推動(dòng)我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的科技對(duì)策建議

孟 弘

( 中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院，北京 100038)

1 引言

石墨是碳材料的重要組成部分，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤(rùn)滑、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定、可塑、抗熱震等特殊性能，已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、電子、航空航天、國(guó)防軍工等行業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和國(guó)防科技工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料，在其應(yīng)用的諸多行業(yè)中具有產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高和不可替代性等特征［1］。我國(guó)是世界上石墨儲(chǔ)量最豐富的國(guó)家，已探明儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的70%，也是第一生產(chǎn)大國(guó)和出口大國(guó)［2］，在世界石墨行業(yè)中占有重要地位。然而，在整個(gè)石墨產(chǎn)業(yè)鏈中，我國(guó)仍然處于價(jià)值鏈低端［3］，產(chǎn)品以礦產(chǎn)原料和初級(jí)產(chǎn)品為主，深加工產(chǎn)品較少，環(huán)境污染較嚴(yán)重，資源回收率較低，與發(fā)達(dá)國(guó)家石墨產(chǎn)業(yè)相比存在較大的差距。

2 我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的科技需求

在產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈且新需求不斷涌現(xiàn)的情況下，我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)正面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求。而要轉(zhuǎn)變我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)附加值低、利潤(rùn)流失的“資源—產(chǎn)品—廢棄物”線性發(fā)展模式，就必須依靠科技創(chuàng)新，突破深加工技術(shù)瓶頸，通過(guò)深加工延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)而走向價(jià)值鏈的高端，形成從采礦、選礦、提純、深加工到循環(huán)利用的全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)集群，實(shí)現(xiàn)我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2.1 實(shí)現(xiàn)清潔高效開(kāi)發(fā)

當(dāng)前，我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)高能耗、高污染、低效率的問(wèn)題依然嚴(yán)重。在采礦環(huán)節(jié)，小規(guī)模掠奪式開(kāi)采模式普遍存在，開(kāi)采技術(shù)力量薄弱，生產(chǎn)工藝落后，缺少專業(yè)化協(xié)作分工和規(guī)模效應(yīng)，缺乏正規(guī)的礦山開(kāi)采設(shè)計(jì)，采富棄貧現(xiàn)象嚴(yán)重，剝采比例嚴(yán)重失調(diào)，甚至只采不剝;在選礦和提純環(huán)節(jié)，主要采用多級(jí)浮選法進(jìn)行初選，再通過(guò)多級(jí)強(qiáng)酸強(qiáng)堿法進(jìn)行提純，浮選和提純廢水含有大量劇毒有害物質(zhì)，嚴(yán)重威脅地表水和地下水安全;在深加工環(huán)節(jié)，由于技術(shù)、工藝和裝備的落后導(dǎo)致深加工產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不高、批次質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低下［4］;在尾礦環(huán)節(jié)，基本采取堆積的方式，不僅占用大量的地表面積，而且尾礦中有毒有害物質(zhì)對(duì)水資源威脅巨大，缺乏資源綜合利用的系統(tǒng)考慮。

因此，實(shí)現(xiàn)石墨產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)首先就要實(shí)現(xiàn)清潔高效開(kāi)發(fā)，這就需要在采礦環(huán)節(jié)開(kāi)發(fā)能耗低、環(huán)境友好、生產(chǎn)能力強(qiáng)的綠色保護(hù)性開(kāi)采技術(shù)和工藝，研制自動(dòng)化、大型化的石墨礦專用開(kāi)采裝備;在選礦環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)高效清潔且能保護(hù)石墨大鱗片的浮選技術(shù)及工藝，研制全流程自動(dòng)化綠色選礦系統(tǒng);在提純環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保型提純技術(shù)工藝，研制配套的大型連續(xù)式提純關(guān)鍵裝備;在深加工環(huán)節(jié)，突出應(yīng)用導(dǎo)向，充分利用高技術(shù)增加石墨產(chǎn)品的價(jià)值，增加深加工產(chǎn)品的比重，真正做到石墨產(chǎn)業(yè)的高效開(kāi)發(fā);在資源綜合利用環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)適用于石墨及伴生元素綜合回收技術(shù)、尾礦資源化利用技術(shù)、礦山生態(tài)治理與修復(fù)技術(shù)。

