中國儲能網(wǎng)訊：2004 年，石墨烯首次發(fā)現(xiàn)，被稱為“材料之王”，2010 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，2025 年將達到千億市場規(guī)模，21世紀(jì)，人類將從硅時代全面邁向石墨烯時代。
一、市場廣闊大有可為
1. 材料之王
2004 年，曼徹斯特大學(xué)的 AndreGeim 安德烈·蓋姆和 Konstantin Novoselov 康斯坦丁·諾沃肖洛夫用微機械剝離法成功分離出穩(wěn)定的單層石墨烯，顛覆了凝聚態(tài)物理學(xué)界既往的二維材料不能在有限溫度下存在的觀點，被授予 2010 年諾貝爾物理獎。
石墨烯 Graphene 是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的單層二維碳納米材料，這種穩(wěn)定二維蜂巢狀晶格結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和微觀量子性質(zhì)等極為優(yōu)異的性能，被稱為“材料之王”。
石墨烯是碳的各種形態(tài)中的基本結(jié)構(gòu)，可以從石墨烯成功制備出如富勒烯、碳納米管，彈道晶體管等其他碳素新材料，石墨烯也因此被稱為“碳材料之母”。
單層石墨烯屬于二維晶體，由于二維晶體具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性，所以其附帶褶皺（褶皺是二維石墨烯存在的必要條件）。
一般認(rèn)為石墨烯是一種拓?fù)浣^緣體，內(nèi)部絕緣、表面導(dǎo)電，是一種不同于導(dǎo)體和絕緣體的新的凝聚態(tài)。
2. 市場廣闊
石墨烯作為基礎(chǔ)材料，下游應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊，目前已知的應(yīng)用領(lǐng)域包括半導(dǎo)體電子器件、能源、汽車、環(huán)保、醫(yī)療等等。
3. 石墨烯時代
基于以上分析，我們認(rèn)為，21世紀(jì)，人類將從硅時代全面邁向石墨烯時代。
4. 產(chǎn)業(yè)政策
全球支持政策
中國支持政策
5. 千億市場規(guī)模
石墨烯作為工業(yè)添加劑，材料本身市場規(guī)模并不大，各機構(gòu)預(yù)測到 2020 年石墨烯材料本身市場規(guī)模在 1.5-3 億美元之間，并在 2015-2020 年期間保持 40% 以上增速。
但石墨烯作為基礎(chǔ)材料，下游應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊，美國 BCC Research 預(yù)測，2018 年全球石墨烯整體市場規(guī)?？赡芨哌_ 1.95 億美元，2023年石墨烯應(yīng)用規(guī)模將達到 13.43 億美元，復(fù)合增長率 47%。
《中國制造 2025》明確了石墨烯發(fā)展目標(biāo)，2020 年“規(guī)模制備及電化學(xué)儲能、印刷電子、航空航天用輕質(zhì)高強復(fù)合材料、海洋工程防腐等應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)水平達國際領(lǐng)先，大幅提升相關(guān)產(chǎn)品性能，形成百億元產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025 年突破石墨烯在電子信息領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億。
二、技術(shù)有待成熟
6. 技術(shù)成熟曲線
7. 石墨烯分類
