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中国石墨烯产业研究报告2015
石墨烯 石墨烯产业 报告 2015        2016-12-25

摘要
      石墨烯的厚度仅有0.34nm,但却拥有很多人们意想不到的优异性能。
      石墨烯的出现,有望在构造材料、电子器件功能性材料等诸多领域引发材料革命。由于其具有许多特殊性质,有日本的研究人员惊呼石墨烯是“神仙创造”的材料。许多学者称石墨烯为“改变21世纪的材料”,并预测“21世纪将是碳(C)的时代”。相比于现有材料,石墨烯拥有众多“史上最强”性能。
      石墨烯产业化已经开启,但要真正实现产业化的规模化放量生产,还需突破石墨烯产业链中的四大瓶颈。
      瓶颈一:大面积高质量石墨烯薄膜、高纯度石墨烯粉体的生产方法尚不成熟。目前,个别企业已经实现了一定数量的手机石墨烯触摸屏生产,但良率还不高。用于大型LCD、OLED的大面积透明导电膜的品质更不能保证。相对于目前采用的多晶薄膜,单晶生长制备的石墨烯薄膜质量更高,但目前单晶薄膜制法研究还处于实验室阶段,因而要实现更稳定更大面积的石墨烯制备尚需时日。石墨烯粉体产品的纯度也有待提高,超声、爆炸等粉体制备方法还需改进。
     瓶颈二:在石墨烯薄膜产业链上,转移仍是一大问题。当在生长基底上生长出石墨烯后,完美的转移到pet、玻璃等产品基底还很难,导致该步的成本较高,制约了石墨烯薄膜的进一步产业化应用。
     瓶颈三:石墨烯带隙问题,透明导电膜良率问题,添加、改性、催化等实际性能与理论差异问题。石墨烯的一大应用领域是替代硅,制作新一代的晶体管或集成电路,然而零带隙使得石墨烯晶体管不能实现电流开关的逻辑运算,虽然研究中已经实现了打开带隙,但真正解决预测至少还需10年的时间。石墨烯粉体由于自身纯度问题对其他材料的改性导致的导热、导电的性能提升并没有显著优势。而石墨烯与金属材料的接触点电阻过高的问题也没有解决,直接制约了石墨烯在锂电池、复合导电材料方面的产业化进程。
     瓶颈四:下游蓝海未全面打开,石墨烯替代已成熟产品陷入苦战。目前除小部分石墨烯产品有一定的实际应用市场外,其他更多更大的应用领域并未打开,一些石墨烯生产厂商生产的石墨烯仅供给到科研院校、企业研究院等用于石墨烯研究。下游需求的不明确和疲软影响了石墨烯的产业化发展。石墨烯目前替代已成熟产品也比较困难。比如,石墨烯替代ITO这样的成熟产品,在良率上没有保证,成本上也处于劣势。
     石墨烯制法:产业化进一步发展的关键。能否突破石墨烯的制法瓶颈对石墨烯整个产业化发展最为关键,石墨烯的制法处于石墨烯产业链的中端,是整合上下游产业链的关键。石墨烯的制法决定了石墨烯能否将自身的完美优点发挥出来,也决定了石墨烯产业化能否最终实现突破,创造一个市值达万亿级的新兴产业。
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)
 
     目前主要国家和地区将石墨烯研究提升至战略高度。美国、欧盟、英国、韩国等都积极投入到石墨烯研发和产业化应用中,力图在石墨烯带来的产业化创新浪潮中争取技术制高点,占据先发优势。2011年英国将石墨烯确定为今后重点发展的四项新兴技术之一,英国石墨烯国家实验室将于2015年建成。2013年,韩国产业通商资源部宣布,将整合韩国国内研究机构与企业力量推进石墨烯商业化发展,在国内形成石墨烯联盟。2013年1月,欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一,十年提供10亿欧元资助,将石墨烯研究提升至战略高度。
目前我国有关石墨烯专利和相关的研究文章居世界首位,而新材料十二五规划为石墨烯产业未来发展的大方向指明了相应的思路。
     工信部在2012年发布新材料十二五规划,规划中重点提到了石墨烯据悉我国石墨矿储量占世界总储量的75%,生产量占世界总产量的72%,若是未来通过是我国少有的几种具有国际竞争优势的矿产之一。
我国的相关科研单位如中科院、中国电科及部分高等院校也积极开展了石墨烯的研究,包括石墨烯的理论研究、材料制备、测试以及器件制作等。目前中国首个纯石墨烯粉末产品于2013年4月发布,大大提高各类电子产品的散热性能,也为石墨烯实现规模化应用打响了第一枪。中科院重庆研究院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,并成功转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,制备出7英寸石墨烯触摸屏。
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)
 
