储能材料

中国天然石墨未来需求与发展展望

2017-05-09 09:48:34 资源科学

引言

石墨由于特殊的性质,是传统工业和战略性新兴产业所必须的矿物原料,广泛应用于科技工程领域。欧美等国家将天然石墨列为战略资源,严格限制其开采及技术出口。

而我国石墨产业面临着开采秩序混乱,资源浪费严重;采选工艺落后,产能过剩,污染严重;原矿出口贸易失衡等问题。石墨产业发展得到了众多专家的高度重视,联名上书呼吁把石墨产业发展纳入国家战略地位。

未来天然石墨将越来越被广泛地应用到高新技术领域,成为支撑高新技术发展的重要战略资源。因此,石墨资源能否持续充足稳定供应关乎国家可持续发展。

石墨是我国的优势矿产资源,产量、出口量在世界市场上占主导地位。出口是以天然石墨精矿及初级产品为主,而进口则以高、精、尖工艺需要的石墨产品为主。

在石墨的应用方面,早期有学者预测了石墨在耐火材料、坩埚、铸造、炼钢等传统行业的需求发展态势,同时也指明了未来发展膨胀石墨、制动衬片、碳纤维等产品。

随着近些年来对石墨结构性能的深入研究,石墨将跨越传统行业的应用,成为新兴环保材料、新兴热交换材料、储能、导电材料、石墨烯及新型超级电容器材料等。

石墨的历史消费量保持相对稳定,但未来高技术产业和新能源领域将是石墨消费的主要增长领域。

未来石墨战略意义也将凸显。基于以上研究,本文将从石墨消费的主要部门,核算产业未来发展对石墨的需求量,以期展望中国未来石墨的需求态势,并根据未来石墨在传统和新领域的发展形势,刻画未来中国石墨产业链的发展方向,为中国石墨产业可持续发展提供决策支持。

02˙中国石墨供需现状

2.1石墨应用领域

天然石墨是碳质元素结晶矿物,有晶质和隐晶质两种形态。其中,晶质石墨的可浮性、润滑性、可塑性均优于其他类型石墨。在19世纪以前,由于其耐高低温和导电性,石墨主要用于耐火材料、颜料等的原料。随着对石墨抗腐蚀、抗辐射、自润滑等性质认识的深入,其应用领域也愈加广泛。

出现了高纯石墨、核工业用石墨、石墨纤维、浸硅石墨等。特别是近些年来石墨烯的发现,引起了电子通讯、锂离子电池、航天军工、生物医药、环保、太阳能、光电等新兴领域的广泛关注。这些新材料的发展,构成天然石墨产业现代化的重要内容。

2.2中国晶质石墨生产、出口及消费情况

中国是世界上石墨的生产、消费和出口大国。截止2013年底,中国石墨储量5500万t,是仅次于巴西的第二大国,占世界储量的42.31%。2012年底,中国晶质石墨矿物储量2000万t,查明资源储量约2亿t;隐晶质石墨矿石储量约500万t,资源储量约3500万t。

中国是世界最大的石墨生产国,石墨产量由2000年的165万t,上升到2006年的192万t,而后逐渐降低。但不同种类的石墨生产呈现不同的态势:晶质石墨产量逐年递增,而隐晶质石墨产量呈减少态势。2012年中国石墨产量为87万t,其中:晶质石墨47万t,微晶石墨40万t。

中国是石墨资源大国,但是长期以来却以生产原矿和低端产品为主。中国是世界石墨的主要出口国,占2000年以来世界出口规模63%以上。近年来受国际政治及经济环境影响,以及我国石墨产业的整合,石墨出口放缓,2012年中国石墨出口约26万t。在深加工方面,向石墨高端应用产品发展。虽然我国在石墨资源整合和深加工方面已经实施了一些措施,但与发达国家的差距还很明显。

十多年来中国天然石墨消费量呈增长的态势,由2002年的43万t增长到2012年的67万t(图2),年均增长4%。消费结构由传统耐火材料、铸造、铅笔等领域转向新能源新材料领域。

中国与世界天然石墨消费结构基本相同,主要为耐火材料、冶金铸造、导电、润滑等领域(图3)。但在功能材料生产与应用方面与先进国家有一定的差距。

03˙未来石墨资源需求形势

本研究从部门未来发展趋势、石墨在各行业产品的单位需求量来预测2020年中国的石墨需求量。依据中国石墨消费格局,将石墨消费的主要领域分为:耐火材料、钢铁、密封、制动、电池等领域分别进行部门预测。并依据现阶段石墨烯发展现状,判断了石墨烯发展对未来石墨需求的影响。

3.1天然石墨在传统领域的需求

天然石墨的一个主要用途是生产耐火材料,使得石墨需求与耐火材料和钢铁业紧密相连。虽然近年来石墨行业在其他新应用领域已经有长足的发展,钢铁、耐火材料行业石墨占总消费量的比重由20世纪80年代末期的67%~68%,减少为2012年的42%,但它仍然是石墨消费量最大的工业部门。而在铅笔行业石墨的需求仍将保持现在的状态。