石墨烯按層數(shù)分類，其可分為：單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯。石墨烯層數(shù)超過 10 層后，性質(zhì)接近薄層體石墨。
石墨烯按產(chǎn)品形態(tài)可分為石墨烯薄膜、粉體/微片。
8. 石墨烯特性
單層石墨烯厚度只有0.335 納米，是頭發(fā)直徑的二十萬分之一。
楊氏模量、泊松比和抗拉伸強度分別反映了材料的抗形變、彈性和抗斷裂的能力。楊氏模量達到 1 TPa，與單壁碳納米管相當(dāng)；強度約為 180 GPa，是普通鋼材的 100 倍；韌性是碳纖維的 20 倍；抗拉強度超過 125 GPa；硬度超過鉆石。
石墨烯作為理想二維晶體材料，電子運動速度達到光速的1/300，電導(dǎo)率可達 10^6 ??/m，是室溫下最好的導(dǎo)電材料，性能超過已知最好的導(dǎo)體銀或銅。
石墨烯內(nèi)部載流子遷移率可達2 × 10^5 cm^2 /Vs，是硅中電子遷移率的 140 倍，是未來各類導(dǎo)體、半導(dǎo)體電器元件的理想材料。
石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)，理論導(dǎo)熱率達到 5300 W/mK，是室溫下導(dǎo)熱最好的材料。
單層石墨烯對光的吸收率僅為 2.3%，且對任何波長都有效，打破了目前常用半導(dǎo)體化合物如砷化鎵等的吸收帶僅在可見光和近紅外端的限制，可制備透明導(dǎo)電薄膜，替代 ITO，用于觸摸面板、柔性液晶面板、太陽能電池及 LED 照明等。
石墨烯具有 2630 m^2/g 的超大比表面積，能夠作為強力吸附劑與過濾材料，應(yīng)用于環(huán)保、海水淡化等領(lǐng)域，還能充當(dāng)儲能材料負(fù)載。
9. 石墨烯制備
在制備技術(shù)層面，氧化還原法與物理剝離法常被用作制備石墨烯粉體，而化學(xué)氣相沉積法與外延生長法常被用作制備石墨烯薄膜。
基本原理：機械剝離法是將高定向熱解石墨薄片粘在膠帶上，反復(fù)剝離，最終獲得一系列不同層數(shù)的石墨烯納米片。
技術(shù)優(yōu)勢：該方法高度可控，方法簡單，成本低廉，可獲得多層(10 層以下)的石墨烯納米片，尺寸最大可以達到 10μm。
技術(shù)難點 ：無法控制石墨烯納米片的大小、難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
CVD 化學(xué)氣相沉積法是薄膜制備主流工藝
基本原理：氣相沉積法是以甲烷、乙醇作為氣態(tài)碳源通入金屬襯底表面，一段時間反應(yīng)后碳源在金屬襯底上分解、淀積出不同層數(shù)的石墨烯，最后用化學(xué)刻蝕的方法分離石墨烯與襯底，得到石墨烯產(chǎn)品。
技術(shù)優(yōu)勢：石墨烯品質(zhì)高，有利于大面積生產(chǎn)，產(chǎn)品直接得到石墨烯薄膜，再加工工藝簡單。
技術(shù)難點：石墨烯存在缺陷，尺寸偏小，工藝處理溫度較高，對碳源、襯底的研究正在起步。
氧化還原法是粉體制備主流工藝
基本原理：先利用強氧化劑（高錳酸鉀、濃硫酸）與溶液中石墨反應(yīng)，使石墨片層間帶上羧基、羥基等基團，生成氧化石墨。隨后將氧化石墨分散于溶劑或水中，使用超聲波振蕩處理，形成分散均勻的單層氧化石墨烯分散液。接著使用不同的還原劑或還原方法對氧化石墨烯進行還原，以除去片層上的大多數(shù)含氧官能團，最后得到石墨烯。
技術(shù)優(yōu)勢：目前研究最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的方法，成本低、產(chǎn)率高、周期短等優(yōu)點，是一種極具潛力的大規(guī)模制備石墨烯的途徑。
