石墨烯的研究现状及前景论文

主要上市公司：贝特瑞(835185);方大炭素(600516);银基烯碳(400070);碳元科技(603133);沃特新材料(002886);常州二维碳素(833608)

本文核心数据：石墨烯行业企业营收额;石墨烯行业区域企业数量;石墨烯行业企业产能

行业概况

1、定义

石墨烯，是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。应用于物理、材料、电子信息、计算机等众多领域，具有较好的额导热性、光学特性和稳定性。石墨烯虽然从合成和证实存在到今天只有短短十几年的时间，但目前已经得到了较为广泛的应用。石墨烯层数可分为单层石墨层、少层石墨烯和多层石墨烯;按照功能化形式可以分为氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯等;按照产品形态又可分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜。

2、产业链剖析：下游应用较为广泛

石墨烯产业链的上游为石墨矿资源及生产设备;中游为石墨烯薄膜和石墨烯粉体制造;下游主要的应用以新能源、涂料、大健康、节能环保、化工新材料、电子信息等六大产业。

目前，我国石墨烯产业链的上游石墨烯矿产及设备公司有方大炭素、思泉新材和宝泰隆等;中游石墨烯粉体和薄膜的生产公司有常州二维碳素、第六元素和中泰化学等;下游应用领域众多，目前较为广泛的新能源领域的代表企业有贝特瑞新材料、东方碳素、南都电池和欣旺达等;涂料领域的代表性企业有墨睿科技和深创时代等;大健康领域代表性公司有烯旺科技和圣泉集团等;节能环保领域的代表性企业有正拓能源和驰飞等;化工新材料的代表性企业有新纶科技和华高烯暖等;电子信息领域的代表性企业包括远望谷和汉威电子等。

行业发展历程：行业处在突飞猛进阶段

石墨烯的理论研究始于1947年，迄今已有70余年的历史。但真正能够独立存在的二维石墨烯晶体则是出现在2004年，英国曼彻斯特大学天文物理学教授Andre K. Geim领导的研究小组利用微机械剥离方法首次获得了石墨烯，标志着这一新型材料的问世。中国国家自然科学基从2007年开始对石墨烯项目投资，促进了我国石墨烯产业的发展。2013年以来，石墨烯先后被列入“十二五”“十三五”规划中，政策的推动促使了我国一大批石墨烯企业的诞生，石墨烯生产开始走向批量化、规模化。2017年至今，石墨烯已经在锂电池、太阳能、散热材料、电缆LED等行业有了较为广泛的应用。

行业政策背景：“十四五”规划愈发重视石墨烯行业的发展

相比于国外政府较早进行政策扶持，我国直到2012年才由工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，首次明确提出支持石墨烯新材料的发展。之后，我国先后出台《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》《国家创新驱动发展战略纲要》《新材料产业发展指南》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等文件，确立石墨烯在新时代我国制造业发展中的重要战略地位，鼓励在电化学储能、海洋工程、柔性电子器件、重大环保技术装备、汽车、航天航空行业等领域拓展石墨烯应用。2021年，国家发改委发布了《国民经济和社会发展第十四个五年规划纲要》，提出大力支持发展新材料产业的重点任务。

行业发展现状

目前，石墨烯产品主要为石墨烯粉体和石墨烯薄膜。石墨烯粉体主要应用于防腐涂料、锂电池、超级电容、导热塑料、消费电子散热片等行业;石墨烯薄膜主要在导热膜、柔性显示、传感器、集成电器等行业有较为广泛的应用。

1、供给：石墨烯粉体和石墨烯薄膜已经实现大规模量产

目前中国大部分石墨烯行业代表性企业均已建立石墨烯产品生产线，其中，在明确公布产量数据的企业中，第六元素、凯纳股份、青岛昊鑫及先丰纳米的石墨烯相关产品产能均达到了千吨级别。此外，根据2021年11月12日举办的2021(第八届)中国国际石墨烯创新大会公布的数据，目前中国已成为石墨烯材料生产大国，石墨烯粉体产能达万吨，石墨烯薄膜产能740万平米。

注：上述数据均来源于企业官网，部分企业官网数据未做更新。

2、需求：石墨烯需求不断增加，市场规模达百亿以上

2015年到2018年，我国石墨烯产业处于高速发展期。据中国经济信息社数据统计，2015年石墨烯市场规模仅为6亿元，2018年我国石墨烯产业规模约为111亿元，复合增长率高达117%。在高速发展后，从2019年开始石墨烯行业进入快速平稳发展期，增速有所降低，根据赛迪智库发布的《2020年中国石墨烯产业发展形势展望》估算，2019年中国石墨烯规模将达到120亿元;根据石墨烯联盟公布的数据，2020年国内石墨烯相关领域市场规模达140亿元。初步估测2021年中国石墨烯市场规模或达到157亿元。

3、专利情况：2020年石墨烯相关专利申请热度最高

根据智慧芽搜索结果，2015-2022年9月，我国石墨烯相关专利申请数量先增后降，2020年相关专利申请数量达到峰值33390项，2021年相关专利申请数量下降至30165项。此外，截至2022年9月的石墨烯相关专利中，发明申请类型的专利占比最多，达到了57%，其次为授权发明，占比为27%。

