【新材料】《石墨烯产业发展白皮书》正式发布

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来源|新材料在线

编辑|独角兽智库

  1、石墨烯产业发展概述

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是碳的多种形态中的基本结构，碳的其他形态为石墨、金刚石、碳纳米管、富勒烯。

图1石墨的几种形态

Source：赛瑞研究整理

2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授，在实验室成功从石墨片中剥离出了石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在，并在2010年荣获诺贝尔物理学奖，从此石墨烯走入大众的视野，在全球范围里掀起了石墨烯制备和应用的研究热潮。

石墨烯堪称超级的物理特性主要包括：

图2石墨烯的特性

Source：赛瑞研究整理

石墨烯的制备方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两类方法。“自上而下”法是通过剥离石墨材料来制备石墨烯层，如微机械剥离法、氧化石墨还原法、碳纳米管轴向切割法、液相分离法；而“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（CVD）、外延生长法、有机合成法等。

表1石墨烯主要制备方法的比较

Source：江苏省科技创新协会科技政策研究中心、费钟琳/应艺

  2、全球石墨烯产业发展现状

2.1、全球市场概况及预测

全球石墨烯市场可以分为两大类：即氧化石墨烯（GO）、石墨烯纳米片（GNP）和其他。其他类型的石墨烯包括碳化硅石墨烯、还原氧化石墨烯（rGO）等，每一种类型都有不同的特点和用途。其中，氧化石墨烯在全球市场中份额最高，紧接着是石墨烯纳米片。

图3全球石墨烯市场规模按类型分

（其中内环为2015年，外环为2020年）

Source：MarketsandMarkets

氧化石墨烯是石墨烯的一种氧化形式，以粉末形式存在。当沉积在任意基板之后，氧化石墨烯可以转换为导体，从而可以制作导电膜、传感传感器、柔性电子设备和触屏等。低廉的成本和制作简单的特点使得氧化石墨烯是一种更受瞩目的石墨烯类型，氧化石墨烯的很多物理特性（例如拉伸强度、高弹性、良好的导电性等）使得其在很多领域都有很重要的应用，如医药、生物传感器、疾病检测、高分子材料、电池中的电子材料和纳米滤膜等。

和其他石墨烯类型相比，氧化石墨烯因为生产价格低廉因而在全球石墨烯市场中成长最快。随着对环保、稳定、无毒和柔性碳材料的需求的增长，石墨烯制造商在研发领域的投入也增加，以期能够生产出符合需求的石墨烯。

2014年和2015年，全球石墨烯市场规模估计分别为290万美元、336万美元。石墨烯正处于大规模产业化前夕，预计到2020年市场规模可以达到3.85亿美元。石墨烯将在散热材料，高性能计算系统(晶体管材料)，透明显示材料，超级电容器，锂电，传感器，结构材料等领域取得实际突破。到2025年，石墨烯市场规模将达到21.03亿美元。届时，超级电容器、结构材料、透明显示材料、高性能计算材料将释放更大的市场空间。

图4全球石墨烯市场规模预测（百万美元）

Source：赛瑞研究

2.2、全球石墨烯产业重点区域发展概况

①英国

英国是石墨烯的“诞生地”，但是相关研发和产业化却落后于中国、韩国、日本和新加坡等亚洲一些国家。

为改变这种局面，近几年，英国政府投入巨资加速石墨烯的研发。2011年，英国政府宣布投入5000万英镑（1英镑约合1.52美元）支持石墨烯研究，包括建立总投资达6100万英镑的国家石墨烯研究院；2012年12月，英国政府增拨2150万英镑用以资助石墨烯材料应用领域的研究；2013年英国政府联合欧洲研究与发展基金会共同出资6100万英镑在曼彻斯特大学成立国家石墨烯研究院，由两位诺贝尔奖得主领衔，该研究院预计于2015年初建成。2014年，英国政府联合马斯达尔公司宣布继续投资6000万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心，作为国家石墨烯研究院的补充，加速石墨烯的应用研究和开发，维持英国在石墨烯及其他二维材料方面的世界领先地位。英国财政大臣奥斯本称，英国政府将“致力于确保让英国的发现在英国做出名堂来”。

