一文看懂石墨烯,材料界「網紅一哥」,5大應用領域,產業浪潮開啟

看點：應用領域不斷拓展，石墨烯大規模產業化即將開始。

石墨烯屬於二維碳納米材料，具有優秀的力學特性和超強導電性導熱性等出色的材料特性，其下遊應用主要涵蓋基礎學科、新能源電池、柔性顯示屏、傳感器及複合材料等領域。石墨烯的大規模商業應用方向主要分為粉體和薄膜，其中石墨烯粉體目前主要用於新能源、防腐塗料等領域，石墨烯薄膜主要應用於柔性顯示和傳感器等領域，其中來自新能源的需求超過 70%。全球石墨烯行業市場規模呈穩步增長態勢。預計到 2020 年末，全球和國內石墨烯行業市場規模分別為 95 億美元和 200 億元，中國石墨烯市場規模約佔全球石墨烯總市場規模的 30%，並有逐年提高的趨勢。本期的智能內參，我們推薦國信證券的研究報告，揭秘石墨烯的性能特點、產業鏈概況、下遊需求和國內外行業現狀。

性能強大的新材料之王

石墨烯是 2004 年用微機械剝離法從石墨中分離出的一種由碳原子以 sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，英文名為 Graphene，為一層碳原子構成的二維晶體。石墨烯與其他有機高分子材料相比，有比較獨特的原子結構和力學特性。石墨烯的理論楊氏模量達 1.0TPa，固有的拉伸強度為 130Gpa，是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，被譽為「新材料之王」、「黑金」。

▲典型的石墨烯結構圖

▲ 單層石墨烯是其他碳材料的基本元素

石墨烯按照層數可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。按照功能化形式可以分為氧化石墨烯、氫化石墨烯、氟化石墨烯等。按照外在形態、又可分為片、膜、量子點、納米帶或三維狀等。

▲石墨烯分類

石墨烯具有超強導電性、良好的熱傳導性、良好的透光性、溶解性、滲透率、高柔性和高強度等出色的材料特性。它的的應用領域非常廣泛，主要集中在基礎學科、新能源電池、柔性顯示屏、傳感器及複合材料等領域。

▲石墨烯的優異特性

▲石墨烯透光性與層數之間的線性關係

▲石墨烯薄膜導熱性能測試結構示意圖

 石墨烯產業鏈趨於完善，下遊需求領域不斷拓展

石墨烯材料本身表現出優異的性能，其下遊應用領域非常廣泛，可應用在電池電極材料、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、電晶體等方面，且在化學、材料、物理、生物、環境、能源等眾多學科領域已取得了一系列重要進展。石墨烯上遊為石墨、下遊主要應用領域為新能源電池、塗料、柔性屏和傳感器等領域。石墨烯產業鏈上遊的原料為石墨，中國是全球最大的石墨生產國，但可開採儲量僅為全球第二，佔世界總儲量的 25%，靜態可開採年限僅為 116 年，在全球主要的石墨生產國中，僅高於挪威。

▲2018 年全球主要天然石墨生產國可開採儲量統計

▲2007-2018 年全球天然石墨行業產量情況（千噸）

我國天然石墨產量在 2018 年達 63 萬噸，佔世界總產量的 68%，另外人造石墨產量約為 13.8 萬噸，石墨行業全球範圍內產量減少，原材料供應相應減少，這需要對石墨烯中遊製備提出更高的要求。

▲2014-2018 年中國石墨行業產量情況

石墨烯產業鏈中遊主要為石墨烯的製備。石墨烯的製備分為兩種：（1）「自上而下」：從石墨塊原材料出發，將單層或幾層原子厚度的石墨烯層從石墨塊中剝離出，例如「液相剝離法」、「機械剝離法」等；（2）「自下而上」：從碳原子或碳化合物分子結構出發，如 CH4､C2H2 等，利用晶體生長重新排列出石墨烯，例如「化學氣相沉積法」、「小分子化學合成法」、「外延生長法」等。不同製備方法獲得的石墨烯在品質和成本上差異較大，與之相關的產品的適用領域也有一些差異。石墨烯粉體主要由球磨剝離法、液相剝離法和氧化還原法等製備，其中氧化還原法製備的石墨烯粉體層數最少，是目前最常採用的方法。石墨烯薄膜主要由氣相沉積法和外延生長法等製備，其中化學氣相沉積法可以製備大尺寸的石墨烯薄膜，是目前被認為最有希望實現石墨烯薄膜大規模製備的方法。