2.2 適應(yīng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2012 年7 月9 日，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，對(duì)節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了部署。鑒于石墨在新能源、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布對(duì)我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展既是一個(gè)難得的機(jī)遇，也是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)天然石墨在大型動(dòng)力型鋰離子電池和儲(chǔ)能型鋰離子電池中的使用尚處于研究開(kāi)發(fā)階段，主要是在循環(huán)壽命、倍率特性與低溫性能等方面達(dá)不到動(dòng)力電池負(fù)極材料要求，因此為了降低成本，急需研發(fā)符合要求的天然石墨基鋰離子電池負(fù)極材料;我國(guó)只能生產(chǎn)低品質(zhì)的各向同性石墨，高品質(zhì)各向同性石墨完全依賴進(jìn)口且受國(guó)外出口限制［5］，我國(guó)大力發(fā)展核電的客觀需求使得高質(zhì)量各向同性石墨的國(guó)產(chǎn)化的要求更加迫切;我國(guó)在柔性石墨密封材料上與國(guó)際水平的差距是高檔產(chǎn)品少、品牌效益差、缺乏明確的質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)不同用途的柔性石墨密封材料研發(fā)通用級(jí)、高導(dǎo)熱級(jí)、核能級(jí)、緩蝕級(jí)、高純級(jí)等不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，在新能源領(lǐng)域，我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)需要突破動(dòng)力型和儲(chǔ)能型鋰離子電池用石墨負(fù)極材料的制備技術(shù)和成型技術(shù)，攻克核反應(yīng)堆用各向同性石墨、鋰氟電池用氟化石墨的制備技術(shù)等。在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)需要突破低硫高抗氧化可膨脹石墨的制備技術(shù)，研制用于油污處理、污水凈化等民生領(lǐng)域的高效吸附材料，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)型、高導(dǎo)熱型、緩蝕型、超薄型、高純型、高導(dǎo)電型等系列高端柔性石墨密封材料制備技術(shù)、工藝及生產(chǎn)裝備。

2.3 創(chuàng)造新的應(yīng)用需求

石墨產(chǎn)業(yè)作為典型的資源型原材料產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)必須以應(yīng)用為牽引，以提升自主創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，充分依托全國(guó)科技和工業(yè)基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)科學(xué)和核心關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品，開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)造新的應(yīng)用需求。目前，石墨烯是石墨產(chǎn)業(yè)最前沿的科技和產(chǎn)業(yè)概念之一［6］，在電池材料領(lǐng)域如鋰離子電池正負(fù)極材料、燃料電池催化劑及其載體、超級(jí)電容器材料以及太陽(yáng)能電池材料等方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，且很有希望成為最先獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域。但目前的研究多為將石墨烯與現(xiàn)有材料的復(fù)合，發(fā)揮石墨烯的優(yōu)點(diǎn)以提高材料的宏觀性能［7］，而針對(duì)石墨烯在相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，如石墨烯的嵌脫鋰機(jī)制、電催化過(guò)程中的作用機(jī)理、界面電荷輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)、光電轉(zhuǎn)換增強(qiáng)機(jī)制等方面亟需開(kāi)展系統(tǒng)深入的理論研究工作，進(jìn)而拓展石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域。

因此，我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)還需要不斷地創(chuàng)造新的應(yīng)用需求，推動(dòng)石墨產(chǎn)業(yè)持續(xù)向高端發(fā)展。這就需要跟蹤國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家石墨應(yīng)用領(lǐng)域的高技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，積極研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備。根據(jù)國(guó)外石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)的現(xiàn)狀，需要突破石墨烯規(guī)模化制備技術(shù)，面向納米電路技術(shù)、石墨烯晶體管、石墨烯電容觸摸屏、新能源電池宏觀組裝、新型顯示技術(shù)、納米復(fù)合材料制備技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)展石墨烯在新型功能復(fù)合材料中的應(yīng)用研究;突破浸硅石墨的規(guī)模化制備技術(shù)，開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱/導(dǎo)電/耐高溫石墨復(fù)合材料的制備工藝，攻克金屬/石墨的界面設(shè)計(jì)和調(diào)控技術(shù)等，進(jìn)而創(chuàng)造更多的應(yīng)用需求。

3 對(duì)策建議

為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，完成深加工技術(shù)的突破，全面提升我國(guó)石墨產(chǎn)業(yè)的科研技術(shù)水平和生產(chǎn)保障能力，建議近期我國(guó)科技主管部門在以下方面進(jìn)行重點(diǎn)部署:

3.1 基礎(chǔ)研究方面

以解決石墨采選、深加工和應(yīng)用中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為目標(biāo)，開(kāi)展天然石墨礦物結(jié)構(gòu)與性能、石墨烯的制備與應(yīng)用、石墨改性等方面的基礎(chǔ)研究，為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和新產(chǎn)品研發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論保障。重點(diǎn)研究方向如下:

(1)天然石墨礦物結(jié)構(gòu)與性能研究。研究天然石墨的地質(zhì)特征和礦石礦物學(xué)，研究天然石墨的礦物結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)元素的賦存規(guī)律及其對(duì)天然石墨理化性能的影響，研究不同礦物在選礦和深度提純進(jìn)程中的性狀及其行為，建立石墨工藝礦物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)及工藝礦物學(xué)研究方法。

(2)石墨烯的制備與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。開(kāi)展石墨烯的特性、生長(zhǎng)機(jī)理和采用鱗片石墨的規(guī)模化制備方法研究，突破石墨烯層數(shù)控制和理化分離的理論與技術(shù);研究石墨烯的修飾、改性及其功能化原理與方法，研究石墨烯表面缺陷、摻雜、官能團(tuán)的表征方法和形成機(jī)理;開(kāi)展石墨烯在新型功能復(fù)合材料中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

(3)石墨改性的基礎(chǔ)研究。研究石墨在化學(xué)改性、層間化合物改性、物理改性等過(guò)程中電子鍵合和晶體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并研究其對(duì)改性產(chǎn)物的性能影響機(jī)制，突破系列高性能改性石墨材料和新型石墨功能材料制備及應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

3.2 前沿技術(shù)方面

瞄準(zhǔn)石墨提純的節(jié)能環(huán)保和未來(lái)高端應(yīng)用需求，探索石墨提純的新路徑和新方法，開(kāi)發(fā)高性能石墨/M 復(fù)合負(fù)極材料、各向同性石墨、浸硅石墨、高性能石墨復(fù)合材料，研制相關(guān)裝備，提升產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)能力。重點(diǎn)研究方向如下:

(1)高效磁電提純工藝技術(shù)。開(kāi)發(fā)石墨射頻介電分選提純技術(shù)及配套裝備;研究石墨聚磁永磁超強(qiáng)磁(3T)分選提純技術(shù)，石墨微波加熱淬火裂解技術(shù)及石墨高溫除雜技術(shù)，開(kāi)發(fā)配套裝備;研究石墨射頻介電分選提純用介電液體回收技術(shù);建立石墨射頻電選—聚磁永磁超強(qiáng)磁選—微波除雜綜合深加工工藝流程;研究石墨及其雜質(zhì)礦物射頻、微波場(chǎng)中介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、比磁化系數(shù)的測(cè)試技術(shù)。

(2)高性能石墨/M 復(fù)合負(fù)極材料開(kāi)發(fā)。研究石墨/M (包括硅、錫、金屬氧化物等)復(fù)合鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可控制備和改性技術(shù)，研制配套的材料制備及電極制作裝備;開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能型高能量密度負(fù)極材料，動(dòng)力型高功率密度負(fù)極材料，研究提高材料充放電效率和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性、降低負(fù)極材料成本的工藝技術(shù)，研究石墨復(fù)合負(fù)極材料與正極材料、復(fù)合負(fù)極材料與電解液體系的匹配集成技術(shù)，開(kāi)發(fā)相關(guān)的鋰離子電池制造技術(shù)和提高負(fù)極材料充放電效率及長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性的綜合技術(shù)。

(3)各向同性石墨制備技術(shù)及裝備開(kāi)發(fā)。研究天然石墨制備各向同性石墨的技術(shù)，突破天然石墨制備各向同性石墨的成型技術(shù)和加工技術(shù)，開(kāi)展鱗片石墨和微晶石墨制備各向同性石墨材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。

(4)浸硅石墨制備技術(shù)及裝備開(kāi)發(fā)。研究浸硅石墨的規(guī)模化制備技術(shù)，研究制備工藝對(duì)浸硅石墨抗氧化性能、抗熱震性能、摩擦性能及力學(xué)性能的影響，開(kāi)展天然石墨制備浸硅石墨的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)配套的生產(chǎn)裝備。

(5)高導(dǎo)熱/導(dǎo)電/耐高溫石墨復(fù)合材料制備技術(shù)。研究高導(dǎo)熱/導(dǎo)電/耐高溫石墨復(fù)合材料的制備工藝，突破石墨復(fù)合材料的界面改性技術(shù)和低成本制備技術(shù)，開(kāi)展石墨及其復(fù)合材料的異質(zhì)連接產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究，建立石墨復(fù)合材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高溫力學(xué)等綜合性能評(píng)價(jià)體系。