      中国石墨烯研究迎头赶上:
      我国的相关科研单位如中科院、中国电科及部分高等院校也积极开展了石墨烯的研究,包括石墨烯的理论研究、材料制备、测试以及器件制作等。目前中国首个纯石墨烯粉末产品于2013年4月发布,大大提高各类电子产品的散热性能,也为石墨烯实现规模化应用打响了第一枪。中科院重庆研究院已经成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯,并成功转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,制备出7英寸石墨烯触摸屏。
      1、层出不穷的制备方法及更强的性能。虽然我国对于石墨烯的研究起步较晚,但是发展迅猛。不仅在制备方法上取得突破,所制备的石墨烯性能更是远超普通石墨烯。中科院物理研究所王恩哥等采用剥离-再嵌入-扩张的方法成功地制备了高质量石墨烯。电学测量表明,所制备的石墨烯在室温和低温下都具有高的电导,比通常用还原氧化石墨方法获得的石墨烯的电导高2个数量级。中国科学院化学所的研究人员探索了一种以图案化的金属层作为催化剂制备图案化石墨烯的方法,并成功地将其应用于有机场效应晶体管。研究结果表明,石墨烯是一种性能优异的有机场效应晶体管电极材料。低的载流子注入势垒和良好的电极半导体接触是器件具有高性能的主要原因。还有像有机固体院重点实验室、山东大学等实验室都对我国石墨烯的研究发展起到了至关重要的作用。
      2、降低制备成本是核心。为了使石墨烯能实现工业制备,并应用于实际,降低制备成本是必须解决的核心问题。中科院宁波材料所刘兆平研究团队经过三年多的努力,终于在石墨烯规模化制备技术方面取得了突破性进展,发展了一种全新剥离技术路线,实现了石墨烯的低成本规模化制备,将石墨烯的制造成本从每克5000元降至每克3元。该技术拥有完全的自主知识产权,突破了石墨烯的低成本规模化制备技术并经中试验证。且生产出的石墨烯产品质量高、导电性优异,成本低廉,具有很强的市场竞争力。
随着技术的进步使得成本大幅下降。随着石墨烯宏量制备技术的逐渐成熟,其市场价格也在跟随成本稳定下降。目前第六元素的石墨烯粉末的售价为100-300万元/吨,仅为2011年市场平均售价1000万元/吨的十分之一!
      3、我国在石墨烯的研发制备方面将在全球具有很强的竞争力。据国土资源部统计资料,中国晶质石墨储量3085万吨,基础储量5280万吨;隐晶质石墨储量1358万吨,基础储量2371万吨,中国石墨储量占世界的 70%以上。因此我国在对石墨烯的研制上有着天然的优势,加之国内公司不断的改革创新,中国在石墨烯研究领域申请的专利项占全球总数的50%以上。
      4、相比国外还是略有差距。虽然在石墨烯的研究方面也取得了一定的成绩,但是目前国内石墨烯及器件技术同国外,特别是同美国相比有较大差距。
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)
 
     我国石墨烯的产业化分为四个阶段:第一阶段为实验室研究阶段(04-13年);第二阶段为低端石墨烯产业化阶段(13-15年),主要表现为锂电池导电添加剂、涂料、导热膜等产品的利用;第三阶段为产业化快速成长阶段(15-20年),下游需求迅速打开,石墨烯在超级电容、触摸屏、电子器件(如太阳能电池、触摸屏)等领域有所应用;第四阶段为石墨烯产业化成熟阶段(21年之后),石墨烯的独特性能有望得到发挥,在太赫兹检测、传感器等领域的应用打开。
 
