全球石墨烯專利最為集中的前五個領(lǐng)域分別為鋰電子電池、生化傳感器、超級電容器、催化劑及導(dǎo)電復(fù)合材料。 在鋰電子電池應(yīng)用方面的專利數(shù)最多，為646件，占所有領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)的12.7%。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來的二維碳材料，按照碳原子層數(shù)可分為單層石墨烯、多層石墨烯及石墨烯微片。其中單層石墨烯是指碳原子僅僅在二維平面以六角蜂巢結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成的嚴(yán)格單層碳材料，是一種沒有能隙具有線性能量分布的半導(dǎo)體，由于電子可以在晶體中自由移動而賦予單層石墨烯非常好的導(dǎo)電性。

　石墨烯的種類

石墨烯單層碳結(jié)構(gòu)

在力學(xué)方面，石墨烯是人類已知最強(qiáng)最高的物質(zhì)，其楊氏模量達(dá)1Tpa，與單壁碳納米管相當(dāng)。強(qiáng)度約為 180GPa，是普通鋼材的100倍。此外，石墨烯還具有良好的韌性，單位面積石墨烯 片可承受4kg重量，可見其韌性相當(dāng)于碳纖維的20倍；在熱學(xué)方面，石墨烯自身的 導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到5300W/moK，是室溫下最好的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱性能是碳納米管的1.51 倍，是銅的13倍；在電學(xué)方面，石墨烯是室溫下最好的導(dǎo)電材料，由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)使常溫下電子運動干擾小，傳輸質(zhì)量大幅提高。石墨烯的電學(xué)性能突出表現(xiàn) 在高載流子遷移率及高電流密度，其載流子遷移率達(dá)15000cm2/Vos，相當(dāng)于商用硅 片的10倍。電流密度耐性為2億A/cm2，相當(dāng)于銅的100倍。

石墨烯的特殊性能

石墨烯除具有優(yōu)異的熱學(xué)、力學(xué)及電學(xué)性能外，還具有幾類特殊功能如低溫吸氫、常溫?zé)o散射、應(yīng)變傳感等，這使得石墨烯能用于制作吸氫材料、無散射傳輸器件、應(yīng)變傳感器、雙極半導(dǎo)體和類催化劑等。綜合分析石墨烯的各類優(yōu)異性能及特性，石墨烯將來運用的領(lǐng)域?qū)謴V闊，且主要集中在電子行業(yè)及化工行業(yè)，尤其是在電子行業(yè)的鋰電池電極、觸摸屏、超級電容領(lǐng)域和化工行業(yè)的涂層、保險、吸附、淡化領(lǐng)域。

石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯的獨特用途

在全球主要優(yōu)先權(quán)專利申請件數(shù)排位中，中國、韓國、美國申請件數(shù)名列前三，分別為6714、2892、2632件。石墨烯的研發(fā)主要集中在亞洲及北美洲，其中中國是主要的研發(fā)國家，最早優(yōu) 先權(quán)專利申請數(shù)約占全球50%。全球前十位石墨烯專利申請人中，有五位是中國高 校，兩位是韓國高校，只有三家是企業(yè)，高校占70%，可見目前石墨烯的研發(fā)主力仍然在高校。從專利數(shù)量看，專利申請數(shù)最多的申請人為韓國三星、韓國高科技學(xué) 院及美國IBM，專利申請數(shù)分別為503、223、199件，可見全球石墨烯研發(fā)技術(shù)領(lǐng)先機(jī)構(gòu)主要分布在韓國。

當(dāng)前在石墨烯研發(fā)重點在高端光電元件。以歐盟為例，歐盟擬定了未來20年石墨烯研發(fā)藍(lán)圖， 其在近期將加大力度研發(fā)觸摸屏、電子紙、折疊式OLED、光纖激光器等光電元件。 至2020年以后，石墨烯研發(fā)往高端光電元件邁進(jìn)，主要為晶體管及光學(xué)發(fā)生器、調(diào)節(jié)器等。現(xiàn)階段石墨烯的制取工藝研究及向下游應(yīng)用拓展為主要發(fā)展方向，近期的重大成果主要集中在石墨烯制備、可穿戴設(shè)備、油墨印刷、鋰電池等方面。

