Методи виробництва графену сприяють ціновим розбіжностям у різних сегментах ринку

Вражаючий потенціал графену — чудового матеріалу, здатного революціонізувати транспорт, охорону здоров’я, електроніку та багато інших галузей — залишається значною мірою обмеженим економікою виробництва. Хоча ціни значно знизилися з перших днів графену (коли лабораторні зразки коштували десятки тисяч доларів за шматок розміром з поштову марку), матеріал продовжує коштувати преміум-ціною. За оцінками галузі, вартість графену коливається між US$100 та US$10 000 за кілограм, що відображає широкий діапазон, визначений методом виробництва, фізичною формою, рівнем чистоти та обсягом виробництва.

Чому метод виробництва визначає ціну графену

Зв’язок між процесом виробництва та кінцевою вартістю не можна недооцінювати. Різні технології виробництва дають суттєво різні цінові показники та стандарти якості, створюючи окремі сегменти ринку з різними застосуваннями та профілями прибутковості.

Хімічне осадження з парової хімії (CVD) представляє високий ціновий сегмент, що виробляє надзвичайно чистий, високопродуктивний графен, придатний для передової електроніки та систем зберігання енергії. Однак процеси CVD вимагають складного обладнання, значних енергетичних ресурсів і спеціалізованого оброблення для запобігання пошкодженню підкладки під час розділення шарів. Цей метод зазвичай дає графен за ціною від US$10 000 за кілограм і вище, позиціонуючи його як “топ-товар” для вимогливих застосувань.

Експлуатація рідкої фази займає середній сегмент, пропонуючи баланс між якістю та вартістю виробництва. Як і CVD, цей метод вимагає сучасної інфраструктури та енергоспоживання, хоча зазвичай на нижчому рівні. Ціни зазвичай коливаються в межах US$1 000 — US$5 000 за кілограм для комерційних застосувань.

Хімічне відновлення графенової оксиду emerges як найекономічніший шлях, виробляючи матеріал за ціною від US$100 до US$500 за кілограм. Вигода: нижчі витрати виробництва супроводжуються зниженням якості матеріалу. Хоча графеновий оксид добре підходить для композитних застосувань, біотехнологій і водоочищення, він не може відповідати характеристикам, необхідним для батарей, гнучких дисплеїв і складних оптоелектронних пристроїв.

Відкриття хвилі ексфоляції

Традиційні методи ексфоляції — включаючи техніку Scotch tape, яка вперше продемонструвала ізоляцію графену — дають мізерні кількості, непридатні для комерційного використання. Нові альтернативи змінюють цю ситуацію.

Запатентована технологія 2017 року використовує ацетилен, кисень і механізми іскрових свічок для отримання значних кількостей графену. Недолік: вихід складається з необроблених шматків, а не рівномірних листів, що вимагає додаткових інвестицій у обробку для досягнення комерційної якості.

Прорив 2021 року від Інституту технологій Патна (Індія) — методика плазмового пістолета, яка, за повідомленнями, виробляє одношаровий графен з 85-відсотковою стабільністю за приблизною ціною US$1.12 за грам — приваблива пропозиція. Цей підхід усуває небезпечні хімікати та дорогі розчинники, зберігаючи потенціал масштабованості.

Процес трансформації графітів CleanGraph, оголошений у середині 2022 року, стверджує про 99-відсоткове зниження впливу на навколишнє середовище порівняно з традиційним виробництвом. Цей метод підходить для різних застосувань — від будівельних матеріалів і теплових систем до технологій батарей і сорбційних застосувань.

Наприкінці 2023 року NanoXplore представила масштабний сухий процес ексфоляції з меншими капітальними витратами, ніж рідинні альтернативи. Технологія орієнтована на батареї, легкі композити, пластикові формуляції, геосинтетики та ізоляційні матеріали.

Сегментація якості та комерційна життєздатність

Преміум-графен (CVD-виробництва, понад US$10 000/кг): використовується у передовій електроніці, гнучких екранах, системах зберігання енергії та квантових обчисленнях. Обмежений комерційний обсяг через специфічні вимоги кінцевих користувачів.

Комерційний графен (US$100 — US$1 000/кг): підходить для зберігання енергії, сенсорних технологій і композитів. Виробництво у більших масштабах дозволяє цю ціну, хоча розвиток ринку ще на початковій стадії.

Графеновий оксид (US$100 — US$500/кг): найдоступніший варіант, застосовується для очищення води, передових композитів і біомедичних застосувань, незважаючи на обмеження у продуктивності для передової електроніки.

Розширення застосувань і ринкові перспективи

Портфель застосувань графену продовжує зростати. Гнучкі та складні дисплеї, батареї нового покоління, енергоефективні автомобілі, легкі компоненти авіаційної промисловості та захисні покриття — це короткострокові можливості комерціалізації. Біотехнологічні застосування особливо перспективні — карбонова природа графену створює виняткову біосумісність для біосигналів, діагностики та медичних пристроїв.

Розробка Інституту технологій Джорджії першого функціонального графенового напівпровідника може порушити домінування кремнію на ринку електроніки, дозволяючи створювати менші, швидші пристрої з потенціалом квантових обчислень.

Прогнози зростання ринку та драйвери галузі

Аналитики прогнозують драматичне розширення ринку. Очікується, що сектор графену зростатиме на складному середньорічному темпі 35,1 відсотка до 2030 року, досягнувши доходів у $1,61 мільярда. Основними драйверами попиту є автомобільна, авіаційна та медична галузі, додатковий імпульс надає використання графену як каталізатора у хімічній промисловості.

Злиття інновацій у виробництві, диверсифікація застосувань і зниження виробничих витрат свідчать про те, що перешкоди для широкомасштабної комерціалізації, можливо, нарешті зникнуть. Зі зрілістю технологій виробництва та появою економіки масштабу перехід графену з лабораторної цікавості у промисловий товар прискорюється — відкриваючи трансформативний потенціал для кількох секторів одночасно.