      由于石墨烯的巨大的潜力,全球各类顶尖科研机构和企业都积极投入到石墨烯的研发和产业化中。从目前已经公布的消息来看,韩国、日本和中国在石墨烯的应用和产业化方面走在世界的前面。
      但总体而言,目前市面上还缺乏相关产品的销售,特别是石墨烯的薄膜的相关应用产品。石墨烯离真正的产业化尚有一定距离。
      石墨烯产业化正处在发展初期,有待进一步突破。石墨烯研究日新月异,产业化迅速发展。但要真正实现产业化的规模生产,还需在石墨烯制备技术、转移技术、打通下游应用和拓展下游市场上取得突破。
我们看好石墨烯未来在各个领域的广泛应用前景,进军石墨烯产业并进行相关研制及布局的公司拥有竞争机会,植入完整石墨烯产业链的烯碳新材企业具有竞争优势。
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)
 
      石墨烯产业应用初期,投资具有高风险:
      1、从产品的生命周期看,石墨烯产品目前仍属于技术概念期,这其中又分为3个小阶段,第一,概念形成阶段,从2004年发现石墨烯,到2010年石墨烯发现获得诺贝尔物理奖;第二,产品研发阶段,我认为2014年是石墨烯产品元年;第三,产业阶段,当石墨烯入选十三五规划,将进入产业发展阶段。
      2、在石墨烯处于技术概念期,大的资金不愿意介入,银行肯定不会投,VC、PE也只是想“吃最后一口”,初级阶段决定了石墨烯投资的高风险性。
      3、银基烯碳新材希望通过成立伞形基金的形式,作为石墨烯产业的种子基金和投资平台,通过对优质石墨烯研发项目的投入,促进整个石墨烯行业的发展。
      4、生产技术仍未突破;
      5、下游大规模应用尚需时日;
      6、石墨烯生产和应用成本仍然较高。
 
      北京经纬万方信息咨询有限公司推出的《中国石墨烯产业研究报告》正是针对上述产业技术、生产与市场特征分析,是石墨烯投资及科研等相关人员了解业内发展动态、把握企业定位和决策投资发展方向有意义的参考资料。
凡未有注明出处的均为我公司北京经纬万方信息咨询有限公司内部资料。
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)
 
报告目录
第一章 石墨烯材料概述 12
第一节 量子反常霍尔效应的理想载体:石墨烯 12
1.1.1 量子反常霍尔效应原理 12
1.1.2 量子反常霍尔效应革命性的优势:无需外加磁场 12
1.1.3 微电子产业的发展契机 13
1.1.4 石墨烯量子反常霍尔效应的理想载体 15
第二节 极具前景的新型材料:石墨烯独特的结构及性能 16
1.2.1 石墨烯拥有极为优良的物理特性 17
1.2.2 石墨烯优异的性能 19
第三节 石墨烯的制备方法:液相氧化还原法法和气相化学沉积法为主流方法 24
1.3.1 固相法:均不宜大规模生产 25
1.3.2 液相法:大部分可以大规模生产 26
1.3.3 气相法:大部分可快速生产 27
第二章 石墨烯基础科研现状:石墨烯产业化处于发展初期阶段 31
第一节 石墨烯基础科研现状 31
2.1.1 石墨烯科研发展历史:很年轻的材料 31
2.1.2 专利分布 33
2.1.3 研究机构分布 36
2.1.4 研究领域分布 37
2.1.5 最新研究成果 40
第二节 石墨烯产业化处于发展初期阶段 41
2.2.1 产业化处在发展初期,有待进一步突破 41
2.2.2 石墨烯产业化处在发展初期,放量还需突破几大瓶颈 45
第三章 国内外石墨烯产业发展情况 47
第一节 国外石墨烯产业发展情况 47
3.1.1 全球积极布局石墨烯研究和产业化 47
3.1.2 当前各国石墨烯技术开发格局及进程 49
3.1.3 几大顶尖公司引领石墨烯产业化发展 53
第二节 我国石墨烯研究进展情况:迎头赶上,极具竞争力 56
3.2.1 我国石墨烯科研现状 57
3.2.2 我国石墨烯研究正处于从实验室向产业化过渡的阶段 60
3.2.3 产业化尚以氧化还原法制备的石墨烯粉体和浆料为主 65
3.2.4 上游影响:石墨资源并不稀缺,石墨矿影响有限 70
3.2.5 下游影响:材料制备企业技术突破利好器件加工商 72
第三节 石墨烯产业化前景:产业化时间因“用”而异 73
3.3.1 石墨烯产业化蓝图及发展障碍 73
3.3.2 石墨烯产业化前景 76
第四章 石墨烯产业应用前景广阔 80
第一节 综述:石墨烯潜在应用领域众多,产业化步伐值得期待 80
第二节 石墨烯在应用发展比较清晰几个具体领域 84
4.2.1 涂料和复合材料应用:方向明确,潜在市场空间数百亿 84
4.2.2 电子材料领域: 85
4.2.3 能源领域: 97
4.2.4 散热材料领域:石墨烯最具现实可行性的应用 106
4.2.5 生物医学领域: 113
4.2.6 环保领域: 116
4.2.7 石墨烯其他应用领域概述 118
第五章 石墨烯产业机会与风险分析 126
第一节 机会分析 126
第二节 风险提示 128
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)
 
