石墨烯行业现状、产业化及下游应用

1.石墨烯

1.1石墨烯简介

石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成。

1.2石墨烯特性

石墨烯因为其特殊的结构，具有很多突出的性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。

力学性能。石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料(0.34nm)，也是有史以来被证实的最结实的材料，强度可达130GPa，约为世界上最好的钢材的100多倍，且杨氏模量达1.054-1.060TPa。它具有极好的弹性，可被拉伸至自身尺寸的120%，如果用石墨烯制成包装袋，虽然质量极轻，但它将能承受大约2t的物品。石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高，却具有很好的韧性(可弯曲性)，迄今很少有材料能够同时具备这两种性质。

电磁性能。电子在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质，其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。最新的研究表明，石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率(15000cm2·V-1·s-1)，也是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的2倍，因此有预言称，石墨烯将成为硅的替代品，从而改变人类的生活。除此之外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。

热学性能。石墨烯具有极强的导热性能，单层石墨烯的热导率可达5000W/m·K，是室温下纯金刚石的3倍，金属铜的12倍。

石墨烯还具有优良的透光性能，光子透过率高97.4%，其理论比表面积高达2630m2·g-1。

石墨烯行业研究：现状、产业化及下游应用

2.石墨烯研究现状

2.1石墨烯全球研究现状

自2010年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，并共同获得2010年诺贝尔物理学奖之后，在全球范围内掀起了石墨烯研究开发以及产业促进的热潮。

石墨烯相关专利和知识产权的申请数量逐年递增。根据数据统计，石墨烯相关专利最早出现在1994年，随着研究的深入和诺贝尔奖的获得，2010年之后迎来了喷井式的爆发，2010年全球相关专利数量达到了480篇，2017年已经增长到了13371篇，增长了20余倍，反映出石墨烯在近几年成为了研究的热点。

通过石墨烯技术生命周期图可以看出，2008年之前石墨烯相关专利技术还处于萌芽阶段，2010年之后，每年都有大量的新增的发明人进入相关研究，新的技术不断出现，石墨烯技术进入快速成长阶段。2017年开始，增长率有所下降，说明石墨烯相关技术正在由成长阶段向技术成熟阶段过渡。

2.2国内石墨烯研究近况

我国作为石墨烯专利技术的早优先权国，在所有技术原创国之中处于首位，并且大幅度领先于其他国家，占据了较高的份额，而韩国，美国，日本作为其他主要技术的原创国家，紧随其后，但是从数量上看，依旧有明显的差距。

从知网数据也可以看出，石墨烯中文相关文献数量从2010年开始了快速增长，石墨烯的学术关注度大幅度提升，掀起了研究的热潮。

石墨烯在我国的发展迅猛，离不开国家政策的引导。从2012年的新材料产业“十二五”发展规划起，国家逐渐开始不断通过各种利好政策，推动石墨烯的产业化进程，而最近的新材料“十三五”规划也将石墨烯作为先导性产业。

我国首个石墨烯国家标准GB/T30544.13-2018:《纳米科技术语第13部分:石墨烯及相关二维材料》正式发布，将于2019年11月1日开始实施。据悉，江苏泰州巨纳新能源有限公司及其技术专家分别为该标准的第一起草单位及第一起草人。石墨烯国标的出台，对于行业的规范有重要意义，也说明国家正在通过政策进行引导，最为一个良好的开端，可以吸引更对的专业人才进入石墨烯的研究，有利于石墨烯产业链的拓展。

3.石墨烯产业化

3.1石墨烯的制备

石墨烯制备方法主要可以分为为“自上而下”和“自下而上”两类方法。“自上而下”法是以石墨为原料，通过剥离的方法来制备石墨烯层，如:机械剥离法，氧化还原法，液相剥离等;“自下而上”法是通过碳原子的重新排列来合成石墨烯，如:化学气相沉积法，外延生长法，有机合成法等。目前，比较主流的石墨烯制备方法有氧化还原法、化学气相沉积法、液相剥离法和外延生长法。

