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2020年石墨烯行业发展现状及前景分析
2020-4-7 15:29:00 互联网

2020年石墨烯行业发展现状及前景分析

石墨烯从一出世就备受关注,石墨烯可谓是新材料王者,石墨烯有可能成为有史以来最具颠覆性的单一发明之一,石墨烯对于各种各样的领域来说都是革命性的。石墨烯是世界上最薄、最硬的材料。石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。它的厚度大约为0.335nm,根据制备方式的不同而存在不同的起伏,通常在垂直方向的高度大约1nm左右,水平方向宽度大约10nm到25nm,是除金刚石以外所有碳晶体(零维富勒烯,一维碳纳米管,三维体向石墨)的基本结构单元。

石墨烯的应用领域分析

石墨烯作为21世纪发现的物理、化学性能最为优异的材料,在能量存储、半导体制备、生物医药等领域的应用被寄于厚望。目前石墨烯在锂离子电池中的应用主要有三个方面,分别为作为负极材料、正极材料以及导电添加剂。石墨烯在锂电子电池负极材料中的应用最为成熟,目前已经相继在石墨烯改性硅基材料、石墨烯改性锡基氧化物、石墨烯改性过渡金属类材料、石墨烯改性其他碳材料等改性材料作为锂电池负极材料应用中取得进展。

石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的猫。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

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。消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,大规模商用指日可待。另一方面,新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

我国石墨烯研发领先,有望率先在复合材料、储能领域打开市场。我国石墨烯 专利申请全球第一,达 6714 件。石墨烯应用领域专利 5086 件,其中专利申请 量较多的主要有储能(锂离子电池、超级电容器、太阳能等),专利申请量 1432 件,占总申请量的 28%;复合材料(催化剂、导电/导热材料、吸波材料 等),专利申请量 1675 件,占总申请量的 33%。

石墨烯产业发展联盟将以推进产业创新发展、扩大石墨烯材料应用为目标,采取“一条龙”模式,构建产业链、完善创新链,强化上下游互动,协同突破制约应用和推广的“瓶颈”,做大做优做强石墨烯材料及应用开发。

中国石墨烯产业现状

石墨烯由于具有非常突出的光学、电学、力学特性,在微纳加工、材料学、生物医学、能源和药物传递等方面具有重要的发展潜质。石墨烯及其相关材料对市场与产业的影响主要体现在两大领域。一是能源存储与转换,以及新型功能轻质复合材料领域,石墨烯及其材料将有可能集成到新型飞机、大巴、电动汽车等交通运输系统之中;二是信息领域,石墨烯材料凭借其特殊的电学和光学性能,有望用于新型信息处理和通讯系统。目前来看,第一个领域内的石墨烯的价值正逐步显现并开始获得市场的认可,比其在微电子芯片等高端领域可能会走得更快。目前,中国在石墨烯科研方面已走在了世界前列,而且正处于从实验室研究迈向工业化生产、产业化应用的关键时期。在化学、材料、物理、生物、环境、能源、通信等众多领域均已取得一系列重要进展。有关石墨烯制备及相关应用开发企业的数量也正在快速增长中,涉及产业链的多个方面。“十三五”期间,石墨烯产业将逐步形成电动汽车锂电池用石墨烯基电极材料、海洋工程用石墨烯基防腐涂料、柔性电子用石墨烯薄膜和光电领域用石墨烯基高性能热界面材料四大类产业,全行业产业规模有望突破千亿元。

石墨烯正处于大规模产业化前夕,发达国家聚焦石墨烯功能器件研发和应用,未来5至10年全球石墨烯市场将进入高速发展期。美、欧、日、韩等地区密集发布政策,扶持石墨烯功能器件研发和产业化应用。欧美企业占据全球石墨烯产业链关键环节,石墨烯制备技术,复合材料、核心电子元件等应用产品保持领先优势,亚洲石墨烯应用市场前景向好。2014年以来,全球石墨烯市场规模呈现爆发性增长;2017年,全球石墨烯市场规模达到1346万美元。

