓上創業。”在徐建勛看來，這種模式能為他這樣的學者型創業者帶來更多機遇。“對接市場不是我們的強項，在寧波，這些事有人幫我們干了，我們只需把團隊組建好、把產線調試好。”
精準培育下，畢業于中國科學院蘇州納米所的郭玉芬博士也看到了項目“破土”的希望。
著眼手機等消費電子產品的散熱需求，5年前，郭玉芬采取了一條與同行不同的技術路線，研發石墨烯導熱膜。在中心著力打造的石墨烯導熱材料技術平臺加持下，如今郭玉芬團隊不僅可量產大寬幅的石墨烯導熱膜產品，還可定制高性能的非標產品，拿到了不少頭部手機廠的意向訂單。
人才的匯聚，常能催生更多的創新成果。采訪中，記者發現一個有趣現象：中心不少孵化企業不但是產業鏈上下游，更在抱團成長，開拓更廣闊的石墨烯應用領域。
比如，烯材暖、柔碳科技兩家企業都生產石墨烯電熱膜，但生產工藝不同，應用領域也不同。作為兩者的下游，高芯熱能、佳運智能、五恒烯等企業對“柔碳牌”電熱膜優化升級后，深耕可穿戴取暖領域；對“烯材暖牌”的電熱膜優化設計加工后，則在地暖等煤改電、氣改電領域找到了良好前景。
電熱膜、導熱膜、導電劑、氣凝膠、烯合金……目前，以首次商業化為主要目標的國創中心已組建研發團隊近30個，集聚科研人員近250人。
“新材料從實驗室走向生產線，必須做好方方面面準備。”劉兆平介紹，瞄準未來，他們正努力打造貫穿石墨烯領域創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈的新型創新體系，“這實際上是在為創新蓄水，慢不得，但也急不得。”
石墨烯導熱膜卷材中試制備技術。國家石墨烯創新中心提供
產品“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”，一款應用了石墨電熱元件的家用暖菜板在電商平臺爆賣數萬臺。為該產品提供關鍵材料的，正是坐落于鎮海的柔碳科技。
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線，率先實現大寬幅石墨烯薄膜卷材生產。歷經多次技術迭代，柔碳石墨烯卷材駛上產業化快車道。
“原先都是埋頭搞科研，現在這種思維方式逐漸轉過來了。”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業化初期的“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生活帶來什么。”
以暖菜板產品為例，石墨烯在其中的用料占比并不高，但憑借其超強的導熱性，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。
在國創中心產業化應用項目支持下，柔碳科技大膽延伸在智能家電、可穿戴等領域的新產品研發觸角，產值節節高的同時，還在當地形成了一條從石墨烯薄膜卷材制備到應用的產業鏈。近期，他們還與吉利汽車研究院達成合作，未來將借助石墨烯的獨特性能，進軍百億級汽車熱管理市場。
不止暖菜板，只有一個原子層厚的石墨烯正在成為一些傳統行業迭代升級的催化劑。烯冷新能源與頭部物流企業合作開發石墨烯熱管理增強制冷裝備，解決冷鏈運輸難題；尚烯科技開發的石墨烯改性面料，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”經濟，實現家居地暖、育苗床電暖等石墨烯產品的“七十二變”……
在國創中心所在的寧波鎮海區，這種催化效應尤其明顯。前不久，一家專門生產接插件產品的本土企業還找到柔碳科技，希望為昂貴的導電銀材料找到“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，嘗試應用于高鐵牽引電機上。“這個產品即將進行整車驗證，未來或將培育出又一個千億級的新產業。”
11月，2024中國國際石墨烯創新大會在寧波舉行。國家石墨烯創新中心提供
未來產業不是空中樓閣，如何將其與現有產業有機融合，實現協同發展，考驗著地方的智慧。
以產業強區鎮海為例，依托中國科學院寧波材料所、國家石墨烯創新中心等平臺，當地很早就推出石墨烯等未來產業的專項扶持政策，可謂布局甚早。而今順應新質生產力培育的需要，當地的發展思路也在轉變。“通過更加精準的引導，加速創新成果落地轉化，更好為地方經濟服務。”鎮海區經信局副局長童凱士說。
這兩年，鎮海逐漸聚起柔碳科技、尚烯科技、云涂新材、烯冷新能源等十數家石墨烯企業，形成了頗具影響力的創新生態。圍繞省級未來產業先導區培育，鎮海正加快推進“三核一鏈”的石墨烯創新發展新布局——九龍湖、駱駝負責小試中試，澥浦建產業化基地，此外，還將把附近廢棄的廠房改造成石墨烯等高新產業科創中心，并命名為“光明科創微城”。
以點帶面，串珠成鏈，一張由石墨烯催生的產業創新圖譜正在甬江畔鋪展開來。“打好基礎，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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石墨烯產業發展史
萌芽期（2010-2012）：2010年發現石墨烯的兩位科學家被授予諾獎后，掀起全球石墨烯研究熱潮。2012年，工信部出臺《新材料產業“十二五”發展規劃》，首次明確提出支持石墨烯新材料發展。
形成期：（2013-2015年）：石墨烯產業化發展浪潮席卷全國，企業和專利數快速增加，應用產品陸續面世。2015年，國家金融信息中心發布全球首個石墨烯指數。2015年底，三部門印發《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》，提出將石墨烯產業發展成先導產業。
發展期：（2016-2018年）：在政策和資金的雙重支持下，企業數量進入爆發期。制備技術不斷突破，下游應用市場逐步打開。2018年，石墨烯散熱膜首次應用于華為手機，這是以石墨烯為主體的散熱材料首次商業化應用。石墨烯市場規模年均增長率高達58%。
調整期：（2019-至今）產業發展趨于理性，一些不具備核心競爭力的企業開始被市場淘汰，產業集聚效應逐步凸顯。石墨烯市場規模繼續擴大，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17870家，居全球之首。我國石墨烯技術專利申請量占全球比例超過70%。
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