不同制备方法获得的石墨烯在品质和成本上差别较大，相应产品的适用领域也有差异。上述四种石墨烯制备方法中，最常采用的是氧化还原法和化学气相沉积法。此外，也有少部分企业探索应用SiC外延生长法或液相剥离法进行石墨烯量产。

3.2石墨烯上游-石墨

中国石墨资源丰富，其基础储量占世界总储量的24%左右，2016年石墨基础储量达到了7321.51万吨，其中已探明晶质石墨的储量达到了3亿吨。中国石墨的产量也位居世界前列，2017年中国石墨的产量已经达到了78万吨。

随着石墨烯的研究进步，现在很多石墨烯相关产品已经开始准备商业化进程，石墨烯产业可能进入快速发展的阶段，市场正逐步扩大，预计未来2021年我国石墨烯市场规模将达到1026亿元。

3.3石墨烯产业化

在产业化方面，国家在全国各地建立了多个石墨烯产业园和石墨烯联盟。国内常州，宁波，青岛，重庆无锡等地率先设立石墨烯产业园，江苏、内蒙古、山东等地也成立了石墨烯联盟，有利于进一步整合上下游资源，完善石墨烯创新体系，促进石墨烯产业发展，同时有利于国家的宏观调控。

同时，国内各种石墨烯优秀企业也不断涌现，虽然高端产品因成本，技术问题短时间难以得到大面积的突破，但是一些低端产品已经在一些公司得到了商业化生产。

4.石墨烯粉体下游应用

4.1石墨烯超级电容器

4.1.1石墨烯超级电容器介绍

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。

超级电容器对其电极材料有着“六高”的要求，分别是:高比表面积，高中孔率，高堆积比重，高纯度，高电导率和高性价比。

综合各种电极材料特性来看，石墨烯具有较大的比表面积和较高的导电性，加上其特殊的平面二维结构，是超级电容器的理想材料，但是其较高的成本，仍是在技术上需要解决的问题。

石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制。

4.1.2下游稳步增长带动石墨烯超级电容器市场发展

全球超级电容器市场规模稳步增长，2015年达到160亿美元，预计未来年增长率有望达到19.28%。

从国内来看，超级电容器市场规模逐渐扩大，从2010年的8.5亿元增加到了2017年的71亿元，预计未来三年仍然保持将近30%的增长率，2020年预计可以达到150亿元水平。

因为中国在环保和新能源方面的政策促进，近几年中国新能源汽车稳步增长。我国新能源汽车的产量2015年为45.5万辆，2018年增加到129.6万辆，同比增长40.10%。随着我国的支持，可以预测超级电容器的使用会极大的增加，而其中性能优越的石墨烯超级电容器在未来也将继续快速发展，在交通运输和新能源方面的使用，将会大幅度增加。

我们测算，假定电极材料的成本是电容器的30%，石墨烯市场渗透率从5%增加到10%，预计2020年，石墨烯超级电容器市场规模将达到4.58亿元。

4.2石墨烯复合材料种类多样，市场空间广阔

石墨烯具有很多优秀的性能，但是当石墨烯添加到传统材料中时，能改善原材料的性能，形成增强型的复合材料。比如石墨烯在防腐涂料，导电油墨，散热涂料等中均可以大幅提高产品的综合性能。

4.2.1防腐涂料

随着经济的发展和技术的进步，国内涂料的需求增长迅速。数据显示，我国涂料的产量从2001年的122.78万吨，增加到2017年的2041万吨，近年来依旧保持一个增长趋势。钢铁等金属的生锈，腐蚀即影响了金属的使用寿命，又造成了大量的经济损失，因此国家对于防腐涂料的需求也在逐年扩大。

石墨烯本身具有的独特结构性质，使其在物理防腐和电化学防腐方面都展现出一定的优势，相比于纯石墨烯防腐涂料，石墨烯复合防腐涂料能够兼顾石墨烯优异的化学稳定性、快速导电性、突出的力学性能和聚合物树脂的强附着力、成膜性，可协同提高涂料的综合性能。因此，石墨烯复合防腐涂料将是发张的重点，市场潜力巨大。