技術(shù)難點：該法由于加入了強氧化劑、強還原劑，對石墨烯結(jié)構(gòu)有很大破壞，產(chǎn)品缺陷很多，不適合用作如精密的電子器件等對石墨烯純度和質(zhì)量要求較高的制品原料。
外延生長法成本高昂，主要用于半導(dǎo)體電子器件
基本原理：分為碳化硅外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化硅外延生長法是在超真空、高溫條件下，通過碳化硅熱解來制備 SiC 襯底的石墨烯材料，主要用于生產(chǎn)半導(dǎo)體用石墨烯。
金屬催化外延生長法在超高真空條件下將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲骄哂写呋钚缘倪^渡金屬基底（如 Pt、Ir、Ｒu、Cu 等）表面，通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。
技術(shù)優(yōu)勢 ：可以大面積地制備出均勻的石墨烯，結(jié)合納米光刻技術(shù)，制備出圖案化的納米石墨烯結(jié)構(gòu)，在制備碳基的納米電子器件的電子領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。
技術(shù)難點：單晶 SiC 的價格昂貴，生長條件苛刻，且石墨烯無法與SiC 襯底分離，金屬外延生長法研究尚不充分，生產(chǎn)條件苛刻，成本高昂，且尚未解決單層石墨烯片缺陷問題。
10. 專利
2010 年諾貝爾物理學(xué)獎后，全球石墨烯專利申請數(shù)量急劇增長，石墨烯相關(guān)專利技術(shù)進入快速發(fā)展軌道。
專利研究方向主要集中于石墨烯的制備以及應(yīng)用研究，應(yīng)用研究中以復(fù)合材料和儲能最多，其次是功能材料與傳感器。
三、產(chǎn)業(yè)化階段釋放
11. 產(chǎn)業(yè)鏈
12. 產(chǎn)業(yè)化難點
石墨烯產(chǎn)業(yè)化難點主要體現(xiàn)在市場需求不明確、研發(fā)投入大、制備成本高。
石墨烯產(chǎn)業(yè)尚未形成完整的、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，尤其是下游應(yīng)用，對石墨烯產(chǎn)品最大的需求市場仍然是科研院校和少量生產(chǎn)廠商。下游藍海未全面打開，石墨烯替代已成熟產(chǎn)品陷入苦戰(zhàn)。
石墨烯作為新材料，投入大、周期長、風(fēng)險高，我國經(jīng)費支持主要集中于科研機構(gòu)，但科研和產(chǎn)業(yè)脫節(jié)嚴(yán)重，缺乏對企業(yè)有效研究支持，導(dǎo)致專注于石墨烯產(chǎn)業(yè)化研究的企業(yè)研發(fā)費用負(fù)擔(dān)重。
高品質(zhì)石墨烯尚不能量產(chǎn)?；瘜W(xué)氣相沉淀法和氧化還原法是目前大規(guī)模制備石墨烯的主要方法，但兩種方法生產(chǎn)的石墨烯都存在程度不等的晶體缺陷。
石墨烯質(zhì)量控制仍是難點。目前石墨烯仍然不能穩(wěn)定連續(xù)產(chǎn)出，同一批次生產(chǎn)的石墨烯層數(shù)、尺寸等無法控制，停留在實驗室階段，極大地制約了石墨烯的工業(yè)應(yīng)用。
生產(chǎn)成本居高不下。制備條件都非?？量?，大多數(shù)都需要高溫、高壓、催化劑條件，設(shè)備成本和原料成本都非常高。
13. 產(chǎn)業(yè)化方向
石墨烯產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是下游應(yīng)用技術(shù)和市場開拓進展，石墨烯應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何與現(xiàn)有材料體系融合，更大限度地發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性能，取得較高的性價比。
