如何破冰啟動石墨烯高技術壁壘黑金產業化

如何破冰啟動石墨烯高技術壁壘黑金產(chan) 業(ye) 化


石墨烯因其優(you) 越性受到資本的高度追捧。它的準備和應用存在技術和成本瓶頸。它的高估和預期需要理性回歸。

石墨烯的概念最早提出於(yu) 20世紀40年代末，1987年首次被定義(yi) 為(wei) 石墨中碳原子的平麵結構。隨著石墨烯研究和發展的不斷發展，特別是在2010年將石墨烯諾貝爾獎授予科斯特亞(ya) ·諾沃塞洛夫和安德烈蓋姆之後，石墨烯的概念和內(nei) 涵被擴展後，根據石墨烯聯盟（T /CGIA 001-2017）1的標準，石墨烯是指每一個(ge) 碳原子與(yu) SP2雜化並與(yu) 三個(ge) 相鄰的碳原子鍵合而成的具有蜂窩狀結構的單層碳原子，即石墨烯是一種二維碳納米材料，由六角H組成。石墨烯是由緊密拓撲結構形成的單原子石墨。嚴(yan) 格地說，由單層原子組成的二維六角形晶格是石墨烯的固有結構，也是許多碳材料的組成單元，其晶格結構非常緊湊，可以阻擋最小氦分子的通過，此外，雙層和少數分子的結構和性質拉斐特片與(yu) 大塊石墨有很大的區別，因此它們(men) 都屬於(yu) 石墨烯的大類，隨著連接碳原子數量的增加，碳原子平麵在二維空間內(nei) 膨脹，在法向上變厚，從(cong) 而導致石墨烯材料的兩(liang) 種不同的宏觀形貌。石墨烯材料，即石墨烯微芯片和石墨烯薄膜，不同分類方法下石墨烯的分類層次如圖1所示。

1本標準由英國國家物理實驗室（NPL）製定，旨在為(wei) 新興(xing) 的全球石墨烯工業(ye) 提供一致的標準，並加速以石墨烯為(wei) 代表的二維材料的商業(ye) 發展。

石墨烯具有優(you) 異的機械、熱學、光學、電學和微觀量子性質（見表1）。石墨烯是一種具有最高強度、最佳韌性、最輕、最薄、最佳透明度、最大比表麵積、最高熱導率、最佳阻隔性和最佳導電性的新型前沿材料，其獨特的結構決(jue) 定了其作為(wei) 顛覆性材料的優(you) 越性。與(yu) 傳(chuan) 統材料相比，具有不可比擬的應用價(jia) 值。未來，石墨烯有望在能源、電子、信息、環境處理和生物醫學等領域獲得輝煌的發展。可以極大地促進相關(guan) 產(chan) 業(ye) 的迭代升級，具有巨大的市場前景。

一般來說，石墨烯的價(jia) 值主要體(ti) 現在兩(liang) 個(ge) 方麵：一是對傳(chuan) 統材料的改進和應用提供強有力的支持；二是石墨烯可以衍生出一係列性能優(you) 良、功能多樣的組分，這將導致F的革命性變化。因此，石墨烯有望改變現有的競爭(zheng) 格局，成為(wei) 引領新一代工業(ye) 技術革命和高新技術競爭(zheng) 市場的戰略技術。

資料來源：石墨烯魔幻材料的介紹及應用前景，國海證券研究所、方向誌昌研究所整理分析。

科學研究和工業(ye) 界對石墨烯技術的突破性研發和顛覆性應用都抱有很高的期望，並參與(yu) 了石墨烯的科學研究和應用開發。美國、中國、英國、日本、韓國、德國等國在世界將著眼於(yu) 石墨烯技術的開發和應用作為(wei) 一項長期戰略，通過政策激勵、資金支持等方式部署石墨烯相關(guan) 的研發項目和商業(ye) 應用，力爭(zheng) 搶占石墨烯產(chan) 業(ye) 的高端價(jia) 值鏈，從(cong) 專(zhuan) 利應用的角度出發，將石墨烯技術作為(wei) 一項長期戰略。2010年以來，石墨烯專(zhuan) 利申請量逐年增加，2017年已躍升至13000多件（見圖2），中國專(zhuan) 利申請占全球石墨烯生產(chan) 專(zhuan) 利的45%，其次是美國和日本，表明中國對全球石墨烯形成了更大的影響。研究：根據文章發表的分析，石墨烯的研究文獻呈指數增長。2017年，研究文獻總量約3萬(wan) 篇（如圖2所示），表明石墨烯在研發上具有持續的熱，其基礎研究和技術創新仍處於(yu) 快速發展階段。

