中國儲能網訊：石墨烯是新材料領域一顆耀眼的新星。由于具備眾多優(yōu)異的力學、光學、電學和微觀量子性質，石墨烯有望在電子、新能源、高端制造、醫(yī)療等領域展開多種應用。未來下游應用市場有望達到萬億元級別，預計最先將應用于太陽能透明電極、散熱材料和觸摸屏等領域。
石墨烯目前處于產業(yè)化攻堅階段，在技術、工藝和產業(yè)鏈對接方面需要投入大量資源。產業(yè)化的關鍵和難點是相關材料的制備、轉移技術和上下游產業(yè)鏈整合。美國、英國、中國、日本和韓國等國家的產業(yè)化開發(fā)處于相對前列。
涉及石墨烯業(yè)務的上市公司較多，但均處于研發(fā)試驗或新涉階段，尚未對業(yè)績構成實質性影響。
新材料領域的重大突破
石墨烯是由單層碳原子構成的六角形蜂巢晶格的平面二維材料，結構穩(wěn)定，各項物理性質優(yōu)異。石墨烯的發(fā)現(xiàn)顛覆了凝聚態(tài)物理學界既往的二維材料不能在有限溫度下存在的觀念。
石墨烯具備眾多優(yōu)異的力學、光學、電學和微觀量子性質，是目前最薄也是最堅硬的納米材料，同時具備透光性好、導熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等眾多普通材料不具備的性能，未來有望在電極、電池、晶體管、觸摸屏、太陽能、傳感器、超輕材料、醫(yī)療、海水淡化等眾多領域應用，是最有前景的先進材料之一。
石墨烯材料分為兩類，一類是由單層或多層石墨烯構成的薄膜，另一種是由多層石墨烯構成的微片。石墨烯薄膜又分為單晶薄膜和多晶薄膜。其中單晶薄膜可以用于集成電路等電子領域，但是產業(yè)化尚待時日。而多晶薄膜有望在5-10年內實現(xiàn)產業(yè)化應用，替代ITO玻璃用于制造觸摸屏（特別是柔性制造屏）和其他需要透明電極的領域。除了純石墨烯之外，另外還有很多石墨烯衍生物，未來也會有較為廣泛的應用。
總體而言，石墨烯應用領域將主要集中在電子、新能源、生物醫(yī)療、高精度制造業(yè)、水處理等高精尖技術領域。
傳感器方面，納米傳感器尺寸小、精度高。原子級別的傳感器與普通傳感器相比，具備多種獨有的微觀性質，顯著拓寬了傳感器的應用領域。納米傳感器可廣泛應用于生物、化學、機械、航空、軍事等方面。納米傳感器主要包括納米磁敏傳感器、納米生物傳感器和納米光纖傳感器。納米傳感器尺寸主要取決于探針針頭大小，傳感器尺寸可顯著減小，同時感應時間大大縮短，滿足微觀高精度測量需要。隨著工業(yè)生產和環(huán)境監(jiān)測的需要，納米氣敏傳感器的研發(fā)獲得了長足的進展，未來有望率先實現(xiàn)商業(yè)化應用。
目前已經有用化學氣相沉積法在分散有催化劑的SiO2/Si基片上制得的單個的單壁碳納米管。此種碳納米管使得傳感器在復雜的氣體環(huán)境中具有選擇性，區(qū)分度和靈敏度較之傳統(tǒng)的傳感器顯著提升。
單壁碳納米管具有優(yōu)異的電子、機械、力學等性能，但是納米管制備一直是難點。實現(xiàn)結構和性質可控的制備是單壁碳納米管應用的基礎和關鍵，同時也成為碳納米管研究和應用發(fā)展的瓶頸。
石墨烯良好的電導性能和透光性能，使其在透明電導電極方面有非常好的應用前景。試驗證明，石墨烯比表面積高達2600平方米/克，導電性極高，且儲能效率是現(xiàn)有材料的近兩倍，是理想的電極材料。石墨烯在取代其他電極材料方面有廣闊的應用前景，即便是目前商用超極電容器使用的活性炭等材料，比表面積也不過1000-1800平方米/克，石墨烯的電學綜合性能顯著超越當前的各種材料。
傳統(tǒng)電極材料多采用ITO（銦錫氧化物）。銦元素價格昂貴，且較為稀有。行業(yè)正在尋找一種成本更低的材料以替代ITO。石墨烯以其獨有的導電透明性質成為備選材料。采用石墨烯制成的透明電極，不僅具備傳統(tǒng)電極的導電特性，同時還可以彎曲折疊，在搭建過程中可與建筑構成一體化，更加經濟和實用。透明導電電極不僅應用于太陽能領域，同時還可應用在觸摸屏、液晶屏、發(fā)光LED和超級電容等多種光電領域。目前全球實驗室將石墨烯電極應用至上述多類型產品，包括觸摸屏和超級電容。若能成功商業(yè)化，未來有望改變電子行業(yè)制造格局。