綜合考量石墨烯在各個下游領(lǐng)域的技術(shù)研究迚展、政策引導(dǎo)方向以及下游市場的接受度，我們認(rèn)為石墨烯產(chǎn)業(yè)爆發(fā)點已初步形成，未來將逐步在各個細(xì)分領(lǐng)域分階段釋放。
14. 電子器件領(lǐng)域
散熱薄膜初步產(chǎn)業(yè)化
石墨烯所具有的快速導(dǎo)熱特性與快速散熱特性使得石墨烯成為極佳的散熱材料，使用石墨烯與塑料結(jié)合的改性產(chǎn)品作為現(xiàn)有散熱材料的替代，是相對簡單的改進，用于智能手機、平板手持電腦、大功率節(jié)能LED照明、超薄 LCD 電視等的散熱。
LED 照明的巨大發(fā)展空間為石墨烯帶來了機遇。將石墨烯與塑料的有機結(jié)合制成的SKC 石墨烯高導(dǎo)熱塑料利用了石墨烯的快速導(dǎo)熱、散熱特性，可達到熱傳導(dǎo)特性與加工性的良好平衡，并降低系統(tǒng)成本。
石墨烯電熱膜是一種現(xiàn)代采暖保溫新材料，電熱轉(zhuǎn)換效率高、磁輻射小且對人體無危害 ，有效發(fā)熱面積大，熱均勻性和熱舒適性好，性能穩(wěn)定功率變化小使用壽命長，省去了燃煤、鍋爐、管道、施工維護等高額成本，或?qū)氐赘锩F(xiàn)行室內(nèi)采暖系統(tǒng)。
石墨烯智能內(nèi)暖服裝具備性能優(yōu)勢
石墨烯發(fā)熱過程中產(chǎn)生的 8~14 微米紅外線能與生物體內(nèi)細(xì)胞的水分子產(chǎn)生最有效的“共振”，促進生物生長和血液循環(huán)，強化各組織之間的新陳代謝和增加再生能力，提高機體的免疫能力，起到紅外理療保健作用。
石墨烯觸控屏具有比較優(yōu)勢
目前通用的觸控屏使用氧化銦錫（ITO）為原料。石墨烯具有更優(yōu)異的透明性（只吸收 2.3%的光）、更出色的導(dǎo)電性能，以及 ITO 所不具備的強韌性（可彎曲，拉伸 20%仍不斷裂）。
技術(shù)難點
一大難點是成本，當(dāng)在生長基底上生長出石墨烯后，完美的轉(zhuǎn)移到 pet、玻璃等產(chǎn)品基底還很難，在良率上沒有保證，成本上也處于劣勢。
另一難點觸摸屏方阻下降，實現(xiàn)從柔性屏到多點觸控柔性屏的突破。
目前樣品
傳感器定位中期突破
石墨烯適用于制作柔性、透明的高靈敏度納米應(yīng)力傳感器，進而應(yīng)用于人造電子皮膚等領(lǐng)域。
石墨烯可用于快速、低成本的高精度基因電子測序以及生物傳感器。
石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)使其可以與細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子發(fā)生很強的色散相互作用，從而實現(xiàn)石墨烯對細(xì)胞膜上磷脂分子的大規(guī)模直接抽取。
半導(dǎo)體定位遠(yuǎn)期目標(biāo)
石墨烯電子遷移速度極快（室溫下可達 20 萬 cm^2 /Vs，是硅的 100 倍），可制作速度達 THz 級別的晶體管，因此可用來替代硅，作為新一代超級計算機的芯片材料。
石墨烯做的晶體管具有更高的效率，更快的運行速度并且能耗更低，運行速度可達太赫茲。
能否替代硅的關(guān)鍵——能帶隙問題需要解決
石墨烯本身是零能隙的，直接做場效應(yīng)管室溫開關(guān)比不超過 10，遠(yuǎn)不能滿足實際器件的需要。打開石墨烯的能隙同時維持高的載流子遷移率成為石墨烯研究領(lǐng)域最為重要的問題之一。
目前僅少數(shù)頂尖公司具備該項研發(fā)生產(chǎn)能力，其中技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)是韓國三星和美國 IBM。
