石墨烯可行性研究报告

石墨烯项目可行性研究报告青岛华高能源科技有限公司六月目录第一章总论(11.1项目提出背景(11.1.1石墨烯生产产业市场前景可观(11.1.2“十二五”时期新材料产业规模将不停扩大(11.1.3本次项目的提出(21.2项目概要(2第二章项目必要性及可行性分析(32.1项目建设的必要性分析(32.1.1资源合理运用变废为宝的需要(32.1.2带动有关产业链发展的需要(42.1.3带动本地经济快速发展的需要(42.2项目建设的可行性分析(42.2.1符合国家产业政策及发展规划(42.2.2含有一定的资源优势(52.2.3含有技术可行性(52.3分析结论(5第三章行业市场分析(63.1国内外研究状况分析(63.1.1美国石墨烯的研发规划(63.1.2欧盟及组员国石墨烯的研发规划(73.1.3日本石墨烯的研发规划(73.1.4韩国石墨烯的研发规划(73.1.5国内重要石墨烯研究机构状况(73.2石墨烯生产应用状况与发展前景分析(83.2.1半导体产业应用市场分析与预测(83.2.2锂离子电池材料应用市场分析与预测(93.2.3超级电容器应用市场分析与预测(103.2.4显示屏应用市场分析与预测(113.2.5石墨烯在生物医药学领域的应用(113.3市场小结(13第四章产品方案及技术(144.1重要产品(144.2产品介绍及生产规模拟定(144.3技术来源及优势(144.4技术办法和路线(14第五章设备选型及原料供应(155.1重要设备选型(155.2重要原材料供应(15第六章环保(166.1项目运行对环境的影响(166.2环保方法方案(16第七章公司组织机构与劳动定员(177.1组织架构(177.2劳动定员(177.3员工培训(17第八章项目实施规划(188.1项目建设进度安排(188.2项目运行进度规划(18第九章投资估算(199.1固定资产投资估算(199.1.1需购置设备投资估算(199.1.2办公设备投资估算(199.2流动资金估算(19第十章风险分析及规避(2010.1项目风险因素(2010.1.1管理风险(2010.1.2技术风险(2010.1.3市场风险(2010.2风险规避对策(2110.2.1管理风险规避对策(2110.2.2技术风险规避对策(2110.2.3市场风险规避对策(21第十一章结论及建议(2111.1结论(2111.2建议(22青岛华高能源科技有限公司第一章总论1.1项目提出背景1.1.1石墨烯生产产业市场前景可观的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线,石墨烯的发现开创了21世纪的新材料纪元,将给世界带来实质性的变化。石墨烯是一种二维晶体,由碳原子按照六边形进行排布,互相连接,形成一种碳分子,其构造非常稳定。单层石墨烯只有一种碳原子的厚度,即0.335纳米,相称于一根头发的20万分之一的厚度。它是人类已知强度最高、韧性最佳、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。石墨烯是一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料,在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示屏等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。现在,石墨烯的市场售价在1000元/克以上,因此,一旦量产必将成为下一种万亿级的产业。1.1.2“十二五”时期新材料产业规模将不停扩大《新材料产业“十二五”发展规划》中指出:新材料产业是国家重要的战略性新兴产业,也是其它战略性新兴产业发展的基础。