中国石墨烯行业企业以小型、初创型占比较多,中型、大型企业数量相对较少。随着石墨烯产业化的推进,小型企业数量占比上升,中型企业规模化发展也有所加强。截至2017年12月底,在工商部门注册的营业范围包含石墨烯相关业务的企业数量达4800多家。这些企业主要集中于石墨烯研发、销售、制备、技术服务等方面,其中,应用环节集聚企业最多,2017年占比达到39%;研发、制备、技术服务企业数量比重也超过10%。虽然全国涉及石墨烯生产、制造、研发、销售、其他服务的企业数量众多,但是整体经营规模较小,龙头企业竞争力不足。

在国家政策引导下,各地纷纷布局石墨烯。目前,中国石墨烯全产业链雏形初现,覆盖从原料、制备、产品开发到下游应用的全环节,已基本形成以长三角、珠三角和京津冀鲁区域为集合区,多地分布式发展的石墨烯产业格局。

中国石墨烯产业市场容量

由于石墨烯在能源、材料等各大领域都具有巨大的应用潜力,世界各国对石墨烯都给予了很高的关注。随着石墨烯产业化方向的逐渐清晰,目前,全球已有80多个国家投入石墨烯的研发、生产。美国、欧盟、日本、韩国等相继发布或资助了一系列相关研究计划和项目。特别是欧盟制定了石墨烯旗舰计划,计划投入10亿欧元。不仅如此,IBM、英特尔、陶氏化学、三星等国际知名跨国企业纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,而且还涌现出了大批专门从事石墨烯研发、生产和应用的机构和企业。随着石墨烯制备技术进一步推动规模化应用,2025年全球石墨烯规模有望达到21.03亿美元。

据中国石墨烯产业联盟预计,到2020年,石墨烯在新能源行业的锂电池和超级电容市场规模将突破534亿元;电子信息行业的柔性显示和可穿戴领域,市场规模将突破267亿元;在复合材料市场的塑料、橡胶、涂料、导电油墨四大领域,规模将突破372亿元;在节能环保领域,将突破90亿元;在热管理领域,电子产品散热膜、LED散热材料、石墨烯发热膜等市场规模将突破341亿元;在生物医药领域方面,石墨烯应用于生物安全、纳米载药体系、基因治疗、生物监测以及生物成像和诊断方面,市场规模将突破91亿元。因此,柔性显示、锂电池和复合材料等领域是石墨烯未来产业化突破的重点领域。随着“工业4.0”提升为国家战略,石墨烯量产将加快石墨烯在智能终端、新能源汽车、复合材料加工、智能穿戴、洁净能源、航天军工、智能家居等领域的应用。

中国石墨烯产业市场格局

目前中国已经基本形成以长三角、珠三角和京津冀鲁区域为聚合区,多地分布式发展的石墨烯产业格局。我国石墨烯产业化势头强劲,多个具有石墨烯特色的产业创新中心已露雏形。尤其是长三角地区,“东方碳谷”常州因其石墨烯相关产业的高度集聚而备受关注,宁波有中科院宁波材料所作为支撑,外加上海高校与科研院扎实的科研能力,三地之间协同发展、优势互补,石墨烯生产制备技术不断取得突破,应用产业化步伐迅速。截至2018年,全国各地在建或已建成的石墨烯研究院或产业基地已超过20家,除了常州、北京、无锡等先发城市,四川攀枝花、陕西宝鸡、哈尔滨等紧跟上步伐。

石墨烯作为新材料产业的先导,在带动传统制造业转型升级,培育新兴产业增长点,推动大众创业、万众创新的作用越来越显著。据相关统计数据显示,2017年,中国石墨烯产业规模达到70亿元,较2015年增长了10倍还多,2018年中国石墨烯市场规模约280亿元,未来五年年均复合增长率约70.48%,发展势头十分迅猛。