15. 能源領(lǐng)域
復(fù)合導(dǎo)電劑率先產(chǎn)業(yè)化
青島昊鑫在導(dǎo)電劑行業(yè)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，主要產(chǎn)品為石墨烯導(dǎo)電劑和碳納米管導(dǎo)電劑，系鋰電池導(dǎo)電增強劑。2016 年、2017 年，青島昊鑫的營業(yè)收入分別為 6236.80 萬元和 1.13 億元，凈利潤分別為 1612 萬元和 2398 萬元。
對鋰電池材料進行石墨烯包覆和金屬離子摻雜可以提高材料的導(dǎo)電率，易于電子在集流體和正極材料的顆粒之間遷移，從而降低電池內(nèi)部電阻，提高輸出功率。
石墨烯優(yōu)異的機械性能和化學(xué)性能使得其復(fù)合電極材料具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠有效提高電極材料循環(huán)穩(wěn)定性；石墨烯的二維結(jié)構(gòu)能有效控制晶粒增長，使得到的顆粒尺寸控制在納米級，改善鋰離子傳輸通道。
東旭光電采用石墨烯包覆磷酸鐵鋰正極材料，率先實現(xiàn)了石墨烯快充鋰電池產(chǎn)業(yè)化。
石墨烯是由單層碳原子緊密排列構(gòu)成，鋰離子不僅可以存儲在石墨烯片層的兩側(cè)，還可以在石墨烯片層的邊緣和孔穴中存儲，其理論比容量為740~780mAh/g，為傳統(tǒng)石墨材料的 2 倍多，但遠(yuǎn)低于硅 4200 mAh/g，目前主流方向是硅碳負(fù)極。
石墨烯的力學(xué)性能制作柔性基體使得鋰電池具備彎折、拉伸、甚至扭曲、折疊等功能，通過加入可以承載活性物質(zhì)的柔性基體，實現(xiàn)鋰電池的可彎曲性。
相比于高分子柔性基體電極，石墨烯或碳納米管薄膜基體具有較強的導(dǎo)電性，有利于提高柔性電池快速充電性能；石墨烯基柔性電池是未來柔性電池高能量密度、輕量化的主流發(fā)展方向。
超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，形成兩個容性存儲層。
石墨烯電導(dǎo)率高、比表面積大、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，符合高能量密度和高功率密度的超級電容器對電極材料的要求，有希望成為理想的超級電容器極板材料。
利用石墨烯類膜材料輸運特性有望解決燃料電池核心部件“質(zhì)子傳導(dǎo)膜”的燃料滲透難題。
摻氮石墨烯具備催化燃料電池反應(yīng)的潛力，如果能夠替代鉑，就可以有效降低電池成本。
太陽能電池電極需要同時兼具導(dǎo)電性和透光性，受光反應(yīng)面需要較好的導(dǎo)電性和相對較大的比表面積。
石墨烯的顛覆意義在于其具有非常高的載流子遷移率，使得其在具有較高的透過率的同時也兼具相對較高的導(dǎo)電率，作為太陽能電池電極材料將大大改善電池性能。
16. 復(fù)合材料領(lǐng)域
導(dǎo)電油墨是由導(dǎo)電填料、連結(jié)料、溶劑和助劑組成的導(dǎo)電性復(fù)合材料，石墨烯用于導(dǎo)電油墨主要是作為導(dǎo)電填料。
導(dǎo)電油墨可以打印電子器件和儲能器件，包括各類傳感器，導(dǎo)電圖案和線路，電極，場效應(yīng)晶體管，薄膜晶體管等。
石墨烯材料制成的電子標(biāo)簽，不僅性能更優(yōu)，接收信號的距離更長，而且節(jié)能環(huán)保、質(zhì)地柔軟，可開發(fā)出石墨烯射頻天線。
導(dǎo)電涂料：傳統(tǒng)的導(dǎo)電涂料通過加入金屬或金屬氧化物顆粒(如銀粉、銅粉、氧化鋅等導(dǎo)電性物質(zhì))作為添加劑，石墨烯具備優(yōu)異的機械性能及熱性能，使得這種新型導(dǎo)電涂料更加耐用，更能適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。
