石墨烯_研发现状与产业化趋势_22页_1mb

基础化工行业前瞻研究（一）：石墨烯研发现状与产业化趋势总结

核心内容概述

本报告聚焦于石墨烯这一新型材料，从其定义、性质、应用领域、制备方法、基础科研现状及产业化前景等方面进行全面分析。石墨烯因其独特的物理化学性质，在多个行业展现出巨大的应用潜力，但目前仍面临生产技术、成本及下游市场应用的挑战。

主要观点

• 石墨烯定义：石墨烯是一种二维碳材料，包括单层、双层和少层石墨烯。
• 石墨烯性质：具有最薄、最大比表面积、最硬、最抗拉、高热导率、高载流子迁移率、高电流密度、高透光率等“史上最强”性能，还具备高性能传感器功能、类似催化剂功能、吸氢功能、双极半导体特性等“独特”性质。
• 应用领域广泛：石墨烯在锂电池、超级电容器、电子显示器件、半导体材料等领域具有广泛的应用前景，可能带来革命性进步。
• 产业化路途漫长：目前尚无法实现石墨烯的高质量、大规模量产，其生产成本高，下游市场尚未成熟。
• 中国在石墨烯领域发展迅速：拥有丰富的石墨资源，政策支持力度大，多个省市已开始布局石墨烯产业，并有部分上市公司投入研发。

关键信息

一、石墨烯的性质

• 最薄的材料：厚度约0.335nm，相当于一个头发的20万分之一。
• 最大比表面积：可达2630m²/g，远高于活性炭。
• 最硬的材料：刚度优于金刚石，是钢铁的100倍。
• 强导电性：室温下载流子迁移率高达20万cm²/Vs，是硅的100倍。
• 高透光率：透光率高达97.7%，几乎完全透明。
• 优异的柔韧性：可拉伸20%而不破裂，适用于柔性电子设备。

二、应用领域

1. 锂电池电极材料

• 石墨烯具有高比表面积、优良导电性和导热性，有助于提升锂电池性能。
• 电动车用锂电池市场预计到2020年将达351亿美元，智能电子设备用锂电池市场预计达541亿美元。
• 韩国光州科学技术院研究显示，石墨烯电池可将电动车充电时间缩短至16秒。

2. 超级电容器

• 石墨烯比表面积大、导电性好，是超级电容器电极材料的有力竞争者。
• 全球超级电容器市场规模预计从2013年的8亿美元增长到2018年的31.3亿美元，年复合增长率达30.2%。

3. 电子显示器件

• 石墨烯可替代传统ITO材料，具有更好的柔韧性和导电性。
• 中国科学院重庆绿色智能技术研究院已成功制备出国内首片15英寸单层石墨烯显示屏，三星也宣布可折叠显示器技术。

4. 半导体材料

• 石墨烯有望替代硅成为新一代半导体材料，具有高电子迁移率和低热阻。
• IBM曾成功研制石墨烯集成电路，未来可能用于更高速度的计算机芯片。

三、制备方法

目前主要的石墨烯制备方法包括：

1. 微机械剥离法：可获得高品质石墨烯，但不适合大规模生产。
2. 气相沉积法：适合大规模生产，但成本较高，存在杂质问题。
3. 外延生长法：可制备大尺寸石墨烯，但依赖昂贵的SiC基板。
4. 氧化石墨还原法：成本较低，适合大面积制造，但可能破坏石墨烯结构。

四、基础科研现状

• 全球石墨烯研究热点集中在导电性、导热性、制备技术及纳米材料研究。
• 中国在专利申请和论文发表方面领先，但在核心技术领域仍与美、日、韩存在差距。
• 欧盟提出石墨烯开发蓝图，重点在电子和光子领域，预计透明导电膜将最先实现产业化。

五、产业化前景

• 产业化蓝图：欧盟计划推动石墨烯在电子和光子领域的应用，三星已开发出可实用化的石墨烯触摸面板。
• 产业化障碍：
  • 技术障碍：缺乏大面积单晶石墨烯的工业合成法，带隙控制尚未成熟。
  • 市场障碍：下游产业链尚未形成，市场应用尚未广泛打开。
  • 成本障碍：石墨烯成本高昂，限制其商业化应用。
• 中国产业化现状：
  • 石墨资源丰富，具备产业化基础。
  • 多个省市布局石墨烯产业，如江苏、重庆、四川、浙江、北京等。
  • 多家上市公司如金路集团、中国宝安、烯碳新材、力合股份、中泰化学、华丽家族、乐通股份、悦达投资、康得新、方大碳素等已涉足石墨烯领域。

上市公司石墨烯研发动态

风险提示

1. 生产技术尚未突破，难以实现大规模、高质量生产；
2. 下游大规模应用仍需时间，市场接受度有待提高；
3. 生产和应用成本仍较高，限制其商业化推广。