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專題 | 我國石墨烯產業發展現狀及未來展望

2017-06-27 15:31:33 作者：王元來源：《腐蝕防護之友》分享至：

石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004 年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從石墨中剝離出了石墨烯，打破了理論物理學界半個世紀以來關于石墨烯無法穩定存在的結論。我國石墨烯產業發展現狀及未來情況如何呢？

政策助力產業化步伐悄然加速

1、國家大力支持的新興產業

石墨烯各方面優異的特性顯示出巨大的應用潛力與商業化價值，各國政府先后發布政策投入人力物力，開展石墨烯的應用與研發。

我國對石墨烯領域的研究與開發也較早就給予了關注。2007-2012 年，中國國家自然科學基金委員會對石墨烯項目累計資助經費達到 3.30 億元，科技部和中國科學院對石墨烯的累計資助經費分別達到了 5915 萬元和 4605萬元。十二五規劃、十三五規劃等一系列文件都將石墨烯納入大力發展的新材料領域。

2、石墨烯專利持有我國獨占鰲頭

在國家戰略指引下，石墨烯相關研發成果呈現出爆發式增長，2005 年至2014 年，全球關于石墨烯的專利共有25855 項，其中 2014 年有超過 9000 項申請。我國對石墨烯的研究和開發與國際一直保持同步，并在石墨烯技術研發方面處于國際前列，石墨烯研發和專利持有已在全球占據一席之地，截至 2014年，我國石墨烯申請專利占全球總專利數的 47%，遙遙領先于第二名的美國（占比 18%）。此外，截止到 2015 年 8月，中國在石墨烯領域發表文章占全球的 34%，遠高于第二名美國（19%）。

但同時也應看到，我國的石墨烯專利數量雖多但質量較差，基礎專利少、應用專利多，且大多集中在導電添加劑、防腐涂料等低端應用領域，而美國、歐洲等則將主要目標瞄準高頻晶體管、光電探測器以及傳感器等高端應用領域。

3、產業化進入快車道

產業化方面，2013 年包括華為、東旭光電在內的主流企業與清華大學等科研機構共同建立了“中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟”（CGIA），以構建產學研一體化平臺，共同推動石墨烯的產業化發展。在地方政府的支持下，寧波、常州、無錫、青島、重慶五地設立石墨烯產業園區，集中發展石墨烯產業，無錫市計劃在 2015 年石墨烯及相關產業規模突破50億元，2020年達到300億元。

寧波市計劃在三年內設立 9000 萬的財政資金，并在 10 年內打造千億級規模的產業特色群。此外，江蘇、內蒙古、山東等地相繼成立石墨烯聯盟，旨在促進政、企、產、學、研相結合，構建以石墨烯原材料、研發、制備、應用為主體的產業鏈。各方的共同推動使我國石墨烯產業化進程進入快車道，石墨烯產業呈現出蓬勃發展的勢頭，第六元素、寧波墨西、重慶墨希、二維碳素等優秀石墨烯企業不斷涌現。

石墨烯專利繁華的背后

現階段石墨烯制備仍處于實驗室階段，實現石墨烯的工業化生產一直是業界的一個難題，這是造成石墨烯成本高的直接原因。雖然有企業表示實現了石墨烯量產，但其品質不穩定性仍成為制約石墨烯下游產品發展的重要原因。石墨烯專利量高質低，“高端坑”占得少。專利總是先于市場，石墨烯也不例外，石墨烯的產品現在雖然不算多，但是關于石墨烯的專利市場已經是熱鬧非凡了。我國的石墨烯申請量居世界第一，從數量上，已遠超歐美發達國家。然而，市場對于我國石墨烯產品的反饋并不理想。這種產品與專利的不匹配性因何而來？

經過對我國石墨烯專利的進一步分析，并結合業內專家的意見，可以發現，我國石墨烯專利存在以下諸多問題：

一是重視數量，忽視質量。我國石墨烯專利數量龐大，說明大家已經開始重視保護自主知識產權，懂得讓自己的技術提前在專利市場中“占坑”。但對專利質量的忽視，使得專利技術成果的轉換大打折扣，也降低了技術應用中可能獲利的概率。經過幾年的積累，我國在石墨烯領域占的“坑”不少，但是由于忽視質量，“坑”占得很雞肋。