防腐涂料：帶多層石墨烯涂層的鎳腐蝕速度比裸鎳的腐蝕速度慢 20 倍
抗靜電涂料：石墨烯所具有的高導(dǎo)電性、強力學(xué)性能等特點，有利于制備高性能、高強度的抗靜電涂料。
透光涂料：石墨烯由于具有良好的光學(xué)性能，可以在實現(xiàn)防腐等目標(biāo)的基礎(chǔ)上，用于汽車船舶玻璃、顯示器、電視機等領(lǐng)域。
碳質(zhì)吸附劑定位中期突破
石墨烯的薄層結(jié)構(gòu)使其具有巨大的比表面積，對固體、氣體、離子都有著很高的吸附容量。
氧化石墨烯處理重金屬污染
石墨烯本身是疏水的，而當(dāng)石墨烯被氧化后，石墨烯的吸附性能被改變，對水中重金屬離子、有毒非金屬離子都有很好的吸附效果，在飲用水處理，電鍍工業(yè)、印染工業(yè)、皮革加工等污水處理方面大有可為。
石墨烯快速處理放射性污染物
原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速地吸附天然和人造的放射性核素，并凝結(jié)成固體，陸地、水下都能使用。
海水淡化
精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料，改變石墨烯小孔邊緣的性質(zhì)，使其能夠排斥或吸引水分子，就如同篩子一樣能快速地濾掉海水中的鹽，而只留下水分子。
石墨烯海綿處理原油污染。
石墨烯能夠有效地吸附辛烷、泵油、柴油、煤油等多種油類,它的吸附過程像是石墨烯的孔洞容納了油類污染物，并且石墨烯海綿能夠漂浮在水面上，非常適合海上元原油污染等實際應(yīng)用場合。
大氣污染
石墨烯對如一氧化碳、一氧化氮、氨氣等氣體有很好的吸附作用。而一氧化碳、一氧化氮都屬于大氣污染物，大至火力發(fā)電廠、冶煉廠，小至汽車都會在運行或使用過程中大量產(chǎn)生上述兩種污染物。
苯污染
單層石墨烯、氧化石墨烯吸附苯和及其同系物的研究正在進行中。
電纜保護材料定位中期突破
石墨烯是目前世界上電阻率最小的材料，電阻率低于目前國內(nèi)電線電纜的首選材料銅，目前主要問題是成本。
石墨烯的電磁屏蔽防護性能高，與傳統(tǒng)的鍍錫層和金屬絲編織屏蔽層相比，石墨烯一方面提高了屏蔽效果，降低外部干擾；另一方面還能避免出現(xiàn)屏蔽間隙，防止屏蔽金屬絲因斷絲而扎入纜芯而影響電纜絕緣性能。
催化劑定位中期突破
石墨烯具有更高的穩(wěn)定性和油溶性，能催化有機物反應(yīng)。
石墨烯增強聚合物材料
石墨烯兼具石墨和碳納米管的很多優(yōu)秀性能，被視為新的高性能納米增強體，可以為聚合物復(fù)合材料帶來多方面的性能提升，還可以增強石墨烯增強體與基體間的界面相互作用。
激光器
由于石墨烯具有非凡的電學(xué)特征以及泡利阻塞原理，且單原子層石墨烯擁有非波長依賴型的超快速飽和吸收，這使得功能化石墨烯在超快速光子器件中有很大的應(yīng)用空間，有效的穩(wěn)定了激光器的發(fā)射強度和使用壽命。
導(dǎo)電塑料
導(dǎo)電填料一般選用纖維狀與片狀導(dǎo)電材料，包括金屬纖維、金屬片材、導(dǎo)電碳纖維、導(dǎo)電石墨、導(dǎo)電炭黑、碳納米管、金屬合金填料等，石墨烯是一種性能最優(yōu)益的填料。
17. 汽車定位中期突破
四、投資邏輯
針對石墨烯產(chǎn)業(yè)的當(dāng)前特點，建議重點關(guān)注研發(fā)實力雄厚，具備產(chǎn)品質(zhì)量和客戶資源壁壘，或者在產(chǎn)業(yè)化階段已經(jīng)占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢的石墨烯標(biāo)的。
全國產(chǎn)業(yè)布局如下
