中國石墨烯發(fā)展狀況盤點，專利領(lǐng)先全球

　　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(xué)科學(xué)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(xué)界半個世紀以來關(guān)于石墨烯無法穩(wěn)定存在的結(jié)論。

　　石墨烯獨特的電學(xué)性能、力學(xué)性能、熱性能、光學(xué)性能和較高的比表面積，使其一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便受到人們的廣泛關(guān)注，被譽為“黑金”、“改變 21 世紀的神奇材料”、“萬能材料”等，它的發(fā)現(xiàn)者也因此于 2010 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

　　政策助力，產(chǎn)業(yè)化步伐悄然加速

　　1、國家大力支持的新興產(chǎn)業(yè)

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

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

　　2、石墨烯專利持有我國獨占鰲頭

　　在國家戰(zhàn)略指引下，石墨烯相關(guān)研發(fā)成果呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，2005 年至 2014 年，全球關(guān)于石墨烯的專利共有 25，855 項，其中 2014 年有超過 9000 項申請。我國對石墨烯的研究和開發(fā)與國際一直保持同步，并在石墨烯技術(shù)研發(fā)方面處于國際前列，石墨烯研發(fā)和專利持有已在全球占據(jù)一席之地，截至 2014 年，我國石墨烯申請專利占全球總專利數(shù)的 47%，遙遙領(lǐng)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(lǐng)域發(fā)表文章占全球的 34%，遠高于第二名美國(19%)。但同時也應(yīng)看到，我國的石墨烯專利數(shù)量雖多但質(zhì)量較差，基礎(chǔ)專利少、應(yīng)用專利多，且大多集中在導(dǎo)電添加劑、防腐涂料等低端應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域。

　　3、產(chǎn)業(yè)化進入快車道

　　產(chǎn)業(yè)化方面，2013 年包括華為、東旭光電在內(nèi)的主流企業(yè)與清華大學(xué)等科研機構(gòu)共同建立了“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”(CGIA)，以構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研一體化平臺，共同推動石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在地方政府的支持下，寧波、常州、無錫、青島、重慶五地設(shè)立石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，集中發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，無錫市計劃在 2015 年石墨烯及相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破 50 億元，2020 年達到 300 億元。寧波市計劃在三年內(nèi)設(shè)立 9000 萬的財政資金，并在 10 年內(nèi)打造千億級規(guī)模的產(chǎn)業(yè)特色群。此外，江蘇、內(nèi)蒙古、山東等地相繼成立石墨烯聯(lián)盟，旨在促進政、企、產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合，構(gòu)建以石墨烯原材料、研發(fā)、制備、應(yīng)用為主體的產(chǎn)業(yè)鏈。各方的共同推動使我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程進入快車道，石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭，第六元素、寧波墨西、重慶墨希、二維碳素等優(yōu)秀石墨烯企業(yè)不斷涌現(xiàn)。

　　產(chǎn)業(yè)化大幕拉開——低端領(lǐng)域現(xiàn)已切入，高端領(lǐng)域未來可期

　　1、制備：石墨烯粉體及多晶薄膜已初具規(guī)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(fā)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(xué)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(xué)方法利用碳原子構(gòu)建石墨烯。除此之外，還有一些比較另類的生產(chǎn)方法如碳納米管展開法、分子自組裝法等。目前，高質(zhì)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(xué)特性不一樣，對應(yīng)著不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2、我國石墨烯制備的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

　　低端領(lǐng)域生產(chǎn)已經(jīng)初具規(guī)模。目前，國內(nèi)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(jīng)實現(xiàn)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(guī)?；a(chǎn)。根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國石墨烯粉體產(chǎn)能共計3450 噸/年，石墨烯薄膜產(chǎn)能 105 萬平米/年，但目前生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量較差，僅能滿足涂料、鋰電池添加劑、復(fù)合材料添加劑、觸摸屏等低端領(lǐng)域的需求。

　　高端領(lǐng)域生產(chǎn)短期內(nèi)較難突破。高速電子器件、光電探測器等高端領(lǐng)域需要大面積高質(zhì)量的石墨烯單晶，與普通多晶態(tài)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(nèi)較難突破，化學(xué)氣相沉積法是最具開發(fā)潛力的制備技術(shù)。

　　3、應(yīng)用：低端需求逐步打開，高端領(lǐng)域受制于高質(zhì)量石墨烯的制備

　　隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸薄膜制備等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，目前鋰離子正極材料導(dǎo)電添加劑、導(dǎo)熱材料、塑料添加劑、導(dǎo)電油墨等低端應(yīng)用領(lǐng)域即將進入或已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)正逐漸由產(chǎn)業(yè)化初期步入快速成長期。

　　4、石墨烯下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

　　低端需求初步打開。受制于石墨烯的規(guī)?；苽?，目前僅導(dǎo)電墨水、鋰電池添加劑、涂料及復(fù)合材料添加劑、觸摸屏等低端應(yīng)用領(lǐng)域的需求初步打開。

　　1)鋰電池方面應(yīng)用

　　石墨烯作為導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)線的建成，此項新技術(shù)有望在鋰離子電池中得到廣泛應(yīng)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(dǎo)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(fā)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(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還需較長時間。

　　2)石墨烯導(dǎo)熱材料

　　石墨烯具有極高的熱導(dǎo)率和熱輻射系數(shù)，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(yīng)用前景。利用石墨烯可制成具有高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨烯散熱片/膜，應(yīng)用于手機、電腦等電子產(chǎn)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(fù)合材料，如熱導(dǎo)纖維和導(dǎo)熱塑料等。該技術(shù)領(lǐng)域市場巨大，在我國的電子和工程領(lǐng)域有迫切的市場需求，技術(shù)難度小、工藝相對成熟，有快速進入市場的機會。

　　3)石墨烯導(dǎo)電塑料和油墨

　　石墨烯可作為新型導(dǎo)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(dǎo)電漿料或油墨，通過改變石墨烯的填充比例，可調(diào)節(jié)導(dǎo)電油墨的電阻率和附著性能。美國 Vorbek 材料公司的石墨烯導(dǎo)電油墨已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)隱形條形碼技術(shù)中開始應(yīng)用。我國物聯(lián)網(wǎng)市場巨大，前景誘人，以添加石墨烯為主的導(dǎo)電塑料可以在防靜電應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)使得它既可以在涂層中構(gòu)建導(dǎo)電導(dǎo)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(dǎo)電、導(dǎo)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(yōu)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(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

　　5 )石墨烯電容屏

　　石墨烯薄膜最先實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域是觸摸屏領(lǐng)域，用于替代傳統(tǒng)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(lián)合相關(guān)企業(yè)通過研究實現(xiàn)了石墨烯薄膜材料和現(xiàn)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?？萍加邢薰九c嘉樂派科技有限公司聯(lián)合發(fā)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(dǎo)熱膜，開啟了石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新時代。

　　產(chǎn)業(yè)即將進入快速成長期，未來市場規(guī)模巨大

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

　　據(jù)預(yù)測，2018 年全球石墨烯市場規(guī)?？赡芨哌_ 1.95 億美元，之后將加速發(fā)展，于 2023 年超過 13 億美元，復(fù)合增長率高達 47%。2023 年石墨烯下游主要市場領(lǐng)域包括超級電容、顯示、結(jié)構(gòu)材料等。