二是基礎專利少。石墨烯相關專利，從宏觀上來看可以分為基礎專利和應用專利。基礎專利是涉及石墨烯原材料（石墨烯/氧化石墨烯粉體、石墨烯薄膜等）及其制備工藝的專利，這也是石墨烯核心技術分布區域，占據石墨烯相關產業鏈的上游。應用專利是涉及石墨烯應用的專利，如基于石墨烯材料的電池、芯片等，此部分技術入門門檻相對較低，市場廣，附加值也較高。基礎專利少，并非是指數量少，而是指能夠應用于市場、用于制約競爭對手的專利較少，即真正達到高質量保護效果的基礎專利少。基礎專利關乎原材料技術，位于石墨烯產業鏈的最頂端，誰在基礎專利上獲得有利地位，誰就擁有了權威話語權，更需要研究者利用專利布局占“坑”，搶占市場制高點。

三是技術研發，專利先行。雖然石墨烯專利數量上風光無限，卻大部分集中在下游應用產品上，且下游應用產品的開發受制于石墨烯的原材料量產技術，而量產技術的專利國人持有比例偏低，能真正做到實質保護技術和產品的專利更是少之又少。希望更多的石墨烯量產技術能得到有效保護，使國人在新型材料領域占有更多的話語權。

低端領域現已切入高端領域未來可期

1、制備：石墨烯粉體及多晶薄膜已初具規模，單晶薄膜有待突破

自 2004 年石墨烯被首次制備以來，研究人員發展了多種方法制備石墨烯，各類制備方法可歸納為 2 個主流路線，即自上而下（Top-Down）和自下而上（Down-Top）的方法。前者通常以石墨為原料，采用物理或化學的方法將石墨解離成單層或多層的石墨烯，制成的石墨烯單晶一般尺寸較小，以微片形式存在。包括機械剝離法、液相剝離法、氧化還原法等。后者通常以含碳氣體或固體化合物為原料，通過化學方法利用碳原子構建石墨烯。除此之外，還有一些比較另類的生產方法如碳納米管展開法、分子自組裝法等。目前，高質量大面積石墨烯單晶的制備還處于探索階段，不同制備方法得到的石墨烯，其物理化學特性不一樣，對應著不同的應用領域。

2、我國石墨烯制備的產業化現狀

低端領域生產已經初具規模。目前，國內部分廠家如第六元素、寧波墨西、重慶墨希、二維碳素等廠家已經實現了氧化還原法或液相剝離法石墨烯粉體以及 CVD 法石墨烯薄膜的規模化生產。根據不完全統計，目前我國石墨烯粉體產能共計 3450 噸 / 年，石墨烯薄膜產能105 萬平米 / 年，但目前生產的石墨烯質量較差，僅能滿足涂料、鋰電池添加劑、復合材料添加劑、觸摸屏等低端領域的需求。

高端領域生產短期內較難突破。高速電子器件、光電探測器等高端領域需要大面積高質量的石墨烯單晶，與普通多晶態石墨烯薄膜相比，單晶石墨烯薄膜制備異常困難，目前只能做到毫米級大小，與可實用化的晶圓級大小仍有相當距離，短期內較難突破，化學氣相沉積法是最具開發潛力的制備技術。

3、應用：低端需求逐步打開，高端領域受制于高質量石墨烯的制備

隨著批量化生產以及大尺寸薄膜制備等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，目前鋰離子正極材料導電添加劑、導熱材料、塑料添加劑、導電油墨等低端應用領域即將進入或已經實現產業化。我國石墨烯產業正逐漸由產業化初期步入快速成長期。