應用領域不斷拓寬
石墨烯是目前所知最薄、最強和導電性最好的材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過建立三維堆疊多層異質結構的石墨烯能夠制成具備極為敏感的高效光伏設備，可以利用太陽能產生電力。未來有望采用石墨烯制成轉換效率更高的新一代太陽能電池。
從當前的研究進展來看，石墨烯不僅可以制成太陽能電池用的透明電極，同時還可以用作插入半導體層之間的中間電極。石墨烯最能發(fā)揮威力的領域是有機薄膜太陽能電池領域。在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點在于，石墨烯是透明的，而且與半導體層的相容性較高。
化學摻雜可以大大降低石墨烯面電阻并調整石墨烯的功函數(shù)，制成柔性更高的透明導電薄膜。石墨烯制成的透明導電薄膜，不僅具備導電、透明等太陽能轉換器件所必備的性質，還具備金屬材料所不具備的柔性。同時，此種薄膜具備對中遠紅外線高透性質，能顯著提升太陽能的轉換效率，是新一代太陽能電池的理想材料。當前多晶硅太陽能電池轉換效率為30%，理論上石墨烯太陽能電池有望將轉換效率提升到60%，未來太陽能電池有望實現(xiàn)小型化。石墨烯可以彎曲且透明，未來有望將石墨烯太陽能電池安裝在建筑物外墻，使太陽能用于日常照明和采暖等日常應用。
目前，在石墨烯光伏材料研究領域處于領先地位的廠商之一是富士電機。該公司正在積極開發(fā)采用石墨烯制成的太陽能電池透明導電膜。
超級電容器是基于高比表面積炭電極/電解液界面產生的電容、或者基于過渡金屬氧化物/導電聚合物的表面及體相所發(fā)生的氧化還原反應來實現(xiàn)能量存儲和轉換的電子元件。其構造和電池類似，主要包括正負電極、電解液、隔膜和集流體。
作為一種新型儲能裝置，超級電容器具有體積小、輸出功率高、充電時間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、安全且無污染等優(yōu)點，有望成為未來新型的電源裝置。要制造出高性能的超級電容器，電極材料是超級電容器的關鍵所在，決定著電容器的主要性能指標，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。目前，納米結構的活性炭、碳化物轉化炭、碳納米管、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等均已用于微型超級電容器的電極材料。但是上述材料整體性能不能滿足微型能源系統(tǒng)的要求。同時，制造微型超級電容的光刻工藝復雜，生產周期長，成本高昂，一定程度上制約了超級電容商業(yè)化進程。
試驗證明，石墨烯有望成為新型高效的超級電容器電極材料。目前已經研究出以石墨烯為基礎的新型微型超級電容器，此類電容器外形小巧，充放電速率高，同時具備極佳的機械柔性。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質相比，石墨烯電介質可顯著提升電容器容量及耐用時間，可以與薄膜型鋰離子電池相媲美。這種新穎的石墨烯微型電容器有望應用于MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設備、無線傳感網絡、柔性顯示器，以及其多種生物體內電子設備的儲能器件。
研究表明，石墨烯超級電容器的充放電速度比傳統(tǒng)電池快1000倍。此項技術若能商業(yè)化，未來汽車或手機充電時間有望大大縮短。目前，超級電容器主要的技術瓶頸在于提升介質能量密度，同時需要將成本降低。
觸摸屏是石墨烯未來應用的又一大熱點。近幾年隨著智能手機和平板電腦的大規(guī)模普及，全球觸摸屏需求量也隨之大幅增加。數(shù)據顯示，2013年全球電子設備觸摸屏總面積同比增長兩倍，達到2550萬平方米。預計到2015年，觸摸屏生產面積將達到3590萬平方米。