新能源、节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源汽车等战略性新兴产业发展,离不开新材料的支撑。尽管通过数年的努力,我国新材料产业已经在产业规模、技术水平、发展机制等方面获得了巨大进步,含有了良好的发展基础,但总体自给率仍然不高,粗略统计,现在我国新材料产品综合保障能力约50%左右,部分核心材料甚至完全依靠进口。因此,《规划》将新材料产业在“十二五”期间的发展目的定为自给率达成70%。《规划》安排的每个重点子行业都有望通过5到的时间形成千亿元至万亿元的产值规模,将来的行业产值有望达成数万亿元。1.1.3本次项目的提出本次项目即是在做了一定市场预测分析及调查的基础上,结合我国新材料产业“十二五”发展政策而提出。项目将由大学专家作为首席专家、总工程师,组建高水平的科研团体,并配备一流的技术设备及研发环境。专家有近6年的石墨烯研发经验,发表有关石墨烯的高水平SCI论文15篇和一部专著,申请有关石墨烯的发明专利3项。现在,专家研发的“以高分子作为媒介”的石墨烯制备办法已在实验室成功分离出大尺寸、低缺点、高导电的石墨烯。本次项目将以该制备办法为技术核心,致力于单层石墨烯及其衍生产品的分离制备及应用开发,争取尽快实现石墨烯的产业化。1.2项目概要该项目将采用专家研发的先进而成熟的石墨烯制备办法进行单层石墨烯的产业化生产,该办法已在实验室成功制备出大尺寸、低缺点、高导电性的石墨烯,现将进入公司中试阶段,中试实验成功后,将实现数百公斤优质石墨烯的年产量。第二章项目必要性及可行性分析2.1项目建设的必要性分析2.1.1资源合理运用变废为宝的需要石墨是一种贵重的不可再生资源,是我国的优势矿物资源之一。我国的天然石墨资源储量、产量、国际贸易量均居世界首位,在国际石墨市场上有着举足轻重的地位。我国虽是石墨生产大国,但不是强国。产品的专业化、质量水平、技术含量较低,大部分是初级的原料生产基地。现在,国内石墨产业处在低迷状态,开采无序、资源浪费、恶性竞争、市场混乱、污染环境,整个行业都处在层次低、效益差、资金匮乏,与我国整体经济发展极不相称。随着科技的发展和人们物质生活的提高,非金属矿的初级加工产品已不能满足当代工业的需要。由于非金属矿深加工产品的附加值比较高,延伸非金属矿产业链,已成为当今世界非金属矿工业发展的重要方向。现在,我国石墨产品深加工正朝着提纯、超细、改性和复合方向发展,加工产品的应用领域还在不停拓宽,并呈现出方兴未艾的好势头。但从总体上看,与发达国家相比、与国内的实际需要相比尚有很大差距。基于以上分析,项目拟对石墨进行深加工,运用独特的办法从石墨中制备出高品质的石墨烯产品,探索石墨烯产业化道路,为公司的可持续发展奠定坚实的基础,从根本上增强公司的市场竞争力,使公司成为设备先进、市场适应性强的石墨烯行业生产公司。2.1.2带动有关产业链发展的需要石墨由于特殊的地质成因和性质,始终是军工与当代工业及高新技术发展中不可或缺的重要战略资源。从日常民用到人造卫星上天,都离不开石墨。国内外专家预言“20世纪是硅的世纪,21世纪将是碳的世纪”。石墨烯产品的大规模广泛应用,将颠覆人类现有的工业构造和生产力布局,逐步减少乃至裁减钢铁、铜铝等人类现有高耗能大宗商品的生产和消费,犹如爱迪生发明的电灯摧毁了整个蜡烛生产的产业链,石墨烯产品在机械汽车船舶制造、光纤通讯、电缆传输、桥梁房屋建筑、高科技领域的广泛应用,将变化21世纪人类的生产和生活。2.1.3带动本地经济快速发展的需要石墨烯因其独特的特性可被广泛应用于军工、航天、锂离子电池、显示屏、半导体及复合材料等行业,且现在售价在1000元/克以上,项目正式运行后,年产值可达成上亿元。因此,项目的实施将极大的增加地方利税,有效增进本地经济发展进程。2.2项目建设的可行性分析2.2.1符合国家产业政策及发展规划根据《国家战略性新兴产业发展“十二五”规划》,新一代信息技术、生物、节能环保、高端装备制造产业将成为支柱产业,新能源、新材料、新能源汽车产业将成为先导产业。