石墨烯電池產業中外國家扶持政策對比分析

2017-09-10 07:22:44楊倩劉婧怡殷筱蕊

環球市場 2017年13期

楊倩劉婧怡殷筱蕊

摘要：新能源電池已經出現了鋰電池，鎳氫電池等。石墨烯是目前發現的硬度最高、韌性最強的納米材料。國家對這一新出來的材料抱有較大的期待，中國科技園、科學院？、國家自然基金等都為研究石墨烯投入了大量資金，一些發達國家對此新能源也非常感興趣，發布了一系列的戰略。經過問卷調查發現，雖然好多人對石墨烯不夠了解，但在了解后對石墨烯電池的出現抱有很大的期望。若真能發展出石墨烯電池，那么將會出現一次新的工業革命。

關鍵詞：石墨烯；扶持政策；中外

一、新能源電池的分類及應用情況

電池從廣義上講主要可分為化學電池、物理電池和生物電池三大類，其中化學電池和物理電池已經應用于量產電動汽車中，而生物電池則被視為未來電動車電池的重要發展方向之一。

（一）化學電池

化學電池是目前電動汽車領域應用最為廣泛的電池種類，如鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池、燃料電池等都屬于這一范疇。

鎳氫電池更注重充放電控制。鎳氫電池是目前除鋰電池外另一主流電動車動力電池種類。由于其電池單體電壓僅是鋰電池的1/3，因此在需求電壓一定的情況下，其電池組的體積要比鋰電池大上一些。與鋰電池一樣，鎳氫電池也需要電池管理系統，不過其更注重電池的充放電管理。

鋰電池是目前電動車上最常用的電池種類之一，雖然其從1970年誕生至今時間并不算長，但憑借能量密度高、循環使用壽命長等特點迅速占據了電動汽車電池市場的絕大部分江山。

相比于早期的錳酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池在能量密度上并未有太大差別。但其熱穩定性是目前車用鋰電池中最好的。換而言之，磷酸鐵鋰電池的安全性在鋰電池中首屈一指，也正因如此，其也成為目前電動車電池的主要門類之一。

三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池在重量能量密度上要高出許多，這也就意味著同樣重量的三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池的續航里程更長。不過其對電池管理系統提出極高的要求，需要為每節電池分別加裝保險裝置，除此之外，由于單體體積很小，所以單車要的電池單體數量非常龐大，這無疑又為電池管理系統進一步加大了控制難度。

燃料電池是未來汽車最理想能源。燃料電池其實不是“電池”，準確地說是一個大的發電系統。理論上講，燃料電池能采用的燃料種類很多，甚至是傳統內燃機所用燃料均可，不過真正能起電化學反應的，僅僅是其中的氫和氧化劑中的氧，因此，氫燃料電池是目前燃料電池的研究核心。

（二）物理電池

物理電池顧名思義，就是依靠物理變化來提供、儲存電能的電池統稱，如超級電容、飛輪電池等都屬于物理電池的家族成員。

功率密度高但電池容量小，是一種介于傳統電容與電池之間的電源元件，其主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能，期間不發生化學反應，因此被歸為物理電池的范疇。與之前所介紹的化學電池相比，超級電容有三大明顯優勢，首先，其反復充放電達數十萬次（傳統化學電池只有幾百至幾千次），壽命要比化學電池高出很多；其次，超級電容在充放電時的功率密度極高，瞬間可放出大量電能，可滿足車輛更加寬泛的電力需求；第三，工作環境適應能力更佳，通常室外溫度在-40℃-65℃時，其都能穩定正常工作（傳統電池一般為-20℃～60℃）。有人預測，傳統電動汽車的電池已經過時，未來以超級電容器為動力系統的新型汽車將取而代之。

其中，石墨烯電池是這次研究的重點。石墨烯電池利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出的一種新能源電池。電池技術是電動汽車大力推廣和發展的最大門檻，而目前的電池產業正處于鉛酸電池和傳統鋰電池發展均遇瓶頸的階段，石墨烯儲能設備的研制成功后，若能批量生產，則將為電池產業乃至電動車產業帶來新的變革。

（三）生物電池

生物電池是指將生物質能直接轉化為電能的裝置，生物電池可將底物直接轉換成電能，保重了高的能量轉換效率，且不需進行廢氣處理，具有生物相容性。它們的主要差別是反映的場所不同。分別是“于生物體內”，“于生物體外”以及“于生物體細胞外”。

二、石墨烯電池產業相關國家扶持政策

（一）國內國家扶持政策

近幾年，石墨烯產業受到全球的關注，中國對石墨烯產業也抱有很大的期望。雖然目前大部分石墨烯產業尚處于實驗室階段，從具體到生產線和規模化還需要一定的時間。國家為了推動這一新材料的實際應用，政府更傾向于成立產業基金。中央政府出資額應會達到總出資額的1/5。