與傳統(tǒng)的ITO觸摸屏相比，石墨烯觸摸屏無毒環(huán)保，相比ITO使用有毒的稀有金屬銦，石墨烯對環(huán)境友好。其次，石墨烯的光學性能要優(yōu)于ITO，能部分消除鏡面反射，可有效解決長期困擾ITO的光學鏡面反射問題。在強光下，ITO屏幕會變黑，而同樣情況下的石墨烯觸摸屏鏡面反射會減弱很多。石墨烯還能折疊彎曲，未來有望延伸至移動智能穿戴設備領域。在未來的觸摸屏領域，石墨烯電容式觸摸屏有望替代現(xiàn)有的氧化銦錫（ITO）透明電極。
石墨烯觸摸屏研究處于前列的國家有美國、英國、日本和韓國。目前開始產業(yè)化的公司有韓國三星、日本索尼、二維碳素、美英的Cambrios Tec以及3M。日本東麗、東芝、索尼產研和信越化學、三星等廠商在石墨烯研究方面進展迅速。
近期有報道稱，IBM公司研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路。科學家預測，這項突破可能預示著未來有望采用石墨烯圓片來替代硅晶片。這塊集成電路建立在一塊碳化硅上，并且由一些石墨烯場效應晶體管組成。最新的石墨烯集成電路混頻最多可達10G赫茲，承受125攝氏度的高溫。
未來石墨烯集成電路有望使智能手機、平板電腦和可穿戴電子設備等電子終端運行速度更高、能效更低、成本更低。
生物傳感器是生命分析化學及生物醫(yī)學領域中的重要研究方向，已廣泛應用于臨床疾病診斷和治療研究。石墨烯制成的生物傳感器對生命分析領域的快速發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。在基因組測序技術領域，最近成功開發(fā)出來的DNA感測器，是一種以石墨烯為基礎的場效應類晶體管設備，能探測DNA鏈的旋轉和位置結構。該感測器利用石墨烯的電學性質，成功實現(xiàn)檢測DNA序列的微觀功能。
蘇州納米研究所研究出使用PEG包被熒光標簽的納米石墨烯片（NGS）在體內的作用，在活體內異種皮膚腫瘤移植熒光成像中，NGS表現(xiàn)出了高腫瘤細胞攝取率。盡管對這種新型碳納米材料在體內表現(xiàn)還需要更多的認知以及長期的毒性研究，但是此種方法為石墨烯在諸如腫瘤治療的生物醫(yī)學領域提供了方向。
此外，石墨烯由于其超高的載流子遷移率和導熱效率，未來有望成為LED導熱領域的新型應用材料。
產業(yè)化尚待時日
技術問題是石墨烯商業(yè)化應用的主要制約因素。如何低成本和高效率地制備大面積、高質量石墨烯，并快速高效轉移至下游需求領域，是石墨烯大規(guī)模商業(yè)化應用主要致力的方向。
當前制備石墨烯的方法有很多，主要有物理和化學兩大類。物理的方法主要是采取機械剝離方法，而化學方法主要集中在化學沉積和化學合成兩大方向。上述物理方法制備石墨烯共同的缺點就是生產出的石墨烯厚度不一，可操作性差，并且無法生長出大尺寸的石墨烯。
化學沉積氣相法（CVD）提供了一種可控制的石墨烯方法。首先將平面基底（如金屬薄膜和金屬單晶）等置于高溫可分解的前驅體（一般多為甲烷和乙烯等烴類）中，通過高溫退火的方式使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯，最后用化學方法去除金屬基底之后得到石墨烯。此方法可以形成較大面積的石墨烯片，但合成過程必須在高溫下進行，石墨烯的良品率一般無法保證。此外，還有化學溶液直接剝離法、高溫石墨膨脹法等。
上述石墨烯化學制備方法制得的石墨烯同樣也不穩(wěn)定，且石墨烯片狀面積有限，商業(yè)化尚待時日。
整體而言，化學氣相沉積法（CVD）在規(guī)模化制備石墨烯的問題方面有新的突破，也是目前制備石墨烯的主流技術之一，但大規(guī)模商業(yè)化還需要進一步提升工藝空間。
近兩年來，石墨烯產業(yè)化方向逐漸清晰，各國有關石墨烯產業(yè)支持政策也進一步加大。