据中研普华研究报告《2020-2025年中国石墨烯行业全景调研与发展战略研究咨询报告》分析显示

目前石墨烯产业面临挑战

石墨烯产业化在中国起步早,发展迅速,得益于科研单位和政府的政策支持,以及相关产业资金的大力投入,目前中国在石墨烯的研发上处于领先水平,已申请超过2200项专利,占世界的三分之一。不过尽管目前在低端领域生产及应用已初具规模,但量产成熟尚需5至10年。正如福建省石墨烯专项规划指出的,目前石墨烯产业发展尚未形成完整链条,石墨烯低成本规模化绿色制备技术存在瓶颈,针对不同应用产品的修饰、改性、复合、集成、功能化等技术仍需要提高,下游应用产品低端化、种类较少、规模不大,缺乏杀手级应用。以石墨烯电池为例,当前石墨烯电池推向市场不仅受价格因素的制约,在生产工艺上、实用性等方面也还有很长的路要走。

2020石墨烯行业前景预测

石墨烯因其优异的电化学特性,除了在锂离子电池、超级电容器中应用之外,还被用于其它领域。石墨烯在未来各个领域都有极其重要的应用价值,发展前景广阔,市场潜力巨大。

未来,石墨烯行业区域发展将呈现三大趋势:一是将呈现东部沿海地区“强者愈强”态势,资源要素继续向优势地区汇聚的趋势;二是热点城市不断涌现,产业园区“遍地开花”,各地政府纷纷上马建设各种石墨烯研究院及产业园,将石墨烯产业作为发展重点;三是将呈现“特色化、差异化”发展,区域分工格局更加明晰。

未来石墨烯产业将在三个领域有重大作为。一是类似碳纤维的石墨烯材料,将广泛应用于航空航天等高端装备制造业;二是类似于塑料的石墨烯材料,将广泛应用于人们的日常生活中,甚至可能在未来成为像塑料一样普遍的材料;三是类似硅材料的石墨烯材料,将广泛应用于集成电路领域,有望大大加速集成电路产业的发展,进而推进整个信息产业的再次产业革命。

公开数据显示,目前全球石墨烯年产能已达到百吨级。业内预计,未来五年到十年,石墨烯年产能将达到千吨级。到2020年,石墨烯产业化规模将取得突破,并达到千亿级别。其中,新能源市场规模将突破534亿元,复合材料市场规模将突破372亿元,电子信息行业市场规模将突破267亿元。

未来石墨烯产业的市场潜力和发展空间可谓超乎想象,欧盟、中国、美国、英国、韩国等纷纷将这一具有革命性意义的新材料研究提升到了战略高度,并投入巨资加快石墨烯的技术研发和产业化发展。目前,石墨烯已广泛应用于基础研究、传感器、晶体管、柔性显示屏、新能源电池、海水淡化、储氢材料、航空航天、感光元件、复合材料、生物等诸多领域。

中国石墨烯产业联盟预计,到2020年,石墨烯产业化规模将取得突破,全球石墨烯材料市场将达1000亿元,分布在新能源、电子信息、复合材料、节能环保、热管理、生物医药等各领域。未来10年内,石墨烯主要作为改性材料来提高传统材料与功能器件的性能,主要应用领域包括动力电池/超级电容、防腐涂料、改性化纤、改性橡塑材料和导热散热材料等,其价值在于支撑传统产业升级换代。未来10-20年,石墨烯将在柔性电子产业领域将发挥关键作用,在柔性显示、柔性传感、可穿戴设备等领域催生变革性技术和新兴产业,预计到2030年,石墨烯相关材料和技术将可以直接转换成为消费品,走到消费者身边。未来20年之后,石墨烯作为下一代高频晶体管核心材料的技术将走向成熟,由此在电子信息技术领域引发颠覆性技术革命。

未来中国的石墨烯市场将占据全球石墨烯市场份额的一半以上,成为全球石墨烯行业发展最强有力的推动力量,在全球石墨烯市场上占据主导地位。对此,中研普华利用多种独创的信息处理技术,对石墨烯行业市场海量的数据进行采集、整理、加工、分析、传递,为客户提供一揽子信息解决方案和咨询服务,最大限度地降低客户投资风险与经营成本,把握投资机遇,提高企业竞争力。欲了解关于中国石墨烯行业具体详情可以点击查看中研普华研究报告《2020-2025年中国石墨烯行业全景调研与发展战略研究咨询报告》。


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