2007年到2012年，中國國家自然科學基金委員會對石墨烯科研項目的自主達到3.3億元；科技部與中國科學院累計資助金額分別達到5915萬元和4605萬元。各地方政府也開始建設石墨烯產業園區，如江蘇常州在2011年投入5000萬成立江南石墨烯科技產業園，寧波市2013年投入9000萬支持石墨烯技術創新、產品研發，無錫市也投入2億元支持石墨烯的發展。2013年山東省石墨烯產業技術創新聯盟相繼成立，青島、濟寧等地的石墨烯產業園、創新基地及產業聯盟漸漸成立，也相繼出臺了相關的發展規劃綱要，大大推動了石墨烯產業鏈的發展。

自2009年起，中國科學院、科技部、國家自然科學基金等相繼啟動了多個石墨烯研究項目，如：863計劃納米材料與器件主題“石墨烯的控制制備及其在光電領域的應用”課題等。2007年至2013年間，中國國家自然科學基金共資助石墨烯項目1096項。

2012年，工信部在《新材料產業“十二五”發展規劃》，提到了石墨烯材料，2015年，工信部和財政部發布《關鍵材料升級換代工程實施方案》提出石墨烯等重點新材料實現批量生產和規模應用。

2014年10月珠海市人民政府與中國碳谷有限公司簽署戰略合作框架協議，計劃在未來5到10年內大規模引入以石墨烯為代表的碳素材料科研專家和有關的龍頭企業，并建立高新區碳谷產業區和低碳智慧文化小鎮等。

2015年我國政府提出石墨烯將會在2016年實現批量生產和規模應用。中國國家發改委、財政部和工信部發布的《關鍵材料升級換代工程實施方案》提出，到了2016年，推動新一代的節能環保、信息技術、海洋工程和先進軌道交通裝備等產業發展急切需要的石墨烯等20多種重點新材料，實現批量穩定生產和規模應用。國家發改委、工信部在商量討論出臺新材料重大研究計劃時，也曾多次組織對石墨烯產業的調研。

預計到了2020年，石墨烯在未來發展可能趨向于柔性發展，如太陽能、高性能芯片等方面。（見表1）

（二）國外的扶持政策

2007 年，日本科學技術振興機構資助了石墨烯材料和器件的技術開發項目，主要開發“石墨烯/硅材料”工藝技術，并在此基礎上開發先進的輔助開關器件和等離子共振赫茲器件。

2008 年，美國投資2200 萬美元，用于研發超高速和低耗能的石墨烯晶體管，在研發與產業化方面至少有10 多家公司取得了新的拓展。

2011 年，美國能源部發布2011 版《關鍵材料戰略》，將石墨材料、石墨烯作為重要部分進行闡述。日本經濟產業省實施超輕、高輕度創新融合材料項目，投入了9 億日元用于研究碳納米管和石墨烯的批量合成技術，研究期間為2011-2016 年。

2012 年，英國又追加2150 萬英鎊資助石墨烯的商業化探索研究，用于支持尖端研究項目以發現石墨烯的日常用途。

2013 年，歐盟委員會推出“未來新興旗艦技術項目”，計劃資助10 億歐元用于石墨烯研發，將組織17 個國家學術界和產業界的126 個研究組開展合作研究，并計劃在項目啟動后通過公開征集的方式進一步擴大產學研聯盟，再吸引20～30個研究組，以加強在工程領域的研究能力。由英國公司牽頭啟動了歐盟多方合作項目PolyGraph 項目，開發提供工業規模量的石墨烯增強熱固性聚合物（TSP）技術。韓國產業通商資源部宣布，在未來6 年內投入4230 萬美元，用于支持企業實現石墨烯的應用產品和相關技術商業化。

2014 年，英國在曼徹斯特大學建立國家石墨烯研究院的基礎上，為加速石墨烯的應用研究和開發，在曼徹斯特大學投資6000 萬英鎊，成立石墨烯工程創新中心，作為國家石墨烯研究院的補充。（見表2）

三、小結與對策

石墨烯雖然目前大多產品還尚在研究中，但由于其不一般的特性，一旦開始進行批量生產，將會產生一次新的工業革命。對于石墨烯材料的發展，目前沒有一個企業可以與科研單位對接，只能自產自銷，若是政府可以對相關企業進行財政支持，促使企業對石墨烯產品批量生產，打開市場，或許未來石墨烯產品可以受到大家的關注，進而開發出石墨烯電池，在新能源電池中占得一席之地。