石墨烯的製備是石墨烯應用的先決(jue) 條件，因此石墨烯的製備技術是石墨烯工業(ye) 化過程中的核心技術，目前石墨烯工業(ye) 正處於(yu) 技術向商業(ye) 演進的關(guan) 鍵時期。成熟度高、成本低、結構和性能可控的大規模製備技術是石墨烯材料應用的先決(jue) 條件，也是目前研究的熱點，國際上已發表的石墨烯製備方法如圖3所示，根據不同的宏觀形貌G石墨烯粉末和石墨烯薄膜，其製備方法可分為(wei) 10層以下的石墨烯微片，而石墨烯薄膜的碳原子層通常在1-4層之間。

根據製備石墨烯的不同方法，其製備方法可分為(wei) 自上而下和自下而上（見圖4），自上而下途徑（石墨途徑）是指用物理方法破壞石墨層間範德華力製備單層石墨烯的方法，而自下而上途徑（碳aTOM路徑）是指通過加熱、微波、電子轟擊等手段破壞碳碳-碳化學鍵，實現碳化合物分解，然後在基體(ti) 上生長石墨烯的方法。

石墨烯的製備方法多種多樣，並不斷發展完善。我們(men) 力爭(zheng) 批量生產(chan) 出具有可控層、大尺寸、高質量、低成本的高品質石墨烯，主要製備方法對應的石墨烯質量及其應用潛力如圖5和圖6所示，從(cong) 圖中可以看出，氣相沉積法和氧化還原法被認為(wei) 是最主要的方法。大型石墨烯薄膜和粉末潛在的大規模和低成本製備方法。表2對上述主要方法的優(you) 缺點、產(chan) 品特點和工業(ye) 應用潛力進行了比較分析。很容易知道，這些方法各有優(you) 缺點，製造成本也各不相同。

石墨烯並不是一個(ge) 新事物，隻有在石墨烯出現之前，凝聚態物理理論才認為(wei) 熱力學漲落導致二維晶體(ti) 在有限的溫度下不存在，理論界和實驗界都證明，理想的二維結構不允許穩定存在。非絕對零度。石墨烯的成功製備顛覆了這一觀點。事實上，石墨烯並不是一個(ge) 完美的二維平麵結構，但存在著納米級的微波動，這就是為(wei) 什麽(me) 石墨烯能夠保持自身的穩定性。石墨烯技術發展路線圖如圖7所示。

由於(yu) 石墨烯的各種特性，其應用前景十分廣闊，主要集中在新材料、新能源、電子信息、生物醫學、節能環保等領域，可以預見，隨著石墨烯製備和應用技術的不斷發展和成熟，石墨烯的爆炸效應將越來越明顯。石墨烯的應用場景將給我們(men) 的生產(chan) 和生活帶來更廣泛和深入的影響。一般來說，石墨烯的工業(ye) 化有兩(liang) 種方式：第一，石墨烯可以作為(wei) 功能性添加劑的輔助材料，可以改變或提高基體(ti) 的性能。此外，石墨烯還可以用作應用實踐的主要材料。石墨烯的應用如圖8所示。

石墨烯以其優(you) 異的性能成為(wei) 近年來人們(men) 關(guan) 注的焦點。特別是，國家在135個(ge) 產(chan) 品目錄中明確將石墨烯列為(wei) 高端材料，中國製造2025年確定了石墨烯材料技術的發展路線，並先後計劃在中國建立一批石墨烯產(chan) 業(ye) 創新基地，也表明國家不遺餘(yu) 力。支持石墨烯產(chan) 業(ye) 發展，政策引導和產(chan) 業(ye) 升級對促進石墨烯產(chan) 業(ye) 創新發展具有雙重作用。同時，它也引發了石墨烯項目的熱潮，導致石墨烯市場的過度增長，如果能夠實現石墨烯的大規模生產(chan) 和使用，石墨烯固有的優(you) 勢基因確實可以被視為(wei) 材料的無冕之王，但對石墨烯抱有很高的期望，卻能帶來新的對短期內(nei) 經濟轉型的預期

Gartner技術成熟度曲線反映了人們(men) 對從(cong) 實驗室開發到應用落地的新技術的期望，從(cong) 石墨烯的Gartner技術成熟度曲線來看，目前石墨烯行業(ye) 處於(yu) 媒體(ti) 、風險投資等關(guan) 注的高峰期，而不是發展高峰期，這表明石墨烯的發展是一種新技術。NE技術還不成熟（見圖9）。