2012-2016年石墨烯部分重大研發(fā)成果

歐盟等國家對石墨烯性能關(guān)注點主要集中在其優(yōu)良的光電特性，并制定了長遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)，對石墨烯未來發(fā)展前景非常樂觀。。石墨烯在不同的產(chǎn)業(yè)化階段具有不同的重點應(yīng)用領(lǐng)域。第一階段主要為低端石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化，此時石墨烯制備技術(shù)日趨成熟，石墨烯下游需求逐漸打開，石墨烯的量產(chǎn)化及石墨烯材料對傳統(tǒng)材料 的替代進(jìn)程加快。從15年至今，國內(nèi)首個單層石墨烯量產(chǎn)化基地的落戶廈門。

石墨烯電子紙、柔性屏及石墨烯手機(jī)的問世，都預(yù)示著我國石墨烯已經(jīng)初步踏入產(chǎn)業(yè)化階段。隨著下游應(yīng)用市場的打開、中高端石墨烯材料研究技術(shù)的成熟，石墨烯作為優(yōu)質(zhì)材料的特性將得到更充分挖掘，產(chǎn)業(yè)化將會逐步進(jìn)入第二階段。石墨烯在制備和應(yīng)用上不斷有技術(shù)突破，主要集中于石墨烯的薄膜的制取和應(yīng)用。根據(jù)石墨烯的發(fā)展前景，目前石墨烯發(fā)展主要受限于成本昂貴而可替代品價格較低，但隨著研究的不斷深入，石墨烯還是未來發(fā)展應(yīng)用的目標(biāo)。

英國在2014-2015年間總計投入1億英 鎊成立石墨烯研發(fā)機(jī)構(gòu)；美國政府在2014年投入2800萬美元用于石墨烯的進(jìn)一步研 究，此外國際巨頭石墨烯巨頭IBM公司預(yù)計在未來五年內(nèi)投入30億美元研究石墨烯 相關(guān)芯片技術(shù)；歐盟將石墨烯研究上升至戰(zhàn)略高度，計劃在2023年前投入累計10億 歐元資助；韓國則預(yù)計在2012-2018年內(nèi)投入約3億美元用于石墨烯的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化； 日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省投入9億日元，重點研究碳納米管和石墨烯批量合成技術(shù)。

　歐盟及各國近期對石墨烯的布局

我國將石墨烯納入《新材料產(chǎn)業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》中鼓勵發(fā)展的新材料，而《中國制造2025》則進(jìn)一步明確規(guī)劃了未來十 年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑，總體目標(biāo)是2020年形成百億規(guī)模， 2025年突破千億，重點是石墨烯制備實現(xiàn)規(guī)?；?，儲能電化學(xué)器件等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

中國制造2025石墨烯材料總體布局

目前，新材料 “十三五”規(guī)劃編制已經(jīng)基本結(jié)束。公開信息顯示，其中前沿新材料領(lǐng)域，將重點發(fā) 展石墨烯、3D打印、超導(dǎo)、智能仿生等4大類14個分類材料，并形成一批潛在市場規(guī)模在百億至千億級別的細(xì)分產(chǎn)業(yè)。新材料“十三五”規(guī)劃將催生萬億級別的大市場，石墨烯作為性能優(yōu)異的前沿材料，其產(chǎn)業(yè)化將迎來跨越式發(fā)展的歷史機(jī)遇。

全球石墨烯專利最為集中的前五個領(lǐng)域分別為鋰電子電池、生化傳感器、超級電容器、催化劑及導(dǎo)電復(fù)合材料。 在鋰電子電池應(yīng)用方面的專利數(shù)最多，為646件，占所有領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)的12.7%。可見石墨烯的應(yīng)用研究在鋰電池領(lǐng)域最為成熟，在產(chǎn)業(yè)化推廣上的技術(shù)難度最低。