石墨烯作为一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的新型碳质材料,含有优秀的导电性、比表面积、导热性等特性。因此,其产业化项目符合国家有关的产业政策及发展规划。2.2.2含有一定的资源优势高纯度的石墨是制备石墨烯的重要原料。中国石墨在世界上储量第一、产量第一、销量第一、品种最全。我国石墨矿产储量占世界石墨矿石总储量的70%以上,产量占全球产量的80%。中国石墨矿产储量相对集中于黑龙江、四川、山东、河南、内蒙古等地,共占全国石墨矿保有矿物储量的89%。因此,项目的实施含有一定的资源优势,山东地区丰富的石墨矿资源可为项目的实施提供充足的原材料供应。2.2.3含有技术可行性完美的石墨烯,也就是单层碳原子二维构造体,现在还没有大规模的工业化生产。在如何有效分离出单层石墨烯并减少成本的道路上,来自专家和他的团体已经迈出了核心一步。通过两年的研究,专家发明了新的石墨烯制备办法,在实验室不仅制备出了高品质的石墨烯,并且对应的减少了生产成本。项目组建后来,将由专家担任首席专家、总工程师,带领团体致力于石墨烯的产业化研究。专家有近6年的石墨烯研发经验,发表有关石墨烯的高水平SCI论文15篇和一部专著,申请有关石墨烯的发明专利3项。现主持国家自然科学基金等8项科研项目,其中涉及两个产业化项目,总经费400多万元。因此,项目的实施将含有国内一流的石墨烯研发水平,含有技术可行性。2.3分析结论综合以上因素,本项目建设可行,且十分必要。第三章行业市场分析3.1国内外研究状况分析石墨烯的发现,引发了全世界科学家的研究热潮,快速成为物理学、化学和材料科学等领域最热门的研究主题。石墨烯的研究和产业化发展持续升温,国外许多国家都公布或资助了一系列有关研究计划和项目,大力增进本国石墨烯技术及其应用研究。全球针对石墨烯的研究都在进行,截至到,全球共有8434篇有关的研究论文,共来自79个国家和地区。排名前十的国家发表的文献量占总量的92.96%。美国在作为世界科学技术研究最发达的国家,其石墨烯研究方面的文献量达2683份,占总量的31.81%;我国在石墨烯研究文献发表量为1201份,占比14.24%,位居全球第二位。显示出了我国在石墨烯领域不居人后,主动布局的决心。国际上石墨烯的研究论文重要分布在高分子物理学、材料科学以及应用物理学等领域;研究的热点重要在材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究及纳米材料研究等方向。中国发表的石墨烯论文重要分布在材料科学、物理化学、纳米技术、应用物理学以及高分子物理学等领域;研究的热点重要在纳米材料、材料应用研究等方向。3.1.1美国石墨烯的研发规划近年来,美国国防部(DoD及其下属美国国防高级研究计划署(DARPA等也开展了多项石墨烯研究项目,重点开发下一代更小、更快的电子器件,以及石墨烯在太赫兹和新型量子器件中的应用等。在产业化方面,美国也布署了某些项目:美国俄亥俄州研究商业化资助项目资助美国纳米技术仪器公司开展应用于锂离子电池的纳米石墨烯复合电极的商业化生产研究;美国构造材料工业公司11月获得NSF小型公司技术转移项目资助,开发以石墨烯为基质的高敏捷度NOx探测器。3.1.2欧盟及组员国石墨烯的研发规划欧盟也非常重视石墨烯的研究发展,FP7框架计划、欧洲研究理事会、欧洲科学基金会等都资助了石墨烯有关技术的研究。例如,《欧盟FP7框架计划》1月公布了石墨烯基纳米电子器件项目;欧洲研究理事会(ERC资助了石墨烯物理性能和应用研究项目;欧洲科学基金会(ESF6月启动了欧洲石墨烯项目(EuroGRAPHENE;欧盟5月启动了石墨烯旗舰项目(GrapheneFlagship等。