不仅如此，英国还涌现了众多致力于石墨烯生产和应用的公司，比如英国著名的体育用品海德公司已于2013年起推出了添加石墨烯的网球拍，诺瓦克·德约科维奇等众多网球明星都在使用这款球拍。

②美国

美国作为科技强国，研发实力强，对石墨烯的研究投入开始较早，投入力度也相对较大。美国国防部高级研究计划署2008年7月就发布了总投资2200万美元的碳电子射频应用项目，旨在开发超高速和超低能量应用的石墨烯基射频电路。2006年-2011年间，美国国家自然科学基金关于石墨烯的资助项目有200项左右，涵盖了石墨烯研究和应用的各个领域。2014年，国家自然科学基金投入1800万美元、美国空军科研办公室投入1000万美元对石墨烯及相关的二维材料开展基础研究。

美国良好的创业环境也促使了众多小型石墨烯企业的诞生，产业化和应用进程相对较快。美国具有众多研发实力强劲的大型企业，如国际商业机器公司（IBM）、英特尔、波音等投入大量的科研力量进行石墨烯的研发。2012年，美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路，使石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景，预示着未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片。2014年10月，IBM研究人员发现石墨烯材料能大幅降低蓝光LED成本，而这种技术有机会催生高频晶体管、光探测器、生物传感器以及其他“后硅时代”组件，为此，该公司计划未来5年内投入30亿美元研究下一代芯片技术。

③欧盟

欧盟近年来对石墨烯的研发也投入较大。截至2011年，欧盟总共投入了约1.5亿欧元推动石墨烯的相关研发。欧盟现有50余家公司在开展石墨烯的研发、产业化以及应用的推进。除了政府推动的学术研究，许多工业巨头，如巴斯夫及拜耳公司等，也投入了相当的人力和财力加强对石墨烯相关应用的研发。

2013年1月，欧盟委员会更是将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，计划10年内提供10亿欧元资助，将石墨烯研究提升至战略高度，旨在把石墨烯和其他二维材料从实验室推向社会，促进产业革命和经济增长，创造就业机会。该项目由瑞典查尔姆斯理工大学牵头、欧盟15个成员国的100多个研发团队组成，其中包括4名诺贝尔奖得主。

目前，在欧盟“第七框架计划（FP7）”下的过渡阶段（2013年10月1日至2016年3月31日）已经完美收官。这8项研究成果分别是：石墨烯神经元研究、石墨烯压力传感器、无摩擦石墨烯、石墨烯皮划艇、搅拌法生产石墨烯、石墨烯柔性显示屏、石墨烯光纤、石墨烯可充电电池。

作为欧盟的重要成员国，德国于2010年启动了石墨烯优先研究计划，包括38个研究项目，前3年预算经费为1060万欧元；德国联邦教研部也于当年投入了700万欧元资助相关研究，旨在加深对石墨烯性能的理解和操控，为新型石墨烯基电子产品奠定基础。2012年10月，德国慕尼黑工业大学的科学家成功制成石墨烯光电探测器，石墨烯制成的光电探测器能非常快速地处理和引导光电信号。

④韩国

韩国石墨烯相关研究与产业发展迅猛，这不但得益于韩国政府近年来不间断的支持，也得益于本国大型公司的巨大投入。韩国原知识经济部预计2012至2018年间向石墨烯领域提供总额为2.5亿美元的资助，其中1.24亿美元用于石墨烯技术研发，1.26亿美元用于石墨烯商业化应用研究。2013年，韩国产业通商资源部宣布整合韩国国内研究机构与企业力量推进石墨烯商业化发展，包括韩国科学技术院在内的41家研究机构将与6家企业形成石墨烯联盟，合作攻关，政府将在未来6年投入4230万美元，希望打造每年153亿美元的市场，形成25家全球领先企业。韩国注重保护和申请石墨烯专利，专利量居全球第三，仅次于美国和中国，远高于欧洲其他国家。