根據(jù)石墨烯在電子領(lǐng)域的下游需求情況、應(yīng)用優(yōu)勢及產(chǎn)業(yè)主要障礙分析可得出石墨烯首先會在鋰電池電極添加劑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。由于石墨的鋰電池電極添加劑的研發(fā)技術(shù)較為成熟，且量產(chǎn)難度主要在于復(fù)合材料中石墨烯分布的均勻性，在合成控制及成本方面具有優(yōu)勢，因而相比其他電子領(lǐng)域，其產(chǎn)業(yè)化時間更早。其次為為導(dǎo)熱 膜及觸摸屏，由于研發(fā)技術(shù)較為成熟，產(chǎn)業(yè)化預(yù)期比柔性導(dǎo)電膜及超級電容提前1-2年。

　石墨烯在電子領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

從產(chǎn)業(yè)鏈上看，鱗片石墨礦經(jīng)過初加工及深加工后制成石墨烯制品。石墨烯在鋰電池中的添加形式主要有導(dǎo)電添加劑、電極復(fù)合材料及直接作為負(fù)極材料三種形式。添加石墨烯后的鋰電池則在主要運用與智能手機(jī)、筆記本電腦、移動電源及可穿戴設(shè)備、電動交通工具及工業(yè)儲能等下游領(lǐng)域。

石墨烯-鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈

全球動力鋰電池市場規(guī)模逐漸擴(kuò)大，2012年動力鋰電池市場規(guī)模約為300億元，預(yù)計每年保持約30%平均增長率，至2020年全球動力鋰電池市場規(guī)模達(dá)到2100億元，為2012年的7倍。 與此同時，各國動力鋰電池廠家紛紛擴(kuò)增產(chǎn)能，以中國為例，2017年國內(nèi)預(yù)計擴(kuò)增 產(chǎn)能約為15.2Gwh，而15年國內(nèi)動力鋰電池總產(chǎn)能為18.97Gwh，產(chǎn)能擴(kuò)張將近80%。

　2012-2020年全球動力鋰電池市場規(guī)模及預(yù)測

　　2016年國內(nèi)主要動力鋰電池廠家新增產(chǎn)能

全球便攜式鋰電池市場規(guī)模自2012年以來逐 年增長，預(yù)計未來在2020年以前保持每年約10%的平均增長率。其中鋰電池在手機(jī)、 平板電腦及筆記本方面的需求量將保持8%的年平均增長率，預(yù)計2017年便攜式鋰電 池在手機(jī)、平板電腦及筆記本方面的需求量達(dá)到45，000MWh。

2012-2020年全球便攜式鋰電池市場規(guī)模預(yù)測

　　2013-2017年手機(jī)、平板電腦及筆記本便攜式鋰電池需求量

當(dāng)前國內(nèi)石墨烯初具規(guī)模的廠家主要青島昊鑫、東莞鴻納新材料、北京墨烯、德陽烯碳、濟(jì)寧利特和第六元素，隨著國內(nèi)鋰電池下游產(chǎn)能的擴(kuò)張，以及生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，廠家的研發(fā)動力十足，發(fā)展前景可期。

石墨烯導(dǎo)電劑按照溶劑類型，可分為水漿料、NMP漿料、粉末類導(dǎo)電劑。在水 漿料和NMP漿料型導(dǎo)電劑中，石墨烯含量一般為5.0±0.1wt%，分散劑含量為0-0.5 wt%。粉末類石墨烯導(dǎo)電劑，需要添加水或NMP及分散劑，配制成水漿料及NMP漿料型導(dǎo)電劑后才可添加于鋰電池正負(fù)電極中。

