时讯:一文看懂石墨烯，材料界“网红一哥”

本篇文章6551字，读完约16分钟

看点:应用行业扩大，石墨烯大规模产业化即将开始 石墨烯是二维碳纳米材料，具有优良的力学特征和超强导电性热传导性等优良的材料特征，其下游应用涵盖了基础学科、新能源电池、柔性显示器、传感器及复合材料等行业 石墨烯的大规模商业应用方向主要分为粉体和薄膜，其中石墨烯粉体目前主要应用于新能源、防腐涂料等行业，石墨烯薄膜主要应用于柔性显示器和传感器等行业，其中新能源吗 全球石墨烯领域的市场规模正在稳步增长 到年底，世界和国内石墨烯领域的市场规模分别为95亿美元和200亿元，中国石墨烯市场规模约占世界石墨烯总市场规模的30%，预计有逐年提高的趋势 这次智能内参，我们推荐了国信证券的研究报告，暴露了石墨烯的性能优势、产业链概况、下游诉求和国内外领域的现状。 如果想收藏本文的报告书，可以通过智物(公众号: zhidxcom )的回复关键词“nc481”获得 此次内参来源:国信证券的原题:《 石墨烯:前景广阔的二维纳米材料》作者:横诚商艾华性能强的新材料王石墨烯于2004年通过微机械剥离法从石墨中分离得到了sp2。 由混合轨道构成的六边形是蜂巢晶格的二维碳纳米材料，英文名称是graphene，是由碳原子构成的二维晶体 石墨烯与其他有机高分子材料相比，具有比较独特的原子结构和力学特征 石墨烯的理论杨氏模量达到1.0tpa，固有抗拉强度为130gpa，是已知强度最高的材料之一，韧性优异，可弯曲，被称为“新材料之王”、“黑金”。 ▲典型石墨烯结构图▲单层石墨烯可以根据层数将作为其他碳材料的基本元素的石墨烯分为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、多层石墨烯 根据功能化方式，可以分为氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯等 根据外在形态，可以分为片、膜、量子点、纳米带或三维状等 ▲石墨烯分类石墨烯具有强导电性、良好的热传导性、良好的透光性、溶解性、渗透率、高柔软性、高强度等优异的材料特性 其应用行业非常广泛，集中在基础学科、新能源电池、柔性显示器、传感器、复合材料等行业 ▲石墨烯的优异特征▲石墨烯的透光性与层数的线性关系▲石墨烯薄膜的热传导性能测试结构的示意图石墨烯产业链正在完善，下游的诉求行业石墨烯材料本身显示出优异的性能，其下游的应用行业非常广泛，电池 可以应用于电容器、晶体管等领域，在化学、材料、物理、生物、环境、能源等领域获得了很多行业。 石墨烯上游是石墨，下游的主要应用行业是新能源电池、涂料、柔性屏、传感器等行业 石墨烯上游的原料是石墨，中国是世界上最大的石墨生产国，但可开采储量居世界第二位，占世界总储量的25%，静态可开采年限仅116年，在世界上最主要的石墨生产国中高于挪威 ▲世界主要天然石墨生产国可开采储量统计▲2007-年世界天然石墨领域产量状况(千吨)中国天然石墨产量达到每年63万吨，占世界总产量的68%，另外人工石墨产量约13.8万吨，石墨领域世界 ▲―年中国石墨领域的产量状况石墨烯产业链的中游石墨烯制造第一 石墨烯的制备有(1)“自上而下”:从石墨块原材料上剥离单层或多层原子厚度的石墨烯层，例如“液相剥离法”、“机械剥离法”等。 (2) "自下而上" :根据碳原子或碳原子化合物分子结构，如ch4c2h2等，利用结晶生长重新排列石墨烯，例如"化学气相生长法"、"小分子化学合成法"、"外延生长法"等 根据制造方法得到的石墨烯在质量和价格上有很大的差异，与之相关的产品的适用行业也有一点差别 石墨烯粉体主要由球磨机剥离法、液相剥离法、氧化还原法等制造，其中用氧化还原法制造石墨烯粉体的层数最少，是现在最常用的方法 薄膜主要由气相生长法或外延生长法等制作，其中化学气相生长法可以制作大尺寸石墨烯薄膜，期待实现现在最大规模的石墨烯薄膜制造 ▲石墨烯的制造方法、优缺点▲石墨烯的制造工程图比较▲化学气相沉积法石墨烯的制造示意图▲氧化还原法石墨烯的制造过程全球石墨烯领域的市场规模在稳步增长 全球石墨烯领域的市场规模为77亿美元，复合增长率为45.89%，预计今后两年石墨烯将维持约20%的增长率 中国石墨烯市场规模近年来迅速增加，预计每年达到163亿元，每年超过200亿元，年复合增长率约为60% 近年来，中国石墨烯市场规模约占世界石墨烯总市场规模的30%，有逐年提高的趋势 ▲我国石墨烯市场规模(亿元)▲石墨烯的应用行业和具体用途证明石墨烯的下游应用主要分为石墨烯粉体的下游应用、第二是石墨烯薄膜的下游应用两个方面 其中，石墨烯粉体可以适用于新能源电池、复合材料、锂电池等，石墨烯薄膜可以适用于柔性显示器、传感器等 我国石墨烯目前应用最广泛的下游行业是新能源相关行业，是领域超高增长的主要驱动者 年石墨烯在新能源超级电容器和锂电池导电剂行业的市场规模为50亿元左右，占全国市场份额的71.4%，其中石墨烯在防腐涂料、复合材料、生物传感器等行业的应用也备受关注，节能环保 具体而言，石墨烯在以下五个行业有很好的前景:▲国内石墨烯应用行业的市场规模占有结构1、超级电容器:处理充电长瓶颈的超级电容器是介于以前传来的电容器和充电电池之间的新 一种电化学电容器，具有电池储能的特征，具有高能量密度，比以前传来的电解电容器的容量高几百倍到千倍 与蓄电池和以前传来的物理电容器相比，超级电容器的优势主要是电力密度高、循环寿命长、工作温度限制宽、自由维护、环境保护等方面 石墨烯具有良好的导电性、高密度、比表面积，是超级电容器的理想材料 ▲超级电容器材料性能石墨烯的超级电容器由于导电性、高密度、大比表面积等优异的材料特性，与以往传递的电池和以往传递的电容器相比，在放电率、充电率、输出等方面显着提高，广泛应用于新能源电池 ▲超级电容器、以前传递的电容器、以前传递的电池，预计全世界石墨烯的超级电容器市场规模将在2021年末达到0.84亿美元，到2030年全世界石墨烯的超级电容器市场规模将达到6.09亿美元 石墨烯的超级电容器具有重量轻、耐久性好、可大容量储存、充电时间缩短等特点，因此在交通运输、工业、新能源电池、装备等其他方面很受欢迎 亚太成为最大的地区市场，预计2021年将占全球石墨烯超级电容器市场的46%，持续增长到2030年，约占全球超级电容器市场的50%。 欧洲和北美市场位居第二、第三，分别占全世界石墨烯超级电容器市场的约27%和18% 中国、日本、韩国是呼吁石墨烯超级电容器增长的主要国家，远远高于北美和欧洲等国 中日韩三国首先将石墨烯的超级电容器用于电动汽车和电子设备等 ▲全世界石墨烯的超级电容器市场规模(百万美元)▲由于中国超级电容器市场规模和预测(亿元)国家政策的支持，中国超级电容器市场迅速增长，从去年的8.5亿元增加到去年的118亿元，同比增加30%。 交通行业继续占据石墨烯超级电容器的最大市场份额。 目前我国超级电容器的应用主要集中在交通运输、工业、新能源电池和其他方面 超级电容器细分产品的规模有逐年上升的趋势，考虑到石墨烯以前传递到容量电池的高性能特征和将来良好的竞争性，石墨烯的超级电容器也有大幅增加的趋势，特别是在交通运输和新能源方面 在交通和装备等行业，安全、轻量、清洁电池的诉求关系到高输出、高能量密度的电池的诉求，最终推动石墨烯超级电容器市场的增长，特别是在电动汽车市场的增长 ▲超级电容器细分产品的规模和预测(亿元)石墨烯超级电容器应对制约电动汽车快速发展的两大课题:充电长、续航距离短 超级电容器可以储存100倍的电力，比以往的电池节约150倍的价格，将电池废弃物堆积环境的影响抑制到5倍，充电周期预计达到100万次。 