导电油墨是用导电材料(金、银、铜和碳)分散在连结料中制成的油墨，具有一定程度导电性质，可作为印刷导电点或导电线路之用。而石墨烯具有强大的导电性，其比表面积大，载流子迁移率高，由其制备的石墨烯导电油墨可以在传感器、电容器、电子线路、RFID天线、导电电极等电子产品领域得以较好的应用。

石墨烯应用在导电油墨的优势主要有两点:一是兼容性强，石墨烯油墨可在塑料薄膜、纸张及金属箔片等多种基材上实现印刷;二是性价比高，与现有的纳米金属导电油墨相比，石墨烯油墨具有较大的成本优势。因此可以看出，石墨烯导电油墨强大优势，发展前景广阔。

4.2.3散热涂料

石墨烯本身热导率高，高比表面积，能够增大涂层散热面积。石墨烯高散热涂料能够将散热涂料的导热系数提高到20W/M.K，相比于普通散热涂料，提高了10倍。石墨烯散热涂料在LED，舞台设备，电子设备均有应用。

4.3石墨烯锂电池

锂离子电池是迄今为止能量比最高的二次电池，而石墨烯又具有质地薄，硬度大，电子移动速度快，导电性强等优势，其出现为锂离子电池高性能，高容量，高倍率，长寿命的突破带来了可能。

4.3.1石墨烯在负极材料中的应用

石墨烯的微观形状和结构很大程度上决定了石墨烯作为电池负极材料的电化学性能，石墨烯负极主要分为以下几类:石墨烯直接作为电池负极;石墨烯/SnO2复合材料;石墨烯/Si复合材料;石墨烯与Fe2O3,Co3O4等复合材料。

石墨烯作为负极材料的优势主要有:

石墨烯两面镶嵌锂离子比容量超普通碳材料两倍

石墨烯的微观皱褶表面提供了额外的存储空穴

提高了锂离子传输扩散功能

但是同时也有着一些缺点:

与电解质接触面积变大，形成SEI膜造成材料的不可逆容量增加

石墨烯易团聚堆积，丧失比表面积大带来的高储锂空间优势

4.3.2石墨烯在正极材料中的应用

石墨烯在正极材料中主要利用的是石墨烯柔韧的网状导电结构和石墨烯的片层结构形成的连续的三维导电网络。目前石墨烯在正极材料中主要作为“辅料”，主要分类有:石墨烯/锰酸锂复合材料;石墨烯/磷酸钒锂复合材料;石墨烯/磷酸铁锂复合材料。

4.3.3石墨烯作为导电剂

石墨烯还可以作为导电剂添加进正负极材料中增加电极的导电性，提高材料的循环性能和高倍率性能，其改性效果明显要高于天然石墨，但是其高倍率性能不理想，难以广泛应用。

2016年东旭光电宣布推出了世界首款石墨烯基锂离子电池产品——“烯王”，以15分钟快充技术震惊业界。2017年4月11日，东旭光电与倍斯特联合发布了石墨烯基锂离子电池“烯王二代”。石墨烯电池在产品性能方面具备15分钟充满5000mAh的效率，电池上限使用环境对比上代产品提高10度，允许在-30度至80度环境下工作。

华为中央研究院瓦特实验室宣布，其在锂离子电池领域实现重大研究突破，推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示，以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10°C，使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

5.石墨烯薄膜下游应用

5.1柔性屏

柔性显示是指一类使用柔性基板，可以制造成超薄、超大、可弯曲的显示器件或显示技术。柔性显示屏作为玻璃显示屏的替代品，具备耐冲击、可弯曲、轻量便携、节能环保等特性更适用于便携式或可穿戴式消费电子产品。