图表目录
表1-1 摩尔定律瓶颈的器件物理限制原因分析 16
表1-2 石墨烯的超强性能以及一些独特性质介绍 22
表1-3 不同固体材料的杨氏模量约值 23
表1-4 利用石墨烯或碳纳米管(CNT)试制的透明导电膜比较 23
表1-5 室温下材料的载流子迁移率对比 24
表1-6 常见导电材料电阻率对比(20℃) 24
表1-7 不同物质的热导率对比(室温) 25
表1-8 一些材料的比表面积对比 25
表1-9 石墨烯的其他性能 26
表1-10 三种转移手段的原理和比较 30
表1-11 各类石墨烯制备方法指标比较 32
表2-1 国外石墨烯研究进展 33
表2-2 石墨烯科研发展史 34
表2-3 全球石墨烯专利申请数量排名 38
表2-4 2013年以来石墨烯专利申请领域 39
表2-5 2013-2014年来石墨烯研究取得的最新成果 42
表2-6 中国石墨烯第1号标准发布的石墨烯相关术语和定义 44
表2-7 石墨烯材料按实际应用形式分类 44
表3-1 海外国家开展石墨烯相关的研发项目与资助情况 50
表3-2 主导石墨烯研发各国家申请石墨烯专利数量 53
表3-3 石墨烯相关专利的热点研究方向 54
表3-4 新材料发展六大重点领域 59
表3-5 我国石墨烯工艺及器件与国际差异要点提炼 61
表3-6 技术生命周期主要阶段分类 62
表3-7 当前石墨烯产业化难点 63
表3-8 国内主要石墨烯生产企业和研究单位 64
表3-9 石墨烯在触摸屏领域主要进展 65
表3-10 全球电子设备触摸屏总面积(万平米) 67
表3-11 我国各省市针对石墨烯的产业发展 69
表3-12 国内部分已具备产能的企业 70
表3-13 气相沉积法与液相氧化还原法的制备方法、原料、成本比较 71
表3-14 全球主要石墨烯制备企业 71
表3-15 石墨全球产量及储量(万吨) 74
表3-16 全球主要石墨烯器件加工商 75
表3-17 石墨烯产业化时间表 79
表3-18 国内外对石墨烯的扶持政策对比 80
表3-19 市场对于石墨烯产业政策的预期强烈 81
表4-1 石墨烯下游应用综合评价 83
表4-2 2014-2018年石墨烯市场规模预测 83
表4-3 石墨烯应用概述 84
表4-4 复合材料领域用石墨烯需求预测 86
表4-5 防腐涂料领域用石墨烯需求预测 87
表4-6 触摸屏用石墨烯需求预测 90
表4-7 利用石墨烯或CNT试制的透明导电膜 94
表4-8 各材料载流子迁移率比较:石墨烯优良的载流子迁移率 95
表4-9 石墨烯导电添加剂可以有效降低锂电池内阻导电剂 99
表4-10 2013年中国负极材料细分产品产量占比 100
表4-11 各锂电池负极材料理论比容量 101
表4-12 锂电池领域用石墨烯需求预测 102
表4-13 超级电容器与电池相关指标比较(不包含实验室数据) 104
表4-14 超级电容器与传统电池参数比较 105
表4-15 超级电容用石墨烯需求预测 (亿元) 107
表4-16 各物质热导率数据比较 109
表4-17 石墨烯导热薄膜主要应用领域 109
表4-18 石墨散热片性能优势介绍 110
表4-19 消费电子用散热材料需求空间估算 112
表4-20 石墨烯市场规模预测(单位:亿元) 112
表4-21 SKC石墨烯高导热塑料与传统散热铝材比较 114
表4-22 纳米传感器分类 121
表4-23 基于石墨烯的气体传感器概况 121
表4-24 石墨烯电极未来的应用领域 125
表4-25 石墨烯在导电油墨领域主要进展 127
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)
 