石墨烯超级电容器应用于动力锂电池领域是未来的快速发展趋势，共同构成了新能源车的动力系统 2、防腐涂料:所谓热稳定和抗菌性能特征显着的防腐涂料，是由防腐涂料、中涂层和面漆组成的具有防腐功能的涂料，根据涂料的应用行业，可以分为通常的防腐涂料和重防腐涂料 我国防腐涂料市场巨大，同时规模逐年增加 石墨烯防锈涂料相对于其他防锈涂料在导电性、热稳定性、力学性能、抗菌性能等方面具有特征 石墨烯具有良好的导电性和片状的重叠阻隔性，可以遮蔽氧和腐蚀介质，降低防腐涂层的渗透性，提高涂层的防腐性 中国防腐涂料发展迅速，年中国防腐涂料总产量535万吨，比上年增加18.4%，占涂料总产量的22.2%。 ▲―年中国防腐蚀涂料产量(万吨)▲中国重防腐蚀分野生产量规模(万吨) 3、锂电池导电剂:寻求支持&； 价格下降区域高增速锂电池导电剂的主要作用是提高电子电导率 导电剂起到在活性物质之间、活性物质和集电体之间收集微小电流的作用，减少电极的接触电阻，提高锂电池中的电子移动速度，降低电池的极化 另外，导电剂还可以提高接头加工性，促进电解液向接头的浸润，提高锂电池的寿命 一般锂电池的导电剂第一种是以往传来的导电剂(炭黑、导电性石墨、碳纤维等)，第二种是新的导电剂(碳纳米管、石墨烯及它们的混合导电膏等) 石墨烯作为新导电剂，可以最大限度地发挥导电剂等的作用 因为这是独特的片结构，与活性物质的接触不是通常的点接触形式而是点-面接触，所以可以减少导电剂的使用量，提高锂电池的容量，其改性效果远远高于天然石墨 但是，由于其价格高，因此存在阻碍锂离子输送等弊端，没有被工业化 ▲目前的导电剂参数相对于我国锂电池产量预计年末将达到160gwh，年复合增长率约为27% 年石墨烯在锂电池中的渗透率预计将达到2.5%左右，年石墨烯的渗透率将达到5%左右 ▲-锂电池产量的统计和预测( gwh )目前石墨烯导电剂的生产价格很高，年石墨烯导电剂的价格为230美元/kg，与碳纳米管导电剂的价格大致相同，但石墨烯导电剂的价格下降幅度是碳纳米管导电 随着石墨烯生产技术的进一步成熟，由于相关资本的流入和国家政策的大力支持，石墨烯导电剂突破了价格瓶颈，石墨烯导电剂的价格特征日益突出 ▲由于各种导电剂的预期价格变化(美元/kg )石墨烯的价格下降、锂电池的产量和石墨烯渗透率的迅速增加，石墨烯导电剂市场的规模迅速增加 石墨烯在导电剂行业的市场规模预计每年将达到139亿元，年复合增长率约为64% 世界范围内的锂电池近年来保持了迅速的增长状态，扩大了锂电池导电剂市场的规模 根据国际市场研究机构adroit market research最近发表的报告，预计到2025年全球锂电池市场规模的年复合增长率接近14.3%，其中大部分来自亚太地区。 亚太地区是全年最大的汽车电池市场 石墨烯导电剂作为未来的电动汽车锂电池导电剂的研究正在进行，也关系到预测期间的动力锂电池领域市场的迅速增加 ▲石墨烯在导电剂行业的市场规模和预测(亿元)▲世界动力锂电池领域的市场规模统计和预测(亿美元) 4、柔性显示器:可穿戴设备市场主要驱动力石墨烯薄膜导电性良好，高柔软性、透光性强 现在市场上采用最多的柔性显示器是ito膜(陶瓷材料的氧化铟锡)，该材料的制造工艺正在成熟，价格低廉 但是，弯曲后导电性消失，不能满足将来移动设备、可穿戴设备的柔性显示器的诉求，但石墨烯膜由于良好的导电性、柔软性、透光性，被认为比ito膜更好 近年来，银纳米线等也开始成为ito的替代材料，但其稳定性差，容易断裂，石墨烯薄膜依然是最合适的替代品 ▲石墨烯、ito膜、银纳米线柔性显示的优缺点国内石墨烯薄膜市场规模将逐渐扩大，每年达到80亿元，年复合增长率为152%，预计年末石墨烯薄膜市场规模将达到150亿元 ▲-2022年中国石墨烯薄膜市场规模和预测(亿元)全球可穿戴设备市场规模迅速增加，2021年底达到333亿美元，年复合增长率达到15%左右 预计每年达到420亿美元，比去年同期增加26% 调查显示，全球可穿戴设备的发货也大幅增加 中国可穿戴设备产业市场规模将达到每年600亿元，年复合增长率约为44%，预计每年增加到780亿元左右。 