目前，传统手机触摸屏的工作层材料主要为陶瓷材料氧化铟锡(ITO)，但是ITO弯折后就不在具有导电性，越来越无法满足未来移动设备，可穿戴设备，智能家居等的产品需求。近几年，出现了多种ITO的替代材料，比如:金属网格，纳米银线，石墨烯等。而这其中，石墨烯导电薄膜具有优秀的导电性，透光性，柔性等，被认为是柔性显示屏中可完美替代ITO的材料，未来可以广泛应用于触摸屏、可穿戴设备，智能家居等方面。

未来的手机，电视，可穿戴设备，电子产品等必然向柔性化发展。随着需求的逐步扩大，预计未来全球柔性显示市场规模能够达到677亿美元。

2016年4月，重庆墨希推出了全球首款墨烯柔性可弯曲智能手机，这款石墨烯柔性屏手机比一般的手机长一些、窄一点，屏幕有5.2英寸大，可以弯成一个圆环，戴在人的手腕处。

对比于智能手机，柔性屏对于可穿戴设备的作用则更加重要，柔性的屏幕可以适合不同人的身形。可穿戴设备越来越多的出现在人们的生活之中，根据预测，中国可穿戴设备的市场规模稳步增长，预计2020年可以达到607亿元。相应的石墨烯薄膜的市场规模预计2020年也将达到405亿元。可穿戴设备的快速发展以及其对柔性屏的需求，在未来将推动石墨烯柔性屏的快速发展。

5.2传感器

石墨烯有着独特的物理属性，使得它在探测和传感器方面是很有利的材料。石墨烯的具有大比表面积，使之对周围的环境非常敏感，即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到，因此可以用于石墨烯气体传感器。石墨烯具有很强的电子性能可以提供大面积检测，超高机动性和双极性场效应的特点，是优秀的生物传感材料，因此石墨烯生物传感器也有很广的应用。除此之外，目前还在石墨烯压力传感器，石墨烯液体传感器，石墨烯电化学传感器等方面的研究较多。

6.标的公司介绍

6.1宝泰隆(601011.SH)

公司是集新能源、纳米新材料、煤基石油化工、化工、发电、供热、煤炭开采和洗选加工于一体的大型股份制企业。

目前公司在进行积极的产品升级和产品转型战略，即产业由煤化工向新材料转型，推进石墨烯等新材料产业项目。公司积极开发石墨烯相关产品，目前具有50吨/年的物理法石墨烯生产线，100吨/年的化学法石墨烯生产线以及1000吨/年的导电油墨生产线。

公司石墨上游资源丰富。目前具有勘查面积为16.35平方公里的密林石墨探矿权，在3.68平方公里的详查区域内，勘明晶质石墨矿物量为554万吨。2018年密林石墨矿区在完成全年计划的基础上，新增勘探钻孔10800米，完成二区勘探及勘探报告。石墨烯原料丰富，能够保证自身未来的发展。

在技术方面，公司与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院签订了合作协议，确定的研究方向为锂电用石墨烯导电浆料、石墨负极方面的研发和石墨烯导电油墨。2018年公司与北京石墨烯研究院有限公司及七台河市政府合作成立了“宝泰隆新材料股份有限公司北京技术研发中心”，每年投资3000万元，重点开展石墨矿资源深加工与新型石墨建材、高端石墨烯装备等九个方向进行研究，有利于公司加强石墨烯下游产品开发以及市场的开拓。

6.2东旭光电(000413.SZ)

公司是国内领先的集液晶玻璃基板装备制造、技术研发及生产销售于一体的高新技术企业，也是全球领先的光电显示材料供应商。

公司开拓内生与外延的产业链整合优势。积极拓展新能源汽车及石墨烯领域，努力构建“高端材料-石墨烯基锂离子电池-新能源汽车”产业链闭环，为公司快速发展增添了新活力。

公司加大石墨烯产业的技术研发，联合国际，推动石墨烯相关产业孵化。目前公司石墨烯产业化应用已成功接轨英国曼彻斯特等全球知名大学和科研机构，依托国际先进装备与技术储备，加速完善自身石墨烯应用产品的开发。公司已有多款产品实现产业化，包括石墨烯基锂离子电池、石墨烯节能照明、石墨烯电采暖及石墨烯防腐涂料，并且积极探索石墨烯和其他二维材料的新型制备技术。2018年，公司石墨烯业务板块实现营业收入1.81亿元。