2013年1月，歐盟委員會將石墨烯列為未來新興技術旗艦項目之一。該項目的研究范圍十分廣泛，其中石墨烯的制備是核心。歐盟委員計劃十年提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。
英國在之前投入5000萬英鎊支持石墨烯商業(yè)化應用之后，接著追加投資2150萬英鎊資助石墨烯研究項目，推進石墨烯商業(yè)化進程，并建立國家石墨烯研究所（NGI），該機構有望成為世界領先的石墨烯研究和開發(fā)中心。
2002-2013年，美國國家自然科學基金會關于石墨烯的資助達到500項。重點方向包括復合材料、石墨烯電子器件、CMOS晶體管、存儲器件開發(fā)，生物傳感器和石墨烯制備等方面。同時，美國國防部及其下屬機構國防高級研究計劃署開展多項石墨烯研究項目，重點開發(fā)更輕更小、更快和更高頻的電子器件。2008年7月，計劃署發(fā)布碳電子射頻應用項目，項目投資為2200萬美元。IBM研制出截至頻率高達155GHz的石墨烯晶體管，是碳電子射頻應用研發(fā)的里程碑。
2013年，密歇根理工大學成功研制三維石墨烯電極，有望替代鉑電極在太陽能中的應用。而馬爾拉大學開發(fā)出新型石墨烯納米復合材料，有望用作新型的吸附劑。
同年，索尼通過改進后的化學氣相沉積（CVD）法制作出約120mm×230mm的石墨烯薄膜，目標是作為透明導電膜。
我國也在加大對石墨烯產業(yè)發(fā)展的支持，新材料“十二五”規(guī)劃為石墨烯產業(yè)明確了發(fā)展方向。
當前，我國在石墨烯基礎研究突出。2007-2013年間，中國國家自然科學基金會關于石墨烯的資助項目達到了1096項，特別是在2012-2013年間，有關石墨烯的項目急劇增加。重點項目包括：可見光響應的新型石墨烯、納米復合材料光催化處理有機污染物、新興碳基復合材料、鈦酸鋰-石墨烯負極材料可控及電化學性能研究、高效石墨烯/半導體納米結構異質節(jié)研究等。
2013年7月，在中國產學研合作促進會的支持下，多家機構發(fā)起中國石墨烯產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，目前中國石墨烯產業(yè)聯(lián)盟已經在無錫、青島、深圳和寧波建立了4個產業(yè)創(chuàng)新基地。聯(lián)盟發(fā)起方中，除多家大學科研單位外，還包括多家上市公司。
從近兩年的我國專利申請情況來看，熱點領域主要集中石墨烯制備以及作為透明導電電極、晶體管半導體器件以及傳感器和復合材料等領域，這些也是石墨烯有希望最先產業(yè)化的領域，表明我國石墨烯產業(yè)處于第二階段，技術成長階段，我國石墨烯研究正從實驗室向產業(yè)化過渡。
根據中國知識產權網數(shù)據，截至2014年7月，中國有關石墨烯專利申請數(shù)量處于世界首位。不過，從專利保護區(qū)域分布來看，美國、日本、韓國等國家在世界其他主要國家都對其石墨烯專利申請了專利保護。而我國機構雖然在專利申請數(shù)量上具有優(yōu)勢，但基本上以國內申請為主，很少有對其石墨烯專利的國外保護。
作為頗有前景的高新技術材料，石墨烯有望在半導體、光伏、鋰電池、航天、軍工、LED和觸控屏等領域帶來一次材料革命，一旦實現(xiàn)產業(yè)化，其市場規(guī)模有望達到萬億元級別以上。
不過，從實際情況看來，石墨烯產業(yè)化尚待時日，制造工藝不穩(wěn)定，成本居高不下，仍是石墨烯走向產業(yè)化的主要制約因素。從制造工藝來看，目前業(yè)內通行的方法均有各自的優(yōu)勢和缺陷，產業(yè)技術路徑仍在探討之中。
目前開展石墨烯研究的主要是高?？蒲性核妊芯繂挝缓蜕贁?shù)企業(yè)，研究力量比較分散，要盡快實現(xiàn)石墨烯產業(yè)化，必須通過技術創(chuàng)新和產學研協(xié)作，建立一條完整的石墨烯研發(fā)、生產、應用的全產業(yè)鏈，打造公共科技服務平臺和測試平臺，優(yōu)化研究和產業(yè)化生產環(huán)境。
多家公司加速布局
