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锂电辅材系列报告（二）：石墨烯导电剂与复合电极材料分析

核心内容

本报告主要分析石墨烯材料在锂电池领域的应用前景，重点探讨石墨烯导电剂与复合电极材料的性能优势、产业化进展及市场潜力。

主要观点

• 石墨烯材料技术逐步成熟：石墨烯在力学、热学和电学性能方面表现突出，其研发与产业化进程正在加快。
• 锂电池领域应用前景广阔：石墨烯具有高电子迁移率和优异导电性，能有效改善锂电池的导电、放电及循环性能。
• 石墨烯导电剂市场潜力巨大：石墨烯导电剂的性能优于传统导电剂，如导电碳黑和碳纳米管，且随着量产技术的成熟，成本有望降低，市场空间将被迅速打开。
• 石墨烯复合电极材料具有明显优势：在正极和负极材料中加入石墨烯可显著提升电池性能，包括循环性能和比容量。
• 产业化与应用拓展面临挑战：尽管前景良好，但石墨烯的产业化仍面临成本高、工艺不成熟、技术替代风险等挑战。

关键信息

一、石墨烯材料研发技术逐步成熟，产业化进程加快

• 性能优势：

  • 电学特性：载流子迁移率高达15000 cm²/V·s，是商用硅片的10倍。
  • 电流密度耐性：可达2亿A/cm²，为铜的100倍。
  • 导热性能：导热系数达5300 W/m·K，是铜的13倍。
  • 机械性能：杨氏模量达1 TPa，强度约为180 GPa，是普通钢材的100倍。
  • 比表面积：单层石墨烯比表面积达2630 m²/g，远高于普通活性炭。

• 应用领域：

  • 电子行业：锂电池电极、触摸屏、超级电容等。
  • 化工行业：涂层、吸附材料、海水淡化等。

• 产业化进展：

  • 中国在2016年已建成首个单层石墨烯量产基地，预计2020年实现5000吨产能。
  • 新材料“十三五”规划即将出台，将推动石墨烯下游产业的发展。

二、锂电池应用受益于石墨烯发展

• 应用优势：

  • 电极导电剂：电阻率远低于传统导电剂，可显著提升导电性。
  • 正极复合材料：如磷酸铁锂、锰酸锂，循环性能优越，比容量提升。
  • 负极复合材料：如硅、二氧化锡、氧化钴、氧化铁，导电性与循环性能均优于传统材料。

• 产业化时间表：

  • 锂电池电极添加剂：预计0-1年实现产业化。
  • 导热膜、触摸屏：预计1-2年实现产业化。
  • 柔性导电膜、超级电容：预计2-3年实现产业化。
  • 高端集成电路：预计10年以上。

三、石墨烯导电剂性能极佳，受益石墨烯量产迎来广阔市场

• 导电剂种类：

  • 水浆料、NMP浆料、粉末类导电剂。

• 性能对比：

  • 石墨烯导电剂的粉体导电率可达1000 S/cm，是导电碳黑的100倍。
  • 在10C放电条件下，石墨烯放电倍率显著高于导电碳黑。

• 成本与市场前景：

  • 预计2020年石墨烯导电剂价格将降至113美元/千克，低于碳纳米管的200美元/千克。
  • 产业化加速，预计2020年全球石墨烯导电剂用量将达1000吨。

四、石墨烯复合电极材料性能优良，前景可期

• 材料分类：

  • 正极材料：磷酸铁锂、锰酸锂等。
  • 负极材料：硅、二氧化锡、氧化钴、氧化铁等。

• 性能提升：

  • 正极材料中，磷酸铁锂的可逆比容量为纯LiPO4电极的1.4倍。
  • 负极材料中，硅的可逆比容量为708 mAh/g，传荷电阻比单纯硅低50%。

• 研发进展：

  • 国内相关专利数量逐年增加，2014年达到51项，涉及锂电池的专利约14项，以负极材料为主。

五、风险提示

1. 产业化进展不及预期：受制于制备工艺不成熟、成本高、环保要求严、材料不稳定性等因素，商业化推广进程可能缓慢。
2. 技术替代风险：石墨烯薄膜制备方法差异可能影响其导电性、透光率和均匀性，限制其作为导电薄膜材料的推广。
3. 下游应用拓展缓慢：尽管应用领域广泛，但实际应用技术与市场需求仍需进一步衔接。

行业评级与分析师信息

• 行业评级：持有
• 分析师：
  • 王剑雨：首席分析师，S0260511080001
  • 郭敏：资深分析师，S0260514070001
  • 周航：研究助理，S0260516080006

相关图表与数据

• 图表目录：

  • 图1：石墨烯的种类
  • 图2：石墨烯单层碳结构
  • 图3：石墨烯的主要应用领域
  • 图4：全球石墨烯最早优先权专利申请件数分布
  • 图5：全球前十位石墨烯专利申请人
  • 图6：欧盟石墨烯研发蓝图
  • 图7：全球石墨烯市场规模预测
  • 图8：石墨烯-锂电池产业链
  • 图9：2012-2020年全球动力锂电池市场规模及预测
  • 图10：2016年国内主要动力锂电池厂家新增产能
  • 图11：2012-2020年全球便携式锂电池市场规模预测
  • 图12：2013-2017年手机、平板电脑及笔记本便携式锂电池需求量
  • 图13：2015年石墨烯主要厂家及产能分布
  • 图14：不同添加量对电极电阻率的影响
  • 图15：10C下，石墨烯与导电碳黑放电倍率曲线
  • 图17：各类导电剂预期价格变化
  • 图18：全球石墨烯导电剂用量预测
  • 图19：2009-2015年国内石墨烯复合电极材料专利数
  • 图20：国内锂电池石墨烯电极复合材料专利分布

• 数据来源：广发证券发展研究中心、石墨烯产业联盟、中国产业信息网、技术在线、新材料在线、中国知识产权局等。