6.3中泰化学(002092.SZ)

公司主营聚氯乙烯树脂(PVC)，离子膜烧碱、粘胶纤维、棉纱等产品。公司在2013年以增资扩股方式收购厦门凯纳石墨烯技术有限公司，持股35%，布局石墨烯产业。双方共同开发石墨烯的生产及应用技术，开拓石墨烯应用及其衍生产品领域，重点研究石墨烯与PVC产品的结合和应用。

厦门凯纳是国内首家从事石墨烯、石墨烯微片生产研发的新兴专业化高科技企业。公司采用独特的机械剥离工艺生产石墨烯产品，产品中的石墨烯晶格结构完整、导电导热性能优异，广泛应用于涂料和塑料等复合材料领域。截至2018年12月31日，公司已获得国家专利授权30项，正在申请的专利共有13项。2018年，厦门凯纳建成年产5000吨石墨烯产品产线并正式投产，进一步提高公司的石墨烯产品生产能力。

6.4方大炭素(600516.SH)

公司主要从事石墨及炭素制品、铁矿粉的生产与销售。主要产品有石墨电极、高炉炭砖、炭素新材料和炭素用原料等。公司2018年生产石墨炭素制品18万吨，其中石墨电极15.9万吨，炭砖1.8万吨，具有丰富的上游石墨资源。

为加快新材料产业创新，进一步推动公司产业延伸和拓展，2018年底，公司参股设立四川铭源石墨烯科技有限公司。旨在通过研发优质石墨烯和其终端应用，发展高品质和低成本的石墨烯系列材料及储能产品、催化产品、光电产品、医疗与生物技术产品，拟从事石墨烯新型材料的研发、技术孵化、技术转移等相关工作，发展新的生产力，促进新的经济增长。

6.5第六元素(831190.OC)

公司目前在新三板上市，主要从事石墨烯粉体、石墨烯薄膜及其他新型碳材料的研究、开发、生产和销售。

公司投建了拥有完全自主知识产权的规模化生产线，是国内少数同时具备石墨烯粉体和薄膜规模化生产能力的企业之一。目前公司拥有100吨/年的石墨烯粉体产能和8万平方米/年的石墨烯薄膜产能。为进一步扩大生产能力，公司投资建设南通烯晟“一期年产150吨石墨烯微片、500吨氧化石墨(烯)生产项目”，公司石墨烯粉体产品主要应用于防腐涂料、散热膜及复合材料的增强改性等领域，石墨烯薄膜产品主要应用于触控屏、传感器和柔性加热等领域，其下游产品可广泛应用于特种特种、特种航天、信息技术和智能穿戴等方面。目前主要收入来源以石墨烯粉体和石墨烯加热膜为主，石墨烯浆料，触摸传感器和石墨烯手环为辅。

6.6二维碳素(833608.OC)

公司目前在新三板上市，是一家专业从事大面积石墨烯透明导电薄膜及石墨烯电容式触控模组的研发、制造的企业。

截至2018年12月31日，公司已获授权的专利共计101项，涵盖了石墨烯薄膜基础专利和应用领域专利。公司自主设计并成功开发了国内首条年产3万平方米石墨烯薄膜生产线，2015年公司的石墨烯薄膜年产能已达到20万平米。

公司主要生产石墨烯薄膜材料以及触摸屏、石墨烯加热膜等石墨烯下游应用产品，2018年，公司扩大石墨烯在加热应用领域的市场开拓工作，重点布局石墨烯电采暖产品的应用推广，同时开发了穿戴、理疗、家纺、服装等应用领域。