产业企业层面，韩国三星投入了巨大研发力量，保证了其在石墨烯应用于柔性显示、触摸屏以及芯片等领域的国际领先地位，在2011年研发出40英寸的石墨烯触摸屏面板。2014年，三星先进技术研究院与韩国成均馆大学联合宣布合成了一种能在更大尺度内保持导电性的石墨烯晶体，是一种可以用在柔性显示屏和可穿戴设备上的屏幕显示技术。韩国科学家也于去年11月宣布发明最新的石墨烯超级手机电池，可存储与传统电池等量的电量，但充电时间只需16秒。

⑤日本

日本作为碳材料产业最发达的国家之一，从2007年起就对石墨烯的开发进行资助。例如：日本科学技术振兴机构2007年就对石墨烯材料和器件的技术开发项目进行资助；经济产业省2011年实施的“低碳社会实现之超轻、高轻度创新融合材料”项目，重点支持了碳纳米管和石墨烯的批量合成技术。

除了日本政府的相关投入外，日本众多企业，如日立、索尼、东芝等投入了大量资金和人力从事石墨烯的基础研究以及应用开发，并取得了显著进展。日本索尼公司2012年就研发出了可以生成长度达120米的石墨烯的透明薄膜化学气相生长技术。

  3、中国石墨烯行业市场分析

3.1、行业发展概况

我国在石墨烯领域的研究起步与发达国家相比较晚，但在近些年的努力下，文献发表量和专利数量都已经位居全球首位，在石墨烯研究领域正和发达国家一样处于起跑阶段。2015年5月，国家金融信息中心指数研究院发布了全球首个石墨烯指数指数评价结果显示，我国全球石墨烯产业综合发展实力位列全球第3位（前2位分别为美国和日本）。

从宏观政策看，我国石墨烯的发展得到了国家和各级地方政府的大力扶持，国内石墨烯产业制备技术和应用技术均取得了长足发。国家在“十二五”规划中间明确将新材料列为重要的战略新兴产业；国家自然科学基金委员会已经陆续拨款超过3亿元资助石墨烯相关项目；国家引导石墨烯产业成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟，联盟成员已达53家，6位联盟常务理事单位分别对石墨烯技术路线、标准战略、专利布局、国际合作和产业促进进行支持和合理引导。

鉴于石墨烯的未来广阔的应用前景，民间资本纷纷介入石墨烯产业链。在产业园和创业基金等的积极引导下，一些创业者以技术为资本成立公司，一些上市公司以资金为优势介入石墨烯领域。上市公司通过引进石墨烯技术、与科研机构签订合作协议、设立产业技术投资基金或从战略角度构建产业链等方式参与石墨烯研发生产。目前部分石墨烯公司具备生产石墨烯粉体、浆液、导热膜、功能涂料、导电油墨和触控屏的能力，但在产品质量提升和下游市场开发方面仍存在巨大的提升空间，国内石墨烯产业尚未形成完整的、成熟的产业链。

总的来看，2014年，我国的石墨烯市场规模约为150万美元。随着石墨烯量产的解决和石墨烯下游的拓展，2015年中国石墨烯产业市场规模达到1630万美元，预计2020年其市场规模将达到2亿美元，并成为全球最大的石墨烯消费国家。

图5中国石墨烯市场规模（百万美元）及预测

Source：赛瑞研究

随着整个石墨烯产业技术的不断发展及下游应用的成熟，虽然还未出现具有“颠覆性”的应用方向，但是在一些相对成熟的领域的应用已经越来越明朗，如复合材料、防腐涂料、显示产业等领域都有着非常不错的发展势头。

3.2、石墨烯产业波特五力模型分析

图6波特五力模型

Source：赛瑞研究

波特五力分析对于企业是否进入或者退出这个市场有一定指导意义。该分析模型从五个方面来讨论了石墨烯市场，即供应商的议价能力,购买者的议价能力，潜在进入者的威胁，替代品的威胁，以来自目前在同一行业的公司间的竞争。

①潜在进入者的威胁

新进入者的威胁指的是行业的新竞争对手对目前已经有的企业所产生的威胁。石墨烯行业属于典型的技术密集型行业。行业潜在进入者将面临较高的行业技术壁垒，主要是宏量制备技术壁垒和应用技术壁垒。

