我國石墨烯產(chǎn)業(yè)應用與發(fā)展態(tài)勢

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 產(chǎn)業(yè)研究中心

近幾年，我國石墨烯領域研發(fā)成果數(shù)量穩(wěn)步增長，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴大。石墨烯在下游市場的應用主要包括新能源、大健康、電子信息、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、化工、航空航天七大領域。目前，石墨烯對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的帶動作用日益顯著，其區(qū)域集聚初步成形。

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在2017年發(fā)布的團體標準T-CGIA001-2017“石墨烯材料的術語、定義和代號”中提到：石墨烯材料是由石墨烯單獨或堆垛而成、層數(shù)不超過10層的碳納米材料。石墨烯是人類已知強度最高、韌性最好、質(zhì)量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料。單層的石墨烯是由一層密集的碳六元環(huán)構(gòu)成，它的厚度為0.335 nm左右，是目前為止最薄的二維納米碳材料。由于其結(jié)構(gòu)的獨特性，石墨烯的各類性質(zhì)也非常優(yōu)異。

石墨烯作為近年來備受關注的新型材料，其用途非常廣泛，在半導體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、鋰離子電池、航天、軍工、新一代顯示器等傳統(tǒng)領域和新興領域都將帶來革命性的技術進步。隨著石墨烯應用在新領域內(nèi)不斷開發(fā)，其應用市場規(guī)模不斷擴大，發(fā)展態(tài)勢良好。石墨烯在下游市場的應用主要表現(xiàn)在新能源、大健康、電子信息、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、化工、航空航天等七大應用領域。

我國政府高度重視石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，發(fā)布了一系列相關政策進行系統(tǒng)布局，并將石墨烯列入我國“十三五規(guī)劃”的165項重大工程。相關政策的實施對推動技術創(chuàng)新、支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、加快走中國特色新型工業(yè)化道路具有重要戰(zhàn)略意義。

近年，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)應用領跑國際，上市公司表現(xiàn)搶眼，企業(yè)合作動作連連，產(chǎn)業(yè)格局初具雛形；企業(yè)合力打通終端渠道，應用市場遍地開花，石墨烯技術逐步“走近生活”；國家層面的政策引導、系統(tǒng)規(guī)劃明顯加速，產(chǎn)學研合作貫通產(chǎn)業(yè)鏈條，品牌競爭格局即將形成。石墨烯作為新材料產(chǎn)業(yè)的先導，在帶動傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，培育新興產(chǎn)業(yè)增長點，推動大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的作用越來越顯著。

研發(fā)成果數(shù)量穩(wěn)步增長

2004年，英國曼徹斯特大學科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov在實驗室中成功將石墨烯從石墨中分離出來，并因此共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。2010年以后，石墨烯材料引發(fā)了全球范圍內(nèi)的研究熱潮，石墨烯相關專利、論文數(shù)量迅速增加，至今熱度不減。

通過對石墨烯中國專利、論文進行檢索，共檢索到石墨烯中國專利申請43988件，論文累計發(fā)表6萬余篇，總體而言，我國石墨烯專利論文數(shù)量呈指數(shù)增長趨勢。從專利論文趨勢圖可以看出，我國石墨烯專利的申請與受理始于本世紀初，從2009年開始，我國石墨烯專利申請數(shù)量一直處于快速增長態(tài)勢。中國政府、科研機構(gòu)以及相關企業(yè)近年來對石墨烯相關技術一直保持高度的重視，國內(nèi)石墨烯研發(fā)的高潮持續(xù)不減。2016年石墨烯專利申請數(shù)量已達到12420件，2017年專利申請量略有減少為11430件。目前，石墨烯專利申請技術方向主要集中在：以石墨為原料制備石墨烯的技術及工藝；石墨烯在儲能、涂料、傳感器等領域的應用：CVD制備石墨烯及其轉(zhuǎn)移技術。

目前，我國石墨烯專利TOP 20的申請人中有16個來自高校和科研院所，4個來自企業(yè)。申請量前五位的申請人為：浙江大學（434件）、海洋王（424件）、深圳海洋王（404件）、清華大學（362件）、哈爾濱工業(yè)大學（330件）。海洋王、京東方、成都新柯化工是中國石墨烯專利TOP 20的申請人中的企業(yè)代表。海洋王照明從2012年開始在石墨烯制備、摻雜技術及在復合材料、超級電容器等領域展開布局；京東方在傳感器、顯示裝置、有機電致發(fā)光器件、晶體管等石墨烯高端應用領域展開布局；成都新柯化工主要生產(chǎn)石墨烯微片，用于增強增韌材料、導電導熱材料等。三家企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)不同的石墨烯產(chǎn)品，在不同的石墨烯應用領域已展開布局。