3.1.1耐火材料(镁碳砖)石墨的需求

耐火材料石墨的需求量与镁碳砖产量及其石墨加入量相关。石墨是生产镁碳砖所用的一种主要碳原料,其种类和纯度对镁碳砖的性能影响十分敏感。一般选择固定碳含量93%~95%,粒度0~100目晶质石墨。

石墨的需求量随钢炉种类、使用部位和操作条件不同而异(表1)。欧洲多采用碳含量10%左右的镁碳砖,而我国、日本一般都使用含碳量为12%~20%的镁碳砖。

近年来,低碳镁碳砖成为人们研究和应用的热点。李培等建议冶炼低碳钢应选择碳含量在6%~8%的镁碳砖。低镁碳砖正在我国主要大型钢铁企业推广应用,并将并逐步替代高碳镁碳砖。

依此估算到2020年中国镁碳砖的石墨加入量将减少为7%。依据近5年来镁碳砖产量的年均增长率2.5%,预计2020年中国镁碳砖的产量将达到214万t。耐火材料产业对石墨的需求量降低到15万t,略低于现阶段的需求量。

耐火材料的主要碳源为晶质石墨,但一些镁碳砖厂还附带加入一些电极粉、土状石墨等。电极粉粉碎后,少量加入时可以得到致密度较高的耐火材料制品。土状石墨晶粒小,晶形不明显,杂质高,只能用来制造低档镁碳砖。

3.1.2钢铁铸造增碳剂、电极的需求

(1)铸件对增碳剂的需求。铸铁是工程领域中的基础合金之一。我国是铸铁生产大国,但不是铸铁生产强国。2010年我国铸件总产量达到3690万t,铸铁件材料约占世界的40%,人均铸铁产量约为30kg,显著的小于德国(53kg)、美国(45kg),这也说明我国的铸造生产尚有很大发展空间,特别是新风电、轨道交通对球墨铸铁铸件、以及汽车行业对蠕墨、灰铸铁需求。有学者分析到2020年中国将从铸铁大国真正变成铸铁强国。

对1989-2010年中国铸铁件产量进行拟合回顾,预测到2020年中国铸件产量将达到7000万t(Y=728.5e0.07x,R2=0.912),届时人均产量将达到53kg。对于不同的铸铁,其增碳剂的加入量也各不相同(表2)。吨铸件增碳剂加入量为2%,则铸件增碳剂需求量将为140万t。

(2)炼钢对电极、增碳剂的需求。钢铁的规模、结构及电炉电极单耗、增碳剂使用量等均决定了对石墨的需求。中国是世界钢铁生产第一大国,2013年粗钢产量达到8.22亿t,电炉钢产量为7200万t,电炉钢所占比例为8.76%。依据《钢铁工业“十二五”发展规划》预测我国粗钢需求量最高峰(7.7~8.2亿t)可能出现在2015-2020年期间,此后峰值弧顶区仍将持续一个时期。

基于以上研究成果,并同时考虑到出口等因素,本文设定峰值年2016年和2020年中国的粗钢产量分别为8.4亿t和8.2亿t。

一些学者预测2020年中国电炉钢比例可望达到25%,但2010年后中国电炉钢发展缓慢,基于现阶段中国电炉钢占比重和人均钢铁消费量将达到峰值后废钢产量的增加,本文预计到2020年中国电炉钢所占比重将达到15%,吨电炉钢的电极消耗量由5.82kg/t降低为4.98kg/t,吨钢的增碳剂添加量为0.1%~0.4%时(增碳剂需求量取均值计算),预计到2020年炼钢电极和增碳剂的需求量分别为61万t和205万t。

(3)钢铁铸造对石墨的需求预测。天然石墨制成的电极难以用于使用条件较苛刻的电炉炼钢,电炉用石墨电极主要是人造石墨。石墨和其他杂质材料用于炼钢工业时可作为增碳剂,而用作增碳剂的替代材料很多。

20世纪90年代初期,我国开始试用微晶石墨作增碳剂。此后,国内开发出了生产优质石墨化石油焦增碳剂的技术。虽然石墨化石油焦的产量已完全满足了国内冶炼用优质石墨化石油焦的需要,但微晶石墨由于成本优势仍是增碳剂的来源之一。

以2010年天然石墨占增碳剂消费总量的比重,预测了2020年天然石墨作为钢铁增碳剂的需求量为55.2万t。

3.2新能源新材料领域的石墨需求预测

3.2.1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t,预计到2015年中国密封材料总产量达到10万t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t左右(表3),其中汽车行业是主要的消费领域。

3.2.2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t,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t。

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t,制动车片石墨需求量0.4%~1.3%,预计消费石墨0.5~1.62万t。

3.2.3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t和3.1万t。

3.2.4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t。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t(表3)。

3.3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。

3.3.1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2g/L。

2012年中国工业废水排放量为221.6亿t。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。

3.3.2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30~300t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。

04˙未来中国石墨需求格局及产业发展方向

4.1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t,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(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t,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t,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。

4.2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。

05˙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t,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。

作者:高天明、陈其慎、于汶加、沈镭

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