▲石墨烯製備方法和優缺點

▲石墨烯製備工藝圖比較

▲化學氣相沉積法製備石墨烯示意圖

▲ 氧化還原法製備石墨烯的過程

全球石墨烯行業市場規模呈穩步增長態勢。2019 年全球石墨烯行業市場規模為77 億美元，複合增長率為 45.89%，據預測，未來兩年石墨烯將保持約為 20%的增速。中國石墨烯市場規模近年來快速增長，2019 年達 163 億元，預計 2020 年將超過 200 億元，年複合增長率約為 60%。近幾年來看，中國石墨烯市場規模約佔全球石墨烯總市場規模的 30%，並有逐年提高的趨勢。

▲ 我國石墨烯市場規模（億元）

▲石墨烯應用領域及具體用途說明

石墨烯下遊應用主要分為兩個方面：第一是石墨烯粉體下遊應用，第二是石墨烯薄膜下遊應用。其中石墨烯粉體可應用在新能源電池、複合材料、鋰電池等方面，石墨烯薄膜可應用在柔性顯示屏和傳感器等方面。我國石墨烯目前應用最廣泛的下遊領域是新能源相關領域，是行業超高增長的主要驅動者。2017 年石墨烯在新能源超級電容與鋰電池導電劑領域市場規模在50 億元左右，佔全國市場份額的 71.4%，其中，石墨烯在防腐塗料、複合材料、生物傳感器等領域的應用也佔額較多且備受關注，節能環保和電子信息柔性顯示領域也有一定的涉及。具體來說，石墨烯在以下五個領域具有很好的前景：

▲國內石墨烯應用領域市場規模佔比結構

1、超級電容器：解決充電時間長續航短瓶頸

超級電容器是指介於傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性，是一種擁有高能量密度的電化學電容器，比傳統的電解電容容量高上數百倍至千倍不等。與蓄電池和傳統物理電容器相比，超級電容器的特點主要體現在功率密度高、循環壽命長、工作溫限寬、免維護、綠色環保等方面。石墨烯擁有良好的導電性、高密度和比表面積，是超級電容的理想材料。

▲超級電容不同材料性能對比

石墨烯超級電容器因其優秀的材料特性，如導電性、高密度和大比表面積，與傳統電池和傳統電容器相比，在放電率、充電率和輸出功率等方面均有顯著提高，使其能新能源電池方面取得廣泛應用。

▲超級電容器、傳統電容器和傳統電池對比

全球石墨烯超級電容市場規模預計在 2021 年底達到 0.84 億美元，到 2030 年全球石墨烯超級電容市場規模有望達到 6.09 億美元，期間年複合增長率到23.9%。而石墨烯超級電容器由於其重量輕，經久耐用，能大容量儲能，縮短充電時間等優勢，被交通運輸、工業、新能源電池和裝備等其他方面所歡迎。亞太成為最大的區域市場，預計 2021 年佔全球石墨烯超級電容市場的 46%，到 2030 年持續增長，約佔全球超級電容市場的 50%。歐洲和北美市場位列二、三，預測分別約佔全球石墨烯超級電容市場的 27%、18%。中國、日本和韓國是石墨烯超級電容需求增長的主要國家，遠高於北美和歐洲等地。中日韓三國主要將石墨烯超級電容用於電動汽車和電子設備等方面。

▲全球石墨烯超級電容市場規模（百萬美元）

▲中國超級電容器市場規模及預測（億元）

由於國家政策支持，我國超級電容市場快速增長，從 2010 年的 8.5 億增加到2019 年的 118 億元，同比增長 30%，預測未來三年仍然保持將近 30%的增長率，2020 年預計可以達到 150 億元水平，石墨烯滲透率也將達到 5.5%左右。交通運輸領域持續佔據石墨烯超級電容器最大的市場份額。目前我國超級電容的應用主要集中於交通運輸、工業、新能源電池和其他方面。超級電容的細分產品規模呈逐年上升趨勢，考慮到石墨烯相比傳統電容電池的高性能優勢和未來良好的競爭性，可以認為石墨烯超級電容也會呈大量增長趨勢，尤其是在交通運輸和新能源方面。交通運輸和裝備等領域對安全、輕便、清潔電池的需求會導致高功率和高能量密度電池的需求，最終推動石墨烯超級電容器市場的增長，尤其在電動車市場。