3.3 應(yīng)用技術(shù)方面

以清潔高效加工和搶占高端應(yīng)用為目標(biāo)，攻克清潔高效采選、連續(xù)提純的技術(shù)和裝備，開(kāi)發(fā)高性能膨脹石墨、高端柔性石墨密封材料、動(dòng)力型鋰離子電池用天然石墨負(fù)極材料、氟化石墨、高端金屬/石墨復(fù)合材料等產(chǎn)品，推動(dòng)其在相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用。重點(diǎn)研究方向如下:

(1)石墨礦清潔高效采選技術(shù)工藝及裝備開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)能耗低、環(huán)境友好、生產(chǎn)能力強(qiáng)的綠色保護(hù)性開(kāi)采技術(shù)和工藝，研制自動(dòng)化、大型化的石墨礦專用開(kāi)采裝備;研究選礦各環(huán)節(jié)對(duì)石墨大鱗片的損害規(guī)律，開(kāi)發(fā)高效清潔且能保護(hù)石墨大鱗片的浮選技術(shù)及工藝，研發(fā)全流程自動(dòng)化綠色選礦系統(tǒng)。

(2)石墨綜合利用及尾礦資源化利用技術(shù)。開(kāi)發(fā)適用于石墨及伴生有價(jià)元素綜合回收的新型、高效、綠色藥劑的開(kāi)發(fā)和藥劑配伍技術(shù);研究石墨尾礦制備新型建材等產(chǎn)業(yè)化資源利用技術(shù);研究石墨礦山生態(tài)治理與修復(fù)技術(shù)。

(3)節(jié)能環(huán)保型提純技術(shù)工藝。開(kāi)發(fā)改進(jìn)型堿熔法-混酸法石墨提純工藝及產(chǎn)業(yè)化集成技術(shù)，研制配套的高效清潔提純關(guān)鍵裝備;研究天然石墨微波化學(xué)提純技術(shù)，中低溫物理化學(xué)提純技術(shù)，開(kāi)發(fā)石墨提純新工藝;研究高溫提純爐的加熱、爐體材料、雜質(zhì)分離等關(guān)鍵技術(shù)，研制配套的大型連續(xù)式提純關(guān)鍵裝備。

(4)高性能膨脹石墨制備與應(yīng)用技術(shù)。開(kāi)發(fā)低硫高抗氧化可膨脹石墨的制備技術(shù)及工藝，研制新型可膨脹石墨生產(chǎn)設(shè)備;研究細(xì)粒膨脹石墨的制備技術(shù)，開(kāi)發(fā)使用細(xì)粒膨脹石墨的系列阻燃材料;研究膨脹石墨吸附材料制備技術(shù)，開(kāi)發(fā)用于油污處理、污水凈化等民生領(lǐng)域的吸附材料，研制能夠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)吸附材料的可移動(dòng)裝備。

(5)高端柔性石墨密封材料研究。開(kāi)發(fā)高強(qiáng)型、高導(dǎo)熱型、緩蝕型、超薄型、高純型、高導(dǎo)電型等系列高端柔性石墨密封材料制備技術(shù)、工藝及生產(chǎn)裝備;制定不同用途柔性石墨密封材料的質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(6)動(dòng)力型鋰離子電池用天然石墨負(fù)極材料開(kāi)發(fā)。研究石墨粉體改性技術(shù)、粉碎技術(shù)，突破小顆粒鱗片石墨球形化技術(shù)及工藝，開(kāi)發(fā)節(jié)能高效的連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備;開(kāi)發(fā)球形石墨及新型負(fù)極材料中有害磁性物質(zhì)的高強(qiáng)去除技術(shù);開(kāi)展動(dòng)力型鋰離子電池用天然石墨負(fù)極材料的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)天然石墨負(fù)極材料的制備技術(shù)和成型技術(shù)，研發(fā)提高天然石墨負(fù)極材料倍率特性、低溫性能和循環(huán)壽命的新技術(shù)及新工藝。

(7)氟化石墨關(guān)鍵技術(shù)研究。研究不同氟源的石墨插層技術(shù)，不同催化條件下前驅(qū)體合成技術(shù)，突破氟化石墨的低溫合成關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)安全高效的合成工藝方法和專用設(shè)備。

(8)高端金屬/石墨復(fù)合材料開(kāi)發(fā)。開(kāi)展金屬/石墨復(fù)合材料的制備工藝及產(chǎn)品服役性能評(píng)價(jià)研究，突破金屬/石墨的界面設(shè)計(jì)和調(diào)控技術(shù)，建立金屬/石墨復(fù)合材料產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)庫(kù)和生產(chǎn)示范線。

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