4、石墨烯下游應用產業化現狀

低端需求初步打開。受制于石墨烯的規模化制備，目前僅導電墨水、鋰電池添加劑、涂料及復合材料添加劑、觸摸屏等低端應用領域的需求初步打開。

（1）鋰電池方面應用

石墨烯作為導電添加劑還可以解決鈷酸鋰等正極材料高壓實比與電池性能之間的矛盾問題，采用石墨烯導電劑的鈷酸鋰電池容量高出 3%，且具有明顯更好的 2C 倍率放電性能。石墨烯還可涂覆在鋁箔集流體上，形成石墨烯功能涂層鋁箔有助于進一步提升鋰電池的綜合性能。隨著寧波墨西科技有限公司石墨烯涂層鋁箔試生產線的建成，此項新技術有望在鋰離子電池中得到廣泛應用。值得一提的是，作為添加劑，石墨烯僅僅增強了正極材料的導電性，并沒有改變電極材料的比容量，因而不會大幅增加鋰電池的能量密度。要想大幅增加鋰電池能量密度，需選取具有更高比容量的電極材料。目前，多篇已發表論文稱利用石墨烯-硫或石墨烯-硅作為鋰電池的正負極可大大增加鋰電池的能量密度，但此類電池目前還處于實驗室階段，距離產業化應用還需較長時間。

（2）石墨烯導熱材料

石墨烯具有極高的熱導率和熱輻射系數，同時比表面積巨大，因此作為輔助散熱的表面涂層具有巨大的應用前景。利用石墨烯可制成具有高導熱系數的石墨烯散熱片 / 膜，應用于手機、電腦等電子產品以及高功率 LED 芯片中，以增強器件性能，延長其工作壽命。此外，作為添加劑還可利用石墨烯制成石墨烯改性的復合材料，如熱導纖維和導熱塑料等。該技術領域市場巨大，在我國的電子和工程領域有迫切的市場需求，技術難度小、工藝相對成熟，有快速進入市場的機會。

（3）石墨烯導電塑料和油墨

石墨烯可作為新型導電油墨和塑料的主填充料，也可與納米銀粉等混合配制成新型導電漿料或油墨，通過改變石墨烯的填充比例，可調節導電油墨的電阻率和附著性能。美國 Vorbek 材料公司的石墨烯導電油墨已經在物聯網隱形條形碼技術中開始應用。我國物聯網市場巨大，前景誘人，以添加石墨烯為主的導電塑料可以在防靜電應用領域得到大力推廣，工藝簡便、成本低廉、效果明顯。

（4）石墨烯防腐涂料

石墨烯獨特的二維結構使得它既可以在涂層中構建導電導熱通道，又可以互相拼接形成嚴密的迷宮式物理屏障，隔絕腐蝕因子。因此，石墨烯涂料具有導電、導熱、防腐、電磁屏蔽等多種功能。另外，石墨烯微片可以增強涂層的附著力，使涂層具有優良的耐磨和耐刮擦性能。因此，石墨烯涂料在飛機、船舶、車輛、橋梁、建筑物、集裝箱、油罐、等領域具有應用前景。

（5）石墨烯電容屏

石墨烯薄膜最先實現商業化應用的領域是觸摸屏領域，用于替代傳統的ITO（氧化銦錫）薄膜。2012 年 1 月 8 日，江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技公司聯合相關企業通過研究實現了石墨烯薄膜材料和現有 ITO 模組工藝線的對接，全球首次成功制成石墨烯電容屏手機樣機。2015 年 3 月 2 日，重慶墨希科技有限公司與嘉樂派科技有限公司聯合發布了全球首批 3 萬部石墨烯手機，該款手機采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜，開啟了石墨烯產業化應用的新時代。

未來市場規模巨大

未來 5-10 年，導電添加劑、防腐涂料、觸摸屏等低端應用領域的產業化將趨于成熟，超級電容、傳感器、電子芯片等中高端領域也將逐漸進入產業化，石墨烯產業將進入快速成長期，市場空間將快速擴大。

據預測，2018 年全球石墨烯市場規模可能高達 1.95 億美元，之后將加速發展，于 2023 年超過 13 億美元，復合增長率高達 47%。2023 年石墨烯下游主要市場領域包括超級電容、顯示、結構材料等。

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