图1-1 石墨烯可折叠成零维的富勒烯(左),卷曲成一维的碳纳米管(中)和堆垛成三维的石墨(右) 20
图2-1 2000-2012年全球石墨烯专利申请量 35
图2-2 2013年来全球石墨烯有关专利申请量国别分布 36
图2-3 2013年来全球石墨烯有关论文国别分布 37
图2-4 全球石墨烯应用专利不同方向数量统计(截至2012年底) 38
图2-5 2013年全球石墨烯主要研究机构的研究领域分布图示 41
图2-6 石墨烯材料不同类型主要应用的领域及各自产业化进度 45
图2-7 石墨烯专利技术生命周期图 46
图2-8 石墨烯产业链示意图 48
图3-1 主要国家、地区石墨烯主要研究进展 49
图3-2 英国、欧盟、韩国及我国石墨烯相关重大支持政策 52
图3-3 美国有关石墨烯重大支持政策 53
图3-4 三星石墨烯专利申请数大幅领先其他公司或机构(截至2013年) 55
图3-5 三星石墨烯研发、产业化进展 56
图3-6 IBM石墨烯晶体管运行速度不断创新高 57
图3-7 石墨烯粉末的市场价格正在快速下降 单价:美元/千克 61
图3-8 石墨烯触摸屏比之传统的液晶屏优势 65
图3-9 中国石墨烯产业发展大事记 68
图3-10 中国石墨储量分布 73
图3-11 世界石墨储量分布 73
图3-12 上游技术的突破将会利好器件加工商 74
图3-13 欧盟提出的石墨烯开发蓝图:石墨烯商业化时间预测表 76
图3-14 石墨烯成本下降将依靠生产工艺的改良和规模效应的发挥 78
图3-15 石墨烯技术价值链示意图 79
图4-1 石墨烯产业化步伐进展示意图 82
图4-2 石墨烯触摸屏触控原理 89
图4-3 石墨烯触摸屏方块电阻也在快速下降 单位:Ω 90
图4-4 透明导电膜的主要应用 92
图4-5 OLED结构(其中ITO透明电极用于阳极) 92
图4-6 透明性与导电性之间的关系:石墨烯性质优于ITO 93
图4-7 现有ITO透明导电膜面临的问题 94
图4-8 石墨烯能带构造因形状和层数而异 96
图4-9 普通电容器和ECDL超级电容器结构对比 103
图4-10 石墨烯电极材料示意图 104
图4-11 超薄平面石墨烯超级电容器结构 105
图4-12 石墨烯使超级电容器能量密度大幅上升 106
图4-13 导热硅胶片在手机散热中的作用 108
图4-14 消费电子用散热材料需求量(百万片) 111
图4-15 LED寿命示意图 113
图4-16 全球LED照明需求持续增长 115
图4-17 中国LED照明需求快速增长 115
图4-18 石墨烯电极未来应用领域图示 124
图4-19 电磁波按频率划分情况 126
图4-20 石墨烯在导电油墨和印刷电子领域的应用 126
(本报告由经纬万方提供 联系电话:010-51920018)

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