中國石墨烯發(fā)展?fàn)顩r盤點(diǎn)，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(jì)以來關(guān)于石墨烯無法穩(wěn)定存在的結(jié)論。

　　石墨烯獨(dú)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(yù)為“黑金”、“改變 21 世紀(jì)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(xiàng)目累計(jì)資助經(jīng)費(fèi)達(dá)到 3.30 億元，科技部和中國科學(xué)院對石墨烯的累計(jì)資助經(jīng)費(fèi)分別達(dá)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(dú)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(xiàng)，其中 2014 年有超過 9000 項(xiàng)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(yuǎn)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(biāo)瞄準(zhǔn)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(jìn)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(jī)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(jì)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(dá)到 300 億元。寧波市計(jì)劃在三年內(nèi)設(shè)立 9000 萬的財(cái)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(jìn)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(jìn)程進(jìn)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(jī)械剝離法、液相剝離法、氧化還原法等;后者通常以含碳?xì)怏w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(shí)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(jì)，目前我國石墨烯粉體產(chǎn)能共計(jì)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(shí)用化的晶圓級大小仍有相當(dāng)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(jìn)入或已經(jīng)實(shí)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(shí)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(jìn)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(xiàng)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(qiáng)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(jī)、電腦等電子產(chǎn)品以及高功率 LED 芯片中，以增強(qiáng)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(jìn)入市場的機(jī)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(dú)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(yán)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(qiáng)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(jī)、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(shí)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(shí)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(jī)樣機(jī)。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(jī)，該款手機(jī)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(jìn)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(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，石墨烯產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速成長期，市場空間將快速擴(kuò)大。

　　據(jù)預(yù)測，2018 年全球石墨烯市場規(guī)?？赡芨哌_(dá) 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(dá) 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。