根據方祥誌義(yi) 研究所對石墨烯技術應用成熟度曲線的解釋，石墨烯技術在不同應用領域的成熟度是不同的，但一般來說，石墨烯行業(ye) 處於(yu) 基礎技術研究、應用技術開發和技術發展的關(guan) 鍵階段。工業(ye) 化，受工業(ye) 化技術、裝備和技術瓶頸的製約。石墨烯技術與(yu) 生產(chan) 的距離受到工業(ye) 化技術、設備和技術瓶頸的限製，成熟應用和大規模生產(chan) 還有很長的路要走，因此，對石墨烯價(jia) 值的高估和相關(guan) 項目的發展趨勢應進行合理的檢討。

然而，技術的不成熟並沒有阻礙市場的想象，2017年，我國石墨烯相關(guan) 業(ye) 務上市公司達到4871家，新三板上市的石墨烯相關(guan) 業(ye) 務上市公司隻有5家，其中不屬於(yu) 石墨烯主營業(ye) 務的上市公司53家，包括G 4新第三板，46 A股和3香港股。基本覆蓋石墨烯產(chan) 業(ye) 鏈的各個(ge) 環節，其中石墨烯應用企業(ye) 數量最多的是38家，占66%，主營業(ye) 務集中在新能源和電子信息領域，因此，麵對石墨烯產(chan) 業(ye) 混眼的局麵，成為(wei) 成功投資的關(guan) 鍵。主要是從(cong) 砂中采金，挖掘具有實際投資價(jia) 值的石墨烯企業(ye) 。

通過對石墨烯技術發展水平和產(chan) 業(ye) 化現狀的分析，石墨烯未來可以突破以下兩(liang) 個(ge) 具有代表性的應用領域：

與(yu) 傳(chuan) 統電池相比，石墨烯鋰電池的能量密度是傳(chuan) 統電池的三倍，石墨烯鋰電池的輸出能量也更高，石墨烯作為(wei) 電池的負極可以顯著提高充電速度，這是因為(wei) 石墨烯和石墨烯為(wei) 基礎。納米結構可以有效地解決(jue) 能量密度限製的問題，特別是石墨烯的高比表麵積可以增加鋰離子的吸收，加速界麵動力學，從(cong) 而提高鋰電池的儲(chu) 能能力和速率性能，同時具有優(you) 異的散熱性能。石墨烯的離子性能可以防止短路故障，提高電池的使用壽命，這得益於(yu) 石墨烯的低電阻率。

雖然石墨烯鋰電池的應用存在諸多限製，但目前，石墨烯鋰電池導電添加劑技術相對成熟，具有市場空間大、現有產(chan) 品更換簡單、成本低的優(you) 點。這有望成為(wei) 石墨烯鋰電池應用的第一個(ge) 突破點。

利用石墨烯等材料的優(you) 異性能，可以產(chan) 生協同效應，不僅(jin) 可以提高原材料的性能，而且可以獲得滿足不同需要的性能優(you) 異的新型複合材料，石墨烯複合材料主要包括石墨烯/聚合物、石墨烯/無機二元複合材料。正電子和其他複合材料。主要用於(yu) 傳(chuan) 感器、塗料、導電絲(si) 、催化劑和電極材料等領域，石墨烯複合材料的優(you) 良性能有：石墨烯具有優(you) 異的導電性、導熱性、韌性、透光性和致密性。可對塑料和橡膠基體(ti) 進行綜合改性，提高半導體(ti) 材料的導電性、強度和韌性。同時，石墨烯結構緊湊、穩定，可作為(wei) 防腐基材與(yu) 活性介質之間的阻隔層，達到良好的性能和保護功能。

我國石墨烯複合材料的工業(ye) 應用受到技術和市場因素的限製：就技術而言，顆粒石墨烯表麵光滑，顆粒石墨烯與(yu) 其它材料之間的界麵結合力不大，分散性不均勻；就市場而言，以下是石墨烯複合材料的工業(ye) 應用。石墨烯熱導致石墨烯產(chan) 能過剩，下遊需求疲軟，定位不清，真正的石墨烯生產(chan) 產(chan) 品很少，但目前，石墨烯油墨技術和石墨烯增強塑料技術非常成熟，已進入工業(ye) 化階段，其中石墨烯熱主要用於(yu) 印刷。、印刷（3D打印）等領域，後者主要應用於(yu) 汽車、船舶、航空航天、體(ti) 育器材等領域，另外石墨烯導熱膜和石墨烯防腐塗層技術相對成熟，處於(yu) 工業(ye) 化初期，前者主要應用於(yu) 移動電話。ES、計算機、照明等，後者主要應用於(yu) 船舶、電網、光伏設備等領域。



石墨烯因其獨特的性質而備受期待。但是，石墨烯製備技術的基礎和應用研究還需要加強和深化，需要不斷突破工藝參數、質量性能、規模和生產(chan) 成本等諸多問題，因此，盡管石墨烯產(chan) 業(ye) 化道路曲折，但前景光明。

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