產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴大

據(jù)全球石墨烯產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略研究院（CGIA Research）統(tǒng)計，2017年，我國石墨烯材料粉體產(chǎn)能達到3000噸，已經(jīng)有數(shù)家企業(yè)具備了年產(chǎn)百噸以上的生產(chǎn)能力，如常州第六元素、寧波墨西、鴻納（東莞）、青島昊鑫、青島德通、寶泰隆等；石墨烯薄膜產(chǎn)能約350萬平方米。石墨烯粉體和薄膜材料在汽車、紡織、軍工等工業(yè)和民生消費品上已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用。

CGIA Research 通過數(shù)據(jù)庫查詢、實地調(diào)研等方式對石墨烯相關企業(yè)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，近年來石墨烯相關企業(yè)數(shù)量急劇增加。截止到 2017 年 12 月底，石墨烯企業(yè)數(shù)量呈現(xiàn)快速上漲趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，近兩年企業(yè)數(shù)量增加速度明顯加快，2016 年凈增 948 家，同比增長 33.91%；2017 年凈增1041 家，同比增長 27.80%，2018 年石墨烯相關企業(yè)數(shù)量仍在迅速增長。目前涉及石墨烯相關業(yè)務的上市公司總數(shù)有 58 家，其中主營業(yè)務為石墨烯的上市公司共有 5 家。

截止到2017年12月31日，全國擁有石墨烯相關研發(fā)、設備、制備、銷售、應用、投資、檢測、技術服務的單位數(shù)量達到4800多家，經(jīng)CGIA Research 篩選實際開展石墨烯業(yè)務的企業(yè)約2600多家。其中從事技術服務、銷售、投資及檢測的企業(yè)（機構(gòu)）有1477家，占據(jù)近一半的比例，從事石墨烯相關研究的研發(fā)機構(gòu)有217家，設備和制備的企業(yè)（機構(gòu)）有340家，下游應用方向的企業(yè)數(shù)量為623家。

應用市場不斷拓展

近年，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化應用取得了一定進展，上下游產(chǎn)業(yè)鏈已初步打通、下游應用領域不斷拓展，產(chǎn)品標準和技術規(guī)范逐步完善，據(jù) CGIA Research 統(tǒng)計，石墨烯市場規(guī)模從2015年的6億元、2016年的40億元，直到2017年增長至70億元。其中石墨烯在新能源領域的市場規(guī)模達到 50 億元，石墨烯涂料市場規(guī)模達到 8 億元，復合材料和大健康產(chǎn)業(yè)均達到 5億元，節(jié)能環(huán)保和電子信息領域均達到 1 億元，石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢。石墨烯應用領域市場規(guī)模占比如圖 4 所示。

石墨烯在下游市場的應用主要包括新能源、大健康、電子信息、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、化工、航空航天等七大應用領域。

新能源

碳材料是最早被商業(yè)化的鋰離子電池負極材料，如今已得到廣泛的應用，如石墨化碳材料、炭微球材料等。石墨烯作為碳材料的一員，以其特有的結(jié)構(gòu)、較高的比表面積、特異的電子傳導方式而受到研究者的關注。將石墨烯應用于鋰離子電池可以解決傳統(tǒng)鋰電池能量密度和功率密度難以兼得的問題，可以作為石墨烯復合正負極材料、鋰電池正負極材料的導電添加劑，全方位提升鋰離子電池的性能。同時，石墨烯二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)以及其優(yōu)異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導電性能，提高鋰離子的擴散傳輸能力。

大健康

由于石墨烯具有質(zhì)量輕、高導電性、高導熱性、高強度等優(yōu)點，在導熱材料方面有巨大的發(fā)展空間。以石墨烯電加熱不僅加熱速度快，電熱輻射轉(zhuǎn)換效率高，而且石墨烯加熱膜是整個面加熱，溫度均勻分布。最重要的是，會產(chǎn)生遠紅外輻射，具有良好的醫(yī)療、理療作用。石墨烯在大健康領域的應用主要集中在智能穿戴、智能家居及理療護具等產(chǎn)品，石墨烯發(fā)熱技術帶來了健康環(huán)保、安全智能、無塵靜音等優(yōu)勢。

從目前石墨烯的應用領域來看，大健康領域是石墨烯產(chǎn)業(yè)化最早的領域之一，2017年石墨烯在大健康領域的市場規(guī)模達到5億元，一些企業(yè)已經(jīng)推出了石墨烯護頸、護腰、發(fā)熱服、眼罩等產(chǎn)品，并在市場上銷售。2018年在平昌冬奧會上，72名演員身穿烯旺科技開發(fā)的石墨烯智能發(fā)熱服飾精彩亮相。在保證服飾輕薄與舒適的條件下，該服飾能在-20℃的低溫條件下加熱到50℃，并持續(xù)4小時。