▲超級電容器細分產品規模及預測（億元）

石墨烯超級電容器將解決制約電動汽車發展的兩大難題：充電時間長和續航裡程短。預計超級電容器可以多儲存 100 倍的電能，比傳統電池節省 150 倍的成本，並將電池廢料堆環境的影響降低了 5 倍，充電周期可高達 100 萬次。石墨烯超級電容應用於動力鋰電池行業是未來的發展趨勢，共同組成新能源車的動力系統。

2、防腐塗料：熱穩定和抗菌性能優勢顯著

防腐塗料是指防腐塗料是指由底漆、中漆和面漆組成的具有防腐蝕功能的塗料，依據塗料應用領域的不同，可以分為常規防腐塗料和重防腐塗料。我國防腐塗料市場巨大，並且規模還在逐年增長。石墨烯防腐塗料相對於其他防腐塗料而言，在導電性、熱穩定性、力學性能、抗菌性能等方面優勢更為明顯。石墨烯由於其良好的導電性能和片狀搭接阻隔性能，可以對氧和腐蝕介質起到屏蔽作用，降低了防腐塗層的滲透性能，從而提高塗層的防腐蝕性能。中國防腐塗料發展較快，2019 年，我國防腐塗料總產量 535 萬噸，同比增長 18.4%，佔塗料總產量的 22.2%。

▲2010-2019 年中國防腐塗料產量（萬噸）

▲我國重防腐行業產量規模（萬噸）

3、鋰電池導電劑：需求支撐&成本下降行業高增速

鋰電池導電劑的首要作用是提高電子電導率。導電劑在具活性物質之間、活性物質與集流體之間起到收集微電流的作用以減小電極的接觸電阻，提高鋰電池中電子的遷移速率，降低電池極化。此外，導電劑也可以提高極片加工性，促進電解液對極片的浸潤，從而提高鋰電池的使用壽命。常用的鋰電池導電劑可以分為兩類：第一類為傳統導電劑（如炭黑、導電石墨、碳纖維等），第二類為新型導電劑（如碳納米管、石墨烯及其混合導電漿料等）。石墨烯作為新型導電劑，可以最大化的發揮導電劑等作用。這是由於其獨特的片狀結構，它與活性物質的接觸為點－面接觸而不是常規的點點接觸形式，這樣可以減少導電劑的用量，提升鋰電池容量，其改性效果遠高於天然石墨。但是由於其成本較高，具有阻礙鋰離子傳輸等弊端尚未完全被工業化應用。

▲現有導電劑參數對比

我國鋰電池產量預計在 2020 年底將達到 160GWh，年複合增長率約為 27%。2018 年石墨烯在鋰電池中的滲透率達到 2.5%左右，預計 2020 年石墨烯滲透率將達到 5%左右。

▲2016-2020 年鋰電池產量統計及預測（GWH）

目前石墨烯導電劑的生產成本較高，2015 年石墨烯導電劑的價格為 230 美元/千克，與碳納米管導電劑價格大致相同，而石墨烯導電劑價格下降幅度遠超過碳納米管導電劑，預計 2020 年將下降至 100 美元/千克。隨著石墨烯生產工藝的進一步成熟，相關資本的湧入以及國家政策的大力支持，石墨烯導電劑將突破成本瓶頸，石墨烯導電劑的價格優勢逐漸突顯。