3.1.3日本石墨烯的研发规划日本近年也资助了一系列石墨烯有关研发项目,如:硅基体上石墨烯材料/器件的技术开发项目的资助;碳纳米管和石墨烯的批量合成技术项目资助。3.1.4韩国石墨烯的研发规划近年来,韩国政府也主动支持本国机构开展石墨烯有关研究。-间,韩国教育科学技术部等部门累计资助了90项有关研究,经费达成1870万美元。-间,韩国知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助,其中1.24亿美元用于石墨烯有关研发,1.26亿美元用于有关商业化。3.1.5国内重要石墨烯研究机构状况现在,国内还没有能够实现石墨批量化生产的公司或研究机构,多数公司只能小量生产石墨烯,所使用的生产技术多为氧化还原法,生产出的石墨烯溶液也存在诸多技术上需要突破的问题。3.2石墨烯生产应用状况与发展前景分析石墨烯的高强度、高导电性及传热性、超大的比表面积等特性能够在航天军工、锂离子电池、超级电容器等多领域有潜在应用。石墨烯现在国内的售价在1000元/克以上。石墨烯凭借其特殊的物理构造和特质,在多个领域都将带来革命性的变革,一旦量产必将成为下一种万亿级的产业。3.2.1半导体产业应用市场分析与预测石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率(即载流子在电场作用下运动速度快慢的量度,是一种性能非常优秀的半导体材料,电子在石墨烯中的运行速度能够达成光速的1/300,将来很可能成为硅的替代者,成为半导体产业新的基础材料。全球半导体晶硅的市场发展稳定,据半导体协会统计,全球电子多晶硅的需求量在2500吨左右。石墨烯集成电路技术的成熟将会带来一次新的革命。如果全球每年有十分之一的高端计算机应用石墨烯基集成电路,那么替代多晶硅所需要的石墨烯就需要250吨,按照市价1000元/克计算,石墨烯在集成电路领域的潜在市场就达成了2500亿元以上。图3-1-全球电子类多晶硅需求量3.2.2锂离子电池材料应用市场分析与预测实验表明,将石墨烯应用于锂离子电池的负极材料中,其比容量能够达成540mAh/g以上,如果在其中参入碳纳米管后,负极的比容量能够达成730mAh/g,而现在普通的人造石墨负极的比容量只有370mAh/g,可见石墨烯作为负极材料能够大幅提高锂离子电池性能。随着世界各国对新能源汽车的大力推广,将来对于锂离子电池的需求量也将保持持续增加的态势;根据IEK的预测,-全球的负极材料的需求量将保持年均20%的增加率,全球的负极材料需求量将达成3.7万吨以上。图3-2-全球负极材料需求量石墨烯能够大幅提高锂离子电池性能,将来将在负极材料领域有广阔的市场前景。锂离子电池有提高本身性能的内在需求,这也使石墨烯在负极材料中的应用形成了增进。将来有1%的锂离子电池使用石墨烯负极材料的需求,那每年对于石墨烯的需求就在370吨以上。3.2.3超级电容器应用市场分析与预测由于超级电容器是通过导体表面来存储电荷,因此适合电子聚集的有效表面积越大其容量就越大;而石墨烯含有超大的比表面积,单层石墨烯的比表面积能都达成2630m2/g,是极为抱负的超级电容器储能材料。实验表明,使用石墨烯作为电极的超级电容器能够产生相似体积电容器6倍以上的容量,大大提高了超级电容器的性能。现在全球超级电容器的应用领域重要集中在数码相机、电动车系统、变配电站、智能水表、太阳能发电和风能发电等领域;作为技术发展的方向,将来超级电容器的市场规模将保持快速增加,特别是在某些需要高功率、高效率的领域,超级电容器已经开始替代传统电池。图3-3-全球超级电容器市场规模全球超级电容的市场规模达成50亿元,并保持着20%的增加速率。而石墨烯作为电极制成的超级电容器将在性能上有极大的提高,将来随着超级电容器的逐步推广,石墨烯也将面临巨大的市场空间。