石墨烯制备技术主要包括化学气相沉积法、氧化还原法、微机械剥离法和外延生长法等。在生产过程中，不同的制备技术存在不同程度的技术劣势，如采用CVD法生长石墨烯薄膜，生长和转移过程中的污染、破损问题都回带来缺陷和成品率的下降。克服制备技术的劣势并规模化生产出品质一致的石墨烯产品需要借助于强大的研究团队，并经过长期的技术、经验积累。

从另外一个角度看，高质量的石墨烯高质量的石墨烯产品需要高投入和长时间，但是一些方面的应用并不要求石墨烯的质量非常高，这就为很多新的企业进入该市场创造了条件。针对这一现象，许多企业在继续进行研发投资的同时，也在进行投资生产有效的且低价的石墨烯产品。此外，在石墨烯生产设施安装的过程中，工厂的位置和地域覆盖范围也是需要考量的因素。

因此，对于新进入该行业的企业来说，要想处理好上面提到的所有因素并不容易。潜在进入者的威胁对石墨烯市场的影响整体还比较温和。

②购买者议价能力

买家的议价能力指的是买家可以施加给制造商的压力。就石墨烯而言，买家的议价能力能力还比较温和，这是由于石墨烯市场是一个分散市场，有很多规模不等的企业和买家。此外，石墨烯产品的在很多方面都有应用，使得进入的企业越来越多，购买者可以根据自己的需求来选择卖家。

③替代品的威胁

替代品的威胁指的是可替代产品替换目前市场上产品的可能性。石墨烯是一种无毒、环境友好的材料，可以取代硅材料和其他现有材料。然而，目前市面上并没有合适的可替代石墨烯的材料，因此对于石墨烯材料市场的增长并没有构成影响。因此，就石墨烯市场而言，替代品的威胁非常小。

④供应商议价能力

供应商议价能力指的是供应商可以对石墨烯制造商施加的压力。石墨烯在全球市场中都有分散的供应商。然而，根据石墨烯价格和类型的不同，每一位供应商都会有不同的石墨烯应用。这就为购买者选择供应商的时候提供了多种选择。石墨烯可以根据行业不同而有不同应用，这也导致了供应商的分散，减少了制造商的议价能力。公司的品牌价值和石墨烯产品的质量在建立长期的买家—供应商关系方面也有着非常重要的作用。不仅如此，石墨烯研发公司和供应商之间也有很强的合作关系，从而使得石墨烯市场中供应商的议价能力比较温和。

⑤行业内部竞争

由于石墨烯市场中不断有新竞争者的加入，新老公司的存在使得全球的石墨烯市场竞争非常激烈。由于全球具有大量的供应商和购买者，使得该市场是一个分散的、无组织的市场。同时，企业之间关于石墨烯应用的专利之争也会进一步加剧这种竞争。一些主要的企业，例如HaydaleGrapheneIndustriesPlc（英国）、GrapheneNanoChemPlc（马来西亚）、CVDEquipmentCorporation（美国）已经采取了很多措施，例如和其他公司或者研究部门进行合作。他们的这些措施主要是为了开发高质量低成本的石墨烯材料。在未来的一段时间，这种激烈竞争还会继续存在。

  4、中国石墨烯行业重点企业概况

国外大多由大型企业来主导石墨烯产业，如巴斯夫、三星、陶氏化学等企业都已经在石墨烯领域进行了布局。国内除了众多A股上市公司介入石墨烯业务外，目前我国石墨烯行业主要以小型、初创型企业为主。此外，随着各地方政府对于石墨烯产业的推动，国内石墨烯相关企业已经突破300家，并形成了一些石墨烯产业聚集区域，主要包括常州、无锡、宁波、青岛、深圳、成都、德阳等地区。

表2中国石墨烯行业重点企业

Source：赛瑞研究整理

总之，中国和世界能够同步的科学技术不多，而石墨烯是我们有望走在前面的一个新产业，因此值得投入和推广这一产业。我国石墨烯产业发展在环境和制度的建立方面已经小有成就，研发应用的推进还在稳步继续。近两年石墨烯得到越来越多的关注，也吸引了很多投资，面对资本市场的热捧，石墨烯产业的发展还是要去粗取精，企业和科研机构需要沉下心来搞研发，按部就班搞生产，待到应用技术成熟之时就是石墨烯产业崛起之时。