電子信息

隨著電子工業(yè)技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的電子電器正在朝著體積小、能量密度高的方向發(fā)展，并且這種發(fā)展趨勢越來越猛烈。隨著電子產(chǎn)品的工作頻率急劇增加，由電子設備產(chǎn)生的熱量也會迅速積累和增加，如果不能及時地將熱量傳導出去，也會使電子元件的工作溫度急劇升高。這不僅影響設備的正常工作效率，而且也會使其使用壽命大大縮短，因此迫切需要開發(fā)高導熱性能的界面導熱材料。單層石墨烯的導熱率可高達5300W/mK，當層數(shù)增加到2 - 4層，熱導率降低到2800W/mK-1300 W/mK，但依舊遠高于銅（Cu）的熱導率（398 W/mK），是導熱性能最好的材料。因此，石墨烯可作為理想的電子元器件導熱材料。

同時，石墨烯天線將成為（繼銀漿天線之后的）印刷電子技術工藝在RFID（射頻識別技術）應用上的又一代表性作品，現(xiàn)階段鋁蝕刻天線制程包括了金屬貼合、光阻印刷、金屬蝕刻等制程，其流程繁雜、成本偏高且不環(huán)保。在印刷天線油墨方面，依成分包括了銀漿、鋁漿、銅漿與碳漿，其中以金屬漿料印刷所得天線效果最好。然而目前鋁、銅金屬漿需高溫脫氧燒結(jié)才能展現(xiàn)導電性，使得天線底材漿受限制，而傳統(tǒng)碳漿導電性未達天線應用的電阻要求。且銀漿天線的制程繁瑣、價格昂貴，其導電性能會因彎折而降低，使得目前在市場上利用印刷方式來制作RFID天線方式仍無法大規(guī)模生產(chǎn)并取代目前的鋁蝕刻天線。而采用石墨烯導電漿料制作天線，其制程環(huán)保簡單且無污染，價格便宜且質(zhì)量輕，適合各種無線天線的印制，在市場上無論從性能還是價格方面來說，都具備十足的競爭力。

節(jié)能環(huán)保

石墨烯是最堅硬的材料之一，且具有巨大的比表面積和極佳的導電性等眾多優(yōu)異性能，使其在環(huán)保領域具有非常廣闊的應用前景及巨大的潛在市場價值。石墨烯在節(jié)能環(huán)保領域主要應用在海水淡化、污水處理、大氣治理、電能替代、LED散熱等方向。

在國家對煤改電政策的大力推廣下，石墨烯電熱膜產(chǎn)業(yè)也初具規(guī)模，常州二維碳素開發(fā)了一款石墨烯高溫阻燃型電加熱膜，能廣泛應用于家用取暖、中醫(yī)理療、醫(yī)療加熱、溫度管理等領域，該產(chǎn)品將耐高溫性能提升到180℃，電熱轉(zhuǎn)化率99%以上，使用壽命提升至30000小時以上，同時具有發(fā)熱均勻度高、10秒速熱等特點，有效解決了現(xiàn)有電加熱產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率低、性能衰退、局部高溫等行業(yè)瓶頸問題。

生物醫(yī)藥

石墨烯原材料價格低廉、容易得到，制備方法簡單，被認為是極具應用價值的新型材料。石墨烯與多糖等物質(zhì)合成的復合材料，與細胞高度相容，可用作細胞生長支架；石墨烯衍生物表面含有大量的含氧基團，比表面積大，能促進干細胞的黏附、增殖和分化等，通過進一步結(jié)構(gòu)化功能修飾，可用于骨組織工程領域；基于石墨烯材料的生物傳感器可用于測定血清樣品中的葡萄糖含量、細菌分析、DNA和蛋白質(zhì)檢測等；經(jīng)過功能化的石墨烯還可作為載體，將藥物運送至靶細胞，提高治療效果和效率；石墨烯較碳納米管具有更大表面積、更小毒性、更低價格，并且其光熱治療作用更優(yōu)，石墨烯或?qū)⒊蔀榘┌Y光熱治療的替代材料。

化工

石墨烯在化工領域的潛在應用主要集中在橡膠、塑料、防腐涂料以及潤滑油、潤滑脂等領域。如涂料方面，石墨烯具有二維層狀結(jié)構(gòu)和大的比表面積以及對水、氧和氯離子等的阻隔特性，在防腐涂料領域具有廣闊的應用前景。石墨烯防腐涂料具有以下優(yōu)點：石墨烯重防腐涂料能夠在化工重污染氣體、復雜海洋環(huán)境等苛刻條件下，實現(xiàn)更長的防腐壽命；石墨烯的加入大大降低了鋅粉的用量，在鋅粉含量減小70%的前提下，耐鹽霧性能仍是環(huán)氧富鋅涂料的4倍以上，滿足了涂裝材料輕量化的發(fā)展需求；石墨烯優(yōu)異的導電性、導熱性實現(xiàn)了重防腐涂料的功能化。