石墨烯薄膜也在这种影响下大幅生长 可穿戴设备市场规模的迅速增加大大提高了推动石墨烯薄膜在柔性显示中的应用的市场规模 可穿戴设备要求高水平的柔性显示器，世界柔性显示器市场的收入规模有逐年增加的趋势，具有透光性和高柔性的石墨烯薄膜在柔性显示器上的应用市场规模期待迅速发展， 随着我国可穿戴设备市场规模的扩大石墨烯在柔性显示中应用的市场规模也将大大提高 5、传感器:石墨烯化学敏感性强，在医学等行业前景广阔的石墨烯是良好的化学传感器制作材料 这个过程主要是通过石墨烯的表红外光束激发等离子体面吸附性能来实现的，石墨烯化学检测器的灵敏度非常高 石墨烯独特的二维结构对周围环境非常敏感 石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，由石墨烯构成的传感器在医学上具有良好的灵敏度 石墨烯传感器的国内市场规模达到每年2亿元，年复合增长率约为71% 石墨烯的传感器预计在国内的市场规模到去年为止约为4亿元，实现了10倍的扩张。 ▲石墨烯传感器行业国内市场规模(亿元)市场的医学、化学及可穿戴设备等方面石墨烯对传感器的诉求和石墨烯薄膜的制作价格逐渐下降，石墨烯传感器应用于更多市场，并迅速 国内外领域处于起步阶段，等待下游大规模世界石墨烯应用的领域依然处于产业化的起步阶段 市场由石墨烯粉体和石墨烯薄膜主导，大规模生产有一定的困难，但未来的快速发展空间很大 从市场规模来看，年以来全球石墨烯市场规模迅速增加，年全球石墨烯市场规模约1.1亿美元，2025年达到21亿美元，到2025年石墨烯复合年增长率达到40%，特别是散热材料、新能源 石墨烯由于其优良的材料特点具有很大的潜力 石墨烯领域处于大规模产业化的前夕，世界各国对石墨烯给予高度重视，世界上80多个国家投入石墨烯的开发、生产，特别是发达国家在石墨烯下游应用的研究开发，如美国、欧洲、日、韩国等 ▲世界各国石墨烯的布局图欧美企业占世界石墨烯产业链的重要环节 欧美石墨烯制造技术、复合材料、核心电子部件等应用产品保持了先进的特点，亚洲石墨烯应用市场前景良好 不仅如此，ibm、英特尔、陶氏化学、三星等国际知名跨国公司以石墨烯及其应用技术为长时间战术的迅速发展方向，大量出现了专门研究开发、生产、应用石墨烯的机构和公司 ▲世界各国领先公司石墨烯相关行业的迅速发展成果国内产业链初步成形，国内以新能源行业为中心 我国石墨烯产业前景广阔，产业规模持续增长 中国政府重视石墨烯产业的迅速发展，已经把石墨烯列入中国《第十三个五年计划》的165项重大工程 中国石墨烯的领域处于市场引进期，产品还不成熟，领域利润率低，但市场增长率高 随着石墨烯制造技术的进步和下游应用的成熟预计将进一步促进和推动石墨烯应用的迅速发展和市场规模的扩大 我国石墨烯产业链近年来初步贯通，上下游链逐渐完善，上游石墨矿开发技术不断创新，中游石墨的制造方法不断改进，下游应用行业的研究开发不断展开 由于产业链迅速发展，我国石墨烯市场的规模有持续快速增加的趋势 石墨烯作为“新材料之王”，现在大规模制造方法也有缺陷，下游的应用行业还没有开发，因此依然具有很大的快速发展潜力 目前，中国形成了京津冀鲁、长江三角洲和珠江三角洲三大聚合区，形成了许多分散快速发展的石墨烯产业结构 从整体石墨烯产业链布局来看，中游行业:中国自年以来，石墨烯粉体和薄膜的生产规模进一步扩大，石墨烯产业化趋势越来越强，许多石墨烯产业创新中心成立，如常州第六元素、青岛昙 长沙暖宇新材料科技企业年产量100万平方米的石墨烯膜生产线已建成，预计建成后将成为国内第二大石墨烯膜生产线 各地石墨烯制造技术不断突破创新，下游应用产业化也逐步展开 ▲中国石墨烯产业的配置状况智物，从年物理学家安德烈海姆和康斯坦丁·诺沃洛夫教授获得诺贝尔物理学奖的瞬间开始，石墨烯一举成为世界瞩目的新材料，在半导体产业、光伏产业、宇宙、军需产业等以前 经过多年的快速发展，中国石墨烯的研究已经进入世界一线水平，相关产业链也已经初步形成，未来随着研发的进一步进展，石墨烯的应用也会越来越广泛，届时相信会出现一系列新产业 原文:《一文理解石墨烯，材料界“网红一哥”，五大应用行业，产业浪潮开【附下载】|智东西内参》阅读原文

来源：人民视窗网