20140930-莫尼塔投资-石墨烯_专题研究-产业化前景显现_大规模低成本制备成应用推广关键_21页_1mb
报告摘要
石墨烯专题研究总结
核心内容概述
本报告围绕石墨烯的产业化前景、制备技术、应用领域及国内外企业布局展开,重点分析石墨烯在多个高科技领域的应用潜力及其面临的挑战。
石墨烯的基本特性
石墨烯是由碳原子构成的单原子层二维晶体,具有以下主要特性:
- 电学性能:电子迁移率可达光速的1/300,电阻率低于铜和银,适用于电子芯片、晶体管等半导体器件。
- 化学性能:可吸附和托付各种分子、原子,适用于环保领域。
- 其他性能:导热能力高达5000 W/(m·K),为金刚石的5倍;强度是钢材的数百倍,适用于承重材料或结构材料。
制备技术与挑战
石墨烯的制备主要有两种方法:Top-Down 和 Bottom-up。
Top-Down 方法
- 微机械剥离法:原料易得、操作简单、纯度高,但手工操作、费时、产率低。
- 液相剥离法:单层产率不高、片层团聚严重。
- 氧化还原法:无法大面积制备,含氧功能团降低导电性能。
Bottom-up 方法
- SiC外延生长:石墨烯质量高,但制备条件苛刻、成本高、产率低。
- 化学气相沉积(CVD):工艺简单、质量高、可实现大面积生长,易于转移,但成本高,工艺复杂。
- 有机合成:可实现分子级结构操控,可加工性强,但横向尺寸小、产率低。
石墨烯的低成本和高质量不可兼得,大规模低成本制备是其应用推广的关键。
下游应用与技术路线选择
石墨烯的应用主要集中在以下领域:
1. 导电油墨
- 优势:可兼容多种基材,成本低于纳米金属油墨,导电性能优于传统碳基油墨。
- 市场前景:预计2015年市场价值达24亿美元,若石墨烯渗透率达5%,则市场容量达5亿人民币。
- 企业代表:Angstron Materials Inc、Vorbeck Materials Corporation、XG Sciences Inc、Graphene Nanochem plc等。
2. 散热材料
- 优势:热导率高达5300 W/(m·K),是已知材料中最高。
- 应用:用于智能手机、平板电脑、LED灯等的散热。
- 案例:小米手机应用了石墨烯散热膜,可降低背板温度至35℃以下。
3. 锂电池
- 应用方式:
- 作为导电添加剂
- 作为功能涂层
- 作为负极材料
- 性能优势:添加石墨烯可显著提高锂电池的充放电性能和稳定性。
- 市场前景:石墨烯在锂电池中的应用已进入产业化早期,未来随着成本控制和工艺优化,有望进一步推广。
4. 显示技术
- 应用前景:有望取代传统ITO薄膜,用于柔性触控屏幕、透明导电膜等。
- 优势:
- 透光率高达97.3%
- 方块电阻低至200 Ω/sq
- 成本有较大下降空间
- 案例:Sony、三星电子、中科院重庆研究院等已实现石墨烯薄膜的制备和应用。
国内外研发与商业化支持
各国政府高度重视石墨烯的发展,加大了研发和商业化支持力度:
欧盟
- 2008-2010年:石墨烯基纳米电子器件项目
- 2013-2023年:未来新兴旗舰技术项目,预计投入10亿欧元
英国
- 2011年:投入5000万英镑支持石墨烯研发和商业化
- 2013年:建立石墨烯产业联盟
韩国
- 2007-2009年:资助90个项目,经费约1870万美元
- 2012-2018年:预计投入2.5亿美元,其中1.24亿美元用于技术研发
- 2013年:投入4230万美元用于商业化
日本
- 2007年起:资助石墨烯硅材料和器件研发
美国
- 2006-2011年:NSF资助200项石墨烯相关项目
- 2008年:DARPA投资2200万美元研发石墨烯晶体管
石墨烯应用综合评价
| 产品 | 产品优势 | 原材料质量要求/制备方法 | 推广障碍 | 发展阶段 | 下游应用市场 |
|---|---|---|---|---|---|
| 导电油墨 | 性价比高,导电性优于碳基油墨 | 氧化还原、液相剥离 | —— | 非常成熟 | 印刷、打印复印 |
| 导热膜片 | 导热系数高 | 氧化还原法 | 成本高,合成与转移控制难 | 比较成熟 | 手机、电脑、LED灯等散热 |