2013年初，中科院重慶研究院制成國內首片15英寸單層石墨烯和7英寸石墨烯觸摸屏，未來可用于手機和電腦等電子產品。研究院制備15英寸銅箔襯底均勻單層石墨烯，并成功將其完整地轉移到柔性PET襯底和其他基底表面。
上海南江集團與中科院重慶研究院共同推進大面積單層石墨烯產業(yè)化項目，前期投資達2.67億元。石墨烯產業(yè)基地已成功落戶重慶，將力爭盡快建成首期生產線并投產，形成1000萬片石墨烯產能。
2013年5月，常州二維碳素科技、無錫格菲電子薄膜科技、深圳力合光電傳感聯(lián)合江南石墨烯研究院宣布，國內首條年產３萬平方米的石墨烯薄膜生產線正式投產。常州二維碳素科技率先將石墨烯薄膜應用于手機電容式觸摸屏，并實現(xiàn)4英寸石墨烯觸摸屏手機小批量生產。無錫格菲電子薄膜科技表示，公司計劃生產50萬件石墨烯手機觸摸屏，并計劃再融資1億元，擴大石墨烯手機觸摸屏生產規(guī)模。
二維碳素的核心技術是采用CVD工藝在銅基底上生長石墨烯薄膜的工藝。將甲烷（及輔助氣體）通入反應爐中，經過1000攝氏度以上的高溫加熱，甲烷碳氫鍵斷裂，碳原子在金屬催化劑基底上形成晶核，進而形成多晶薄膜。
上市公司方面，中國寶安(000009)旗下的貝特瑞公司在2011年11月完成石墨烯中試線建設并投入生產，目前公司有關石墨烯的研究方向主要是在負極材料領域。
烯碳新材(000511)在2013年完成戰(zhàn)略轉型，從房地產業(yè)轉向石墨烯等新材料產業(yè)，實現(xiàn)了烯碳新材料的全產業(yè)鏈布局。根據公司烯碳產業(yè)集群的布局規(guī)劃，公司旗下產品包括資源類、應用類和科技類前沿產品。2013年公司完成戰(zhàn)略布局：置入海城三巖礦業(yè)有限公司40%股權；置入奧宇集團有限公司51%股權和黑龍江牡丹江農墾奧宇石墨深加工有限公司51%股權；投資參股連云港(601008)市麗港稀土實業(yè)有限公司，基本完成石墨碳、耐火碳和活性碳之基礎產品布局。
早在2011年6月，金路集團(000510)與中科院金屬所簽署技術開發(fā)合同，雙方將在“石墨烯材料及其應用技術與產業(yè)化技術研發(fā)”方面展開合作，金屬所負責具體研究開發(fā)工作，并提供產業(yè)化可行性報告；公司負責提供研發(fā)經費，并組織相關團隊進行產業(yè)化及市場開發(fā)方面的工作。公司在研石墨烯透明導電薄膜、石墨烯基三維網絡散熱材料、石墨烯基動力電池項目。在石墨烯透明導電膜方面，金屬研究所能制備出4英寸的石墨烯透明導電薄膜。
2014年3月，金路集團發(fā)布公告稱，公司與金屬所前期的合作，主要包括石墨烯散熱材料、石墨烯功能涂層、石墨烯復合材料的制備技術與應用技術研發(fā)，石墨烯材料在電池中的應用技術研發(fā)，石墨烯三維網絡材料應用技術研發(fā)等；2014年年度研發(fā)計劃包括：石墨烯在鋰離子電池、鋰硫電池、導電油墨以及防腐涂層中的應用研發(fā)。
中泰化學(002092)參股廈門凱納石墨烯技術有限公司35%股權。廈門凱納自2006年啟動石墨烯技術的研發(fā)，并于2010年5月正式注冊成立，成為國內第一家專業(yè)從事石墨烯研發(fā)的企業(yè)，率先向國內外提供高品質的石墨烯相關產品。
7月15日，中泰化學披露廈門凱納石墨烯技術有限公司最新研發(fā)工作進展情況。根據廈門凱納與中泰化學項目組的研發(fā)工作計劃，項目組技術研發(fā)人員已于近日進駐公司研發(fā)實驗基地，開展石墨烯與PVC聚合相關試驗，試驗工作按計劃推進。廈門凱納共向國家知識產權局申請了17項發(fā)明專利，其中被授予4項發(fā)明專利權；1項實用新型專利權。
近日，康得新(002450)公告，公司擬在張家港設立張家港康得新石墨烯應用科技，注冊資本1億元，為康得新全資子公司。公司經營范圍為石墨烯新材料技術的研發(fā)應用，石墨烯相關產品的研發(fā)、生產和銷售等。不過，公司表示，所涉石墨烯相關業(yè)務尚處于引進和投資階段，尚未對公司經營業(yè)績構成實質性影響。
