我國石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與發(fā)展態(tài)勢

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(shù)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(dǎo)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(guān)注的新型材料，其用途非常廣泛，在半導(dǎo)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(lǐng)域和新興領(lǐng)域都將帶來革命性的技術(shù)進步。隨著石墨烯應(yīng)用在新領(lǐng)域內(nèi)不斷開發(fā)，其應(yīng)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(guān)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(guān)政策的實施對推動技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用市場遍地開花，石墨烯技術(shù)逐步“走近生活”;國家層面的政策引導(dǎo)、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(dǎo)，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(guān)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(guān)企業(yè)近年來對石墨烯相關(guān)技術(shù)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(shù)方向主要集中在：以石墨為原料制備石墨烯的技術(shù)及工藝;石墨烯在儲能、涂料、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用：CVD制備石墨烯及其轉(zhuǎn)移技術(shù)。

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(shù)及在復(fù)合材料、超級電容器等領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)電導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(guān)企業(yè)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，近年來石墨烯相關(guān)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(guān)企業(yè)數(shù)量仍在迅速增長。目前涉及石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)的上市公司總數(shù)有 58 家，其中主營業(yè)務(wù)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(guān)研發(fā)、設(shè)備、制備、銷售、應(yīng)用、投資、檢測、技術(shù)服務(wù)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(wù)的企業(yè)約2600多家。其中從事技術(shù)服務(wù)、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(guān)研究的研發(fā)機構(gòu)有217家，設(shè)備和制備的企業(yè)(機構(gòu))有340家，下游應(yīng)用方向的企業(yè)數(shù)量為623家。

應(yīng)用市場不斷拓展

近年，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用取得了一定進展，上下游產(chǎn)業(yè)鏈已初步打通、下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，產(chǎn)品標準和技術(shù)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(lǐng)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(fù)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(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域市場規(guī)模占比如圖 4 所示。

石墨烯在下游市場的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(dǎo)方式而受到研究者的關(guān)注。將石墨烯應(yīng)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(fù)合正負極材料、鋰電池正負極材料的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高強度等優(yōu)點，在導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域來看，大健康領(lǐng)域是石墨烯產(chǎn)業(yè)化最早的領(lǐng)域之一，2017年石墨烯在大健康領(lǐng)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(shù)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(shè)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(dǎo)出去，也會使電子元件的工作溫度急劇升高。這不僅影響設(shè)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(dǎo)熱性能的界面導(dǎo)熱材料。單層石墨烯的導(dǎo)熱率可高達5300W/mK，當層數(shù)增加到2 - 4層，熱導(dǎo)率降低到2800W/mK-1300 W/mK，但依舊遠高于銅(Cu)的熱導(dǎo)率(398 W/mK)，是導(dǎo)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(dǎo)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(shù)工藝在RFID(射頻識別技術(shù))應(yīng)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(dǎo)電性，使得天線底材漿受限制，而傳統(tǒng)碳漿導(dǎo)電性未達天線應(yīng)用的電阻要求。且銀漿天線的制程繁瑣、價格昂貴，其導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電性等眾多優(yōu)異性能，使其在環(huán)保領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景及巨大的潛在市場價值。石墨烯在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域主要應(yīng)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(yīng)用于家用取暖、中醫(yī)理療、醫(yī)療加熱、溫度管理等領(lǐng)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(yīng)用價值的新型材料。石墨烯與多糖等物質(zhì)合成的復(fù)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(lǐng)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(lǐng)域的潛在應(yīng)用主要集中在橡膠、塑料、防腐涂料以及潤滑油、潤滑脂等領(lǐng)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(fù)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(dǎo)電性、導(dǎo)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(yīng)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(chǔ)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(fù)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(fù)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(fù)合材料，由于石墨烯具有高強度、高導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)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(fù)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(lǐng)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(yīng)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(fù)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(yīng)用主要是在新能源、電子信息、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，充分發(fā)揮石墨烯高導(dǎo)電、高導(dǎo)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(lǐng)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(dǎo)電油墨的特性，做出防偽、防撕、無法重復(fù)使用的RFID標簽，在文件安全、食品安全、各種防偽管理應(yīng)用上開創(chuàng)了有別于金屬刻蝕標簽的新應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)等各種應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(lǐng)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(yīng)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(shù)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(yīng)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)?；苽洌嗉壌味喙δ芙M裝集成，未來產(chǎn)業(yè)資源將進一步整合，應(yīng)用在新能源、生物醫(yī)藥、電子信息、航空航天等領(lǐng)域繼續(xù)深化。