石墨烯相比傳統(tǒng)導(dǎo)電劑，其接觸方式主要為“面對點”，由于其極薄的顆粒尺寸及晶相內(nèi)自由移動的電子 使得石墨烯的粉體導(dǎo)電率達(dá)到1000S/cm，為導(dǎo)電碳黑的100倍。在導(dǎo)電添加劑用量 為1-6wt%的范圍內(nèi)，石墨烯導(dǎo)電劑的電阻率均僅為同濃度的導(dǎo)電碳黑1/40-60，僅 為同濃度碳納米管1/10左右。關(guān)于放電性能上，在10C、電池容量為0-133mAhog-1時，石墨烯的放電電壓明顯高于導(dǎo)電碳黑，由此可知，石墨烯的電學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)電劑。

不同添加量對電極電阻率的影響(Ω*cm)

10C下，石墨烯與導(dǎo)電碳黑放電倍率曲線

石墨烯導(dǎo)電劑與傳統(tǒng)導(dǎo)電劑比較

當(dāng)前制備石墨烯的方法主要有微機(jī)械玻璃法、氣相沉積法、外延生長法及氧化石墨還原法。決定量產(chǎn)的關(guān)鍵因素是產(chǎn)品的尺寸，其次是制造成本與產(chǎn)品質(zhì)量。氧化石墨還原法及氣相沉積法均可制得大尺寸的石墨烯，前者雖然易導(dǎo)致石墨烯分子結(jié)構(gòu)破壞但具有成本優(yōu)勢，后者盡管成本較高但具有質(zhì)量優(yōu)勢。石墨烯制備方法的成熟為產(chǎn)業(yè)化提供了前提條 件，我國政府也在《中國制造2025》中明確提出要在2020年實現(xiàn)石墨烯原材料規(guī)?；a(chǎn)。

預(yù)計在政府的支持及生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)下，石墨烯原材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將加速，而石墨烯導(dǎo)電劑在充足的石墨烯原材料供應(yīng)的條件下，將會迅速在下游市場中得到大規(guī)模推廣。

四種石墨烯制備方法對比

據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前CVD法 生產(chǎn)單層石墨烯的成本約為7歐元/平方厘米，未來幾年內(nèi)隨著石墨烯生產(chǎn)工藝的成 熟，生產(chǎn)成本將進(jìn)一步降低。預(yù)計2020年，CVD法生產(chǎn)單層石墨的成本將降至0.07 歐元/平方厘米。石墨烯生產(chǎn)價格的大幅降低，將使石墨烯導(dǎo)電劑突破成本瓶頸，從而以更加合理價格占領(lǐng)下游市場。

根據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015 年石墨烯導(dǎo)電劑的價格為 230 美元/千 克，與碳納米管導(dǎo)電劑價格大致相同。但是，石墨烯導(dǎo)電劑價格下降的幅度將遠(yuǎn)超 于碳納米管導(dǎo)電劑價格的下降幅度，預(yù)計到 2020 年，石墨烯導(dǎo)電劑價格將降至 113 美元/千克，碳納米管價格依然維持在 200 美元/千克的水平，石墨烯導(dǎo)電劑的價格 優(yōu)勢逐漸凸顯。

石墨烯復(fù)合電極材料主要可分為正極復(fù)合材料及負(fù)極復(fù)合材料，相比純電極材料，能夠大幅改善電極循環(huán)性能，減少傳荷電阻，使電極導(dǎo)電性明顯改善。

鋰電池中石墨烯復(fù)合電極材料種類及優(yōu)勢

國內(nèi)當(dāng)前石墨烯復(fù) 合電極相關(guān)專利約有124項，其中2014年公開專利51項，專利數(shù)為歷年最多。其中 涉及鋰電池的石墨烯電極復(fù)合材料約為14項，以負(fù)極運用為主。專利申請人中企業(yè) 僅占35%，可見鋰電池石墨烯復(fù)合材料的研發(fā)主體依然為科研機(jī)構(gòu)，然而亦有多家企業(yè)投入研究。由于石墨烯在鋰電池復(fù)合電極材料中研發(fā)技術(shù)相對較成熟，考慮到合成工藝控制因素，預(yù)計產(chǎn)業(yè)化時間將比石墨烯導(dǎo)電劑晚1-2年。（來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)）