注：查询时间为2022年9月26日。

4、发展痛点：关键技术制约下游应用拓展

由于石墨烯从发现至今仅经历10余年时间，其发展仍处于较新的阶段，尽管石墨烯在规模化生产技术和 工艺装备等方面均取得重大进展，但其低成本规模化制备技术、下游应用技术、绿色制备技术等方面仍存在技术瓶颈，且产品普遍存在尺寸和层数不均匀、质量不稳定等问题，材料的各项性能指标远不及实验室水平，难以满足大规模工业化量产的需求，制约了石墨烯在下游应用领域的拓展。

更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国石墨烯行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

未来发展是很有前途的，集多种优良性能于一身，应用潜力很大，是引领高科技的超级材料；突破石墨烯的技术研发，加快石墨烯的产业进程。

石墨烯在中国的研究与发展：

中国在石墨烯研究上具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。

如欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计划，拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所，力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。

石墨烯有望在诸多应用领域中成为新一代器件，为了探寻石墨烯更广阔的应用领域，还需继续寻求更为优异的石墨烯制备工艺，使其得到更好的应用。

石墨烯用途是：

石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。

相比之下，如今以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性；石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。

石墨烯（Graphene）是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。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，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。基础研究石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中，电子的质量仿佛是不存在的，这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动，从而必须用相对论量子力学来描述，这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向：一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验，可以在小型实验室内用石墨烯进行。零能隙的半导体主要是单层石墨烯，这种电子结构会严重影响到气体分子在其表面上的作用。单层石墨烯较体相石墨表面反应活性增强的功能是由石墨烯的氢化反应和氧化反应结果显示出来的，说明石墨烯的电子结构可以调变其表面的活性。另外，石墨烯的电子结构可以通过气体分子吸附的诱导而发生相应的变化，其不但对载流子的浓度进行改变，同时可以掺杂不同的石墨烯。传感器石墨烯可以做成化学传感器，这个过程主要是通过石墨烯的表面吸附性能来完成的，根据部分学者的研究可知，石墨烯化学探测器的灵敏度可以与单分子检测的极限相比拟。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料，石墨烯制成的传感器在医学上检测多巴胺、葡萄糖等具有良好的灵敏性。红外光束激发等离子体石墨烯传感器示意图晶体管石墨烯可以用来制作晶体管，由于石墨烯结构的高度稳定性，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下，目前以硅为材料的晶体管在10纳米左右的尺度上就会失去稳定性；石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点，又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz，超过同等尺度的硅晶体管。

它是由碳原子紧密堆积而成的二维晶体，是目前最知名也是最坚硬的纳米材料之一，具有超薄、超轻、超柔、高强度、超导、良好的导热性和透光性等特点，集良好的透光性、高导热性、高电子迁移率、低电阻率、高机械强度等多种优良性能于一身。它在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等许多领域具有广泛而巨大的应用潜力。它是引领未来高科技竞争的超级材料，被称为 "黑金 "和 "新材料之王"。石墨烯电池。石墨烯电池的现状和发展是可行的。

石墨烯电池，是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速、大量穿梭运动的特性而开发的一种新能源电池。新型石墨烯电池实验阶段的成功，无疑将成为电池行业新的发展点。电池技术是电动汽车推广和发展的最大门槛，而电池行业正处于铅酸电池和传统锂电池都遇到瓶颈的阶段。石墨烯储能设备研发成功后，如果能够实现量产，将给电池行业乃至电动汽车行业带来新的变化。石墨烯电池的原理。石墨烯电池的现状和发展可行性。铜离子带有双正电荷，由于室温下溶液的热能，铜离子以每秒约300米的速度穿过溶液。

当离子撞向石墨烯带时，碰撞产生的能量足以使电子离开石墨烯，当它们不在原位时。电子有两个选择：它们可以离开石墨烯带并与铜离子结合，或者它们可以穿过石墨烯并进入电路。流动的电子在石墨烯中的速度比它们在溶液中移动的速度快，所以电子自然会走一条路，通过电路。正是这一点点亮了LED灯，"而释放的电子更有可能通过石墨烯表面而不是进入电解质。这就是该设备产生电压的方式。石墨烯电池的现状。石墨烯具有优良的光学、电学和机械性能，在材料科学、微纳米加工、能源、生物医学和药物输送等方面具有重要的应用前景，被认为是未来的革命性材料。

根据石墨烯电池产业的发展趋势分析，我国石墨烯产业起步较早，产业链初步形成，整个产业呈现出蓬勃发展的势头。下游厂商已经能够参与全球石墨烯市场竞争，在石墨烯研究和生产方面取得了领先优势，是我国少数能够基本与国际先进国家接轨的新兴产业之一。石墨烯电池的现状和发展可行性。就石墨烯的发展现状而言，世界上已有80多个国家和地区开展了石墨烯研究。一般来说，世界各国前期的支持政策主要集中在石墨烯基础研究方面，注重石墨烯制备技术的开发等。

目前，大部分都是围绕石墨烯产业链的中游，以石墨烯功能器件的研发为主，着力推动石墨烯产业向下游转移。预计未来5-10年，对石墨烯产业的支持仍将集中在石墨烯中游产业链上，以进一步加快石墨烯的产业化进程。石墨烯电池的发展可行性。石墨烯电池的现状和发展可行性。纵观中国乃至世界，石墨烯产业化和材料革命正处于突破的前夜。虽然目前石墨烯的应用还没有大规模投入市场，存在风险和不确定性，但未来的发展潜力和动力是巨大的。由于铅酸电池市场巨大，石墨烯在这一领域大有可为。