3.2.4显示屏应用市场分析与预测现在的显示屏和触摸屏等器件中的导体材料,重要是使用的氧化铟锡ITO材料。但由于ITO材料韧性相对较差,在折叠或是拉伸时可能会影响显像的效果。石墨烯由于其特殊的分子构造而有非常高的导电性,并且石墨烯几乎完全透明;这两种性质使得石墨烯本身就是一种性能非常好的透明半导体材料,合用于制作显示屏件。石墨烯的另一种特性是含有高韧性,能够拉伸20%而不停裂。使用石墨烯作为导体材料,能够制成能够折叠、伸缩的显示屏件。现在触摸屏和液晶显示屏主流的透明导体材料是ITO材料,但相比ITO材料,石墨烯拥有更高的强度和更加好的韧性,作为透明导体材料,能够制成能够弯波折叠的显示屏件。图3-4将来石墨烯制成的可折叠显示屏3.2.5石墨烯在生物医药学领域的应用近年来,石墨烯衍生物在生物医学,涉及生物元件、微生物检测、疾病诊疗和药品输运系统等的应用前景,使其成为纳米生物医学领域研究的热点。基于氧化石墨烯的纳米载药体系石墨烯含有单原子层厚度,其两个基面都能够吸附药品,因此含有其它纳米材料无可比拟的超高载药率。研究发现,将抗癌药品SN38吸附在氧化石墨烯(NGO表面,可形成石墨烯-药品复合物(NGO-SN38,这种复合物含有良好的水溶性,表明其作为药品载体能够用于难溶性药品的增容,且复合物中SN38仍高度保持活性。体外实验发现,NGO—SN38能够有效地杀伤结肠肿瘤细胞HCT一116,其杀伤效果是CPT-11(依立替康,FDA通过用于治疗结肠癌的SN38药品前体的近1000倍。另外,基于石墨烯的药品载体还含有靶向输送和药品的可控释放等特性,因此,有望在临床上实现实际应用。石墨烯用于生物检测近来,研究人员报道了功效化的石墨烯在生物检测方面的某些进展,例如以石墨烯为基底的生物装置或生物传感器能够用于细菌分析、DNA和蛋白质检测。值得一提的是,与碳纳米管相比,石墨烯制备成本很低,且易于大规模生产,有望在生物检测方面实现实际应用。石墨烯在肿瘤治疗方面的应用科学家们研究了使用PEG包被荧光标签的纳米石墨烯片(nanographenesheets,NGS在体内的作用。在活体内异种皮肤肿瘤移植荧光成像中NGS体现出了高肿瘤细胞摄取率。PEG功效化的NGS呈现了在生物溶剂中的高溶解性和稳定性,同时被应用到体外药品承载和成像。在这些基础上,他们第一次研究了PEG化NGS在小鼠体内荧光成像,同时在几个不同的异种皮肤移植肿瘤模型中观察到令人惊喜的肿瘤堆积变化,例如增强癌性肿瘤的通透性和记忆性效应(EPR。相比于碳纳米管,PEG化的NGS呈现了某些有趣的体内表征现象,涉及高效率肿瘤被动靶向识别以及在材料网状内皮组织中相对较低残留。之后运用体内光热疗法中NGS在NIR光区的高光吸取,在静脉注射NGS并在肿瘤移植部位用低强度NIR激光照射后得到了极为高效的肿瘤消除。另外,在毒性研究中,PEG化NGS注射小鼠后组织学、血液化学和全血分析成果表明没有产生明显的副作用。尽管对这种新型碳纳米材料在体内体现还需要更多的认知以及长久的毒性研究,但是使用碳纳米材料有效地用于通过静脉解决的体内光热疗法,提供了石墨烯在诸如肿瘤治疗的生物医学领域应用的更大潜力。3.3市场小结通过以上分析,能够得知现在国内外石墨烯产业背景较好,我国发展石墨烯生产产业政策及市场需求前景可观,市场潜力较大。投资该产业面对较强的市场可行性、经济收益可行性,因此该项目的实施不仅能够增进我国新兴石墨烯生产产业的快速发展,还可有效满足现在市场需求,增进我国有关产业链快速发展,含有良好的社会效益和经济效益,同时对于增进经济社会可持续发展有着久远的意义。第四章产品方案及技术4.1重要产品本次项目重要是采用热还原法生产单片石墨烯及其有关衍生产品,并在此基础上,探索单片石墨烯及其有关衍生产品在石墨烯导电材料及导电复合材料、储能材料、润滑材料导电油墨等领域中的应用。