| 锂电池导电添加剂 | 少量添加可显著提升性能 | 氧化还原法 | 均匀一致性 | 比较成熟 | 锂电池正极材料 |
| 锂电池负极 | 提升电池容量,解决续航问题 | 液相剥离、化学合成 | 成本控制、均匀一致性 | 研发阶段 | 锂电池负极材料 |
| 超级电容 | 充放电性能好 | 氧化还原法 | 介质能量密度、成本 | 研发阶段 | 超级电容器 |
| 触控屏幕 | 透光率高,方块电阻小,柔韧性好 | CVD法 | 大规模低成本制备 | 比较成熟 | 手机、电脑、可穿戴设备等显示器件 |
石墨烯技术价值链条
石墨烯生产商在技术价值链条中最为关键,大规模低成本的工业化生产技术突破将驱动下游产品市场高速增长。
国内外公司汇总
| 公司名称 | 公司背景 | 石墨烯制备方法 | 应用领域 | 石墨烯产能 |
|---|---|---|---|---|
| Angstron Materials Inc | Nanotek Instruments, Inc独立出来 | Top-down | 储能领域应用 | 每年300吨 |
| Vorbeck Materials Corporation | 06年成立,技术来源于普林斯顿大学 | Top-down | 电子产品应用 | 40吨/年 |
| XG Sciences, Inc | 06年成立 | Top-down | 先进材料和储能领域应用 | 80吨/年 |
| Graphene Nanochem plc | 13年成立,主营石墨烯片状纳米颗粒 | CatalyxtM工艺 | 导电油墨、涂料 | 计划扩建至250吨 |
| Haydale Limited | 03年于英国成立 | Top-down | 石墨烯油墨、涂料、柔性触控屏幕等 | NA |
| 常州二维碳素 | 成立于2011年12月,公司注册资本3000万元 | CVD | 触控屏 | 年产3万平米 |
| 宁波墨西 | 依托中科院宁波材料所,南江集团投资 | 液相剥离法 | 电池电容、涂料油墨、导热材料等 | 300吨/年 |
| 辉锐科技集团 | 中美科学家团队创立 | CVD | 石墨烯生产和转移、多领域应用 | NA |
新材料领域上市公司梳理
| 领域 | 上游公司 | 看点 | 中游设备/制造公司 | 看点 | 下游产品公司 | 看点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 碳纤维 | 方大碳素 | 500吨T-300、T-400产能,未来扩张到2000吨 | 大元股份 | 300万平米碳纤维预浸料产能 | 博云新材 | C919大飞机项目独家供应商 |
| 石墨烯 | 金路集团 | 石墨烯项目进入中试阶段,预计明年量产 | 中超电缆 | 与常州西太湖科技产业园成立石墨烯产业基金 | 烯碳新材 | 成立石墨烯产业基金 |
| 石墨烯 | 中泰化学 | 参股厦门凯纳,生产石墨烯粉体 | —— | —— | —— | —— |
| 石墨烯 | 中国宝安 | 控股深圳贝特瑞 | —— | —— | —— | —— |
| 石墨烯 | 华丽家族 | 控股南江集团,投资重庆墨希和宁波墨西 | —— | —— | —— | —— |
| 石墨烯 | 锦富新材 | 参股苏州格瑞丰(25%) | —— | —— | —— | —— |
| 陶瓷隔膜 | 国瓷材料 | 成立合资公司,进军纳米氧化铝领域 | 大族激光 | 出售陶瓷涂覆设备 | 乐凯胶片 | 新增1500万平米隔膜涂布生产线 |
| 陶瓷隔膜 | 沧州明珠 | 切入比亚迪、苏州星恒、中航锂电供应链 | —— | —— | —— | 涂覆膜已量产 |
总结
石墨烯作为一种新型二维材料,具有独特的电学、热学、机械性能,被认为是未来高新技术产业竞争的战略制高点。其产业化前景广阔,但大规模低成本制备仍是推广的关键。各国政府和企业已加大投入,推动其在电子、电池、散热、显示等多个领域的应用。随着技术的不断进步,石墨烯有望在未来几年内实现更广泛的应用。
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