此外，石墨烯作為新興的材料，在潤滑油/脂中的應用方興未艾，此前的超細石墨粉（或二硫化鉬粉、聚四氟乙烯粉等）作為填料常出現(xiàn)在潤滑脂中，用于改善潤滑脂的潤滑性能，而石墨烯作為新材料想要在傳統(tǒng)的潤滑劑中起到特殊功效，在潤滑和防銹兩個方面將有所突破。研究發(fā)現(xiàn)納米材料具有易燒結(jié)、熔點低等特性，因此以其為基礎制取的新型極壓抗磨劑作用機理并不是傳統(tǒng)的在兩摩擦副表面形成一層低剪切強度的物理化學膜，使摩擦磨損發(fā)生在生成的保護膜之間，而是將單一的滑動摩擦改變?yōu)榛瑒优c滾動的復合摩擦，通過改變摩擦方式達到減小摩擦的目的。

航空航天

隨著航天航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對復合材料的性能提出了更高的要求，因此需要研發(fā)更高性能的新型復合材料，由于石墨烯具有高強度、高導熱、抗電磁干擾等性能，可用于航空航天材料中，提升航天航空材料性能，有潛力改變我國航空航天材料主要依賴于進口的局面。目前石墨烯在航空航天領域的應用主要包括大型微波暗室用吸波材料、飛行器與武器平臺隱身、輕質(zhì)復合材料、抗雷達干擾線纜、航空航天熱管理系統(tǒng)、飛機輪胎、雷達電磁屏蔽等領域。

產(chǎn)業(yè)支撐作用顯現(xiàn)

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中在提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，目前石墨烯對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的帶動作用日益顯著，尤其是在涂料、輕量化材料、橡膠輪胎、LED散熱材料等方向的應用有突破性進展，石墨烯以“工業(yè)味精”的形式添加到各種傳統(tǒng)材料以提升傳統(tǒng)材料的性能。青島瑞利特新材料科技有限公司研制的抗甲醛和殺菌智能內(nèi)墻涂料已經(jīng)投入市場。該智能內(nèi)墻涂料采用具有甲醛分解性能的石墨烯納米復合材料，結(jié)合光催化的原理，通過吸收可見光光能達到分解空氣中游離甲醛的目的，并且具有抗菌效果。東旭光電發(fā)布石墨烯散熱大功率LED模組，相比傳統(tǒng)LED燈具，它的節(jié)能效率提升20%，散熱器體積減少3/4，重量減少2/3。

石墨烯在新興產(chǎn)業(yè)的應用主要是在新能源、電子信息、生物醫(yī)藥等領域，充分發(fā)揮石墨烯高導電、高導熱、高強度等優(yōu)異性能，“烯”的作用越來越顯著，2017年石墨烯在新能源和電子信息領域的市場規(guī)模分別為40億和1億元。南京百杰騰物聯(lián)科技有限公司利用石墨烯體系導電油墨的特性，做出防偽、防撕、無法重復使用的RFID標簽，在文件安全、食品安全、各種防偽管理應用上開創(chuàng)了有別于金屬刻蝕標簽的新應用，為物聯(lián)網(wǎng)等各種應用場景所需天線提供了整體系統(tǒng)方案。超威電源將石墨烯鉛基合金首次應用于鉛酸蓄電池的正極板柵，成功生產(chǎn)出新型耐高低溫高能量黑金石墨烯電池，使用壽命提高了90%以上，截至2017年底該電池累計銷售量突破2000萬只，銷售額達30億元。

區(qū)域集聚初步成形

得益于政策的支持和石墨烯極為廣闊的應用范圍與前景。中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出多點開花，集聚初現(xiàn)的特點。東部沿海地區(qū)起步早，政策支持力度大，產(chǎn)業(yè)化進程領先其他地區(qū)，據(jù)CGIA Research統(tǒng)計，東部沿海地區(qū)集中了70%以上的企業(yè)，集聚效應初步顯現(xiàn)。隨著石墨烯上下游產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成形，產(chǎn)品標準和技術規(guī)范逐步完善，現(xiàn)在初步形成三個集聚區(qū)，包括長三角石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，珠三角石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和山東石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展整體呈現(xiàn)出良好的應用前景，未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢將更偏向石墨烯綠色、高質(zhì)量、規(guī)模化制備，多級次多功能組裝集成，未來產(chǎn)業(yè)資源將進一步整合，應用在新能源、生物醫(yī)藥、電子信息、航空航天等領域繼續(xù)深化。