4.2产品介绍及生产规模拟定项目生产的石墨烯产品将含有尺寸大、层数少、缺点低、导电性强等优点。公司中试实验室建立后来,将进一步优化石墨烯生产办法,逐步探索出最佳的、效率最高的单片石墨烯生产配方。进一步优化中试装置生产工艺参数,努力将其生产能力提高50倍以上,争取年生产能力达成200kg以上。4.3技术来源及优势本次项目的核心技术来源于青岛大学,现在,双方已正式签定《石墨烯产业化技术开发合同》。项目依靠青岛大学强大的研发实力,组织专业的研发团体,致力于石墨烯的产业化研究。项目将由专家担任首席专家,其含有国内一流的石墨烯研发水平,其带队研发的石墨烯制备办法已在实验室获得成功,现已进入实验室中试阶段,中试设备已经到位,正在进行安装和试运行,重要是调试配方和工艺。4.4技术办法和路线石墨烯制备的简化流程以下图所示。首先用氧化法将石墨微粉氧化制备氧化石墨,然后将氧化石墨剥离制备单片氧化石墨烯,最后将单片氧化石墨烯直接热还原为单片石墨烯。第五章设备选型及原料供应5.1重要设备选型项目实施的重要原材料为高纯度的石墨微粉,由于山东是国内石墨矿的集中地之一,有着丰富的石墨资源,因此,项目的原材料可在本地市场采购,且货源量充足,完全能够满足项目产业化需求。第六章环保6.1项目运行对环境的影响该项目研发制备过程不产生有害气体和粉尘,且所采用的设备先进、噪音低,符合国家环保规定,属于节能环保项目。严格按照国家及地方有关环保方面的原则和规定,凡本项目中所涉及的可能产生污染物的工艺过程及设备,均采用对应的方法进行治理,使其达标。项目运行期间的重要污染来源为实验中的废液。6.2环保方法方案针对项目中所产生的污染物-废液,项目组专门制订废液回收制度,将实验所产生的废液定时回收、集中解决,以避免对周边环境的污染。第七章公司组织机构与劳动定员7.1组织架构7.2劳动定员项目建成早期劳动定员为21人,其中:董事2人、总经理1人、总工程师1人、专业科研人员4人、科研助理4人、技术工人4人、市场人员2人(视市场销售状况而定、工程人员1人、财务及行政人员2人。7.3员工培训公司将建立固定的员工培训机制,通过邀请外部专家和本身培训师相结合的方式开展员工培训,为员工发明良好的知识学习环境。公司拟将每个周六作为员工培训时间,从三方面加强员工培训工作,涉及基本知识培训、技能技巧培训和公司文化培训。第八章项目实施规划8.1项目建设进度安排项目拟从7月份开始启动,至12月份完毕项现在期实验室建立以及初步实验操作进程。具体进度安排以下表所示:项目拟用三年时间逐步实现石墨烯的产业化生产,并不停探索研发新的更加合用于市场需求的石墨烯产品,并在此基础上,研发石墨烯及其有关衍生产品在锂离子电池、导热、导电复合材料、显示屏等行业领域的应用。公司十二五期间的目的计划以下所示:1、:建立并完善中试实验室,将生产规模提高50倍以上,年生产单片石墨烯能力达成200kg以上。2、:进一步改善和完善中试装置,优化工艺参数,减少单片石墨烯成本,提高单片石墨烯产品性能,初步建成单片石墨烯的吨级生产线,并实现装置正常生产运行。3、:及时跟踪国际前沿,根据市场的需求,进一步的开发适销对路的石墨烯及其衍生产品。研发单层石墨烯的制备办法并探索单层石墨烯的产业化生产。与国内外各大科研院所实验室、大型应用公司建立紧密合作关系,建成30吨级的石墨烯生产线。第九章投资估算9.1固定资产投资估算项目建设的固定资产投资重要分为需购置设备投资以及办公设备投资。前期预计投资总额约为497万元。9.1.1需购置设备投资估算9.1.2办公设备投资估算9.2流动资金估算流动资金:需要约150万。涉及:工资、水电费、运费、原材料费、质量认证检测费、市场拓展营销、不可预见费。第十章风险分析及规避10.1项目风险因素本项目实施运行后,重要涉及下列潜在风险:管理风险、技术风险、市场风险。10.1.1管理风险项目的实施有一定的周期,涉及的环节也较多,在这