▲各類導電劑預期價格變化（美元/千克）

石墨烯價格下降以及鋰電池產量和石墨烯滲透率快速增長將導致石墨烯導電劑市場規模快速增長。石墨烯在導電劑領域的市場規模預計在 2020 年達到 139億元，年複合增長率約為 64%。全球動力鋰電池近年來保持高速增長狀態，帶動鋰電池導電劑市場規模不斷增長。據國際市場研究機構 Adroit Market Research 最新發布的報告預測，2018年至 2025 年，全球動力鋰電池市場規模年複合增長率接近 14.3%，其中大部分增長規模來自亞太地區。亞太地區是 2019 年最大的汽車電池市場。石墨烯導電劑作為未來電動汽車鋰電池導電劑的研究不斷深入，也導致預測期內動力鋰電池行業市場的迅速增加。

▲石墨烯在導電劑領域的市場規模及預測（億元）

▲ 全球動力鋰電池行業市場規模統計及預測（億美元）

4、柔性顯示屏：可穿戴設備是市場主要驅動力

石墨烯薄膜具有因導電性良好，高柔性，透光性強等原因，未來可廣泛應用於柔性顯示領域。目前市場上使用最多的柔性顯示屏為 ITO 膜（陶瓷材料氧化銦錫），該材料製作工藝趨於成熟，價格較低。但彎折後就不再具有導電性，無法滿足未來行動裝置、可穿戴設備柔性顯示屏的需求，而石墨烯薄膜因其良好的導電性，柔性，透光性，認為均優於 ITO 膜，更適合柔性顯示屏未來發展趨勢，被認為是完美替代 ITO 膜的材料。近幾年，銀納米線等也開始成為 ITO 的替代材料，但其穩定性較差，易斷，石墨烯薄膜仍為最合適的替代品。

▲石墨烯、ITO 膜與銀納米線用於柔性顯示的優缺點

國內石墨烯薄膜市場規模逐步擴展，2019 年可達 80 億元，年複合增長率為152%，預計 2020 年末石墨烯薄膜市場規模將達到 150 億元。

▲2016-2022 年中國石墨烯薄膜市場規模及預測（億元）

全球可穿戴設備市場規模快速增長，在 2021 年末達到了 333 億美元，年複合增長率為 15%左右。預計在 2019 年將到達 420 億美元，同比增長 26%。據調查顯示，全球可穿戴設備出貨也大幅增加。中國可穿戴設備產業市場規模 2019 年達到 600 億元，年複合增長率約為 44%，預計到 2020 年，將增加到 780 億元左右。石墨烯薄膜在此影響下，也將引來大幅度增長。可穿戴設備市場規模的快速增加，將推動石墨烯薄膜應用於柔性顯示的市場規模大幅提高。可穿戴設備要求高水平的柔性顯示屏，全球柔性顯示市場收入規模呈逐年增加趨勢，擁有透光性和高柔性的石墨烯薄膜在柔性顯示中的應用市場規模有望迎來快速發展。隨著我國可穿戴設備市場規模的不斷擴張，石墨烯應用在柔性顯示的市場規模也將引來巨大提升。

5、傳感器：石墨烯化學敏感性強，在醫學等領域前景廣闊

石墨烯是良好的化學傳感器製作材料。這個過程主要是通過石墨烯的表紅外光束激發等離子體面吸附性能來完成的，石墨烯化學探測器的靈敏度非常高。石墨烯獨特的二維結構使它對周圍的環境非常敏感。石墨烯是電化學生物傳感器的理想材料，石墨烯製成的傳感器在醫學上具有良好的靈敏性。石墨烯傳感器在國內的市場規模在 2019 年達到了 2 億元，年複合增長率約為71%。預計到到 2020 年，石墨烯傳感器在國內的市場規模約為 4 億元，實現了十倍擴張。

▲石墨烯在傳感器領域中的國內市場規模（億元）

隨著市場中醫學，化學及可穿戴設備等方面對於石墨烯傳感器越來越多的需求，以及石墨烯薄膜製作成本逐步下降，石墨烯傳感器將越來越多地應用於市場中，發展潛力巨大。

國內外行業處於起步階段，靜待下遊大規模應用

全球石墨烯行業仍處於產業化起步階段。市場以石墨烯粉體和石墨烯薄膜為主導，儘管大規模生產仍存在一定困難，但未來發展空間廣闊。從市場規模來看，2014 年以來，全球石墨烯市場規模快速增長，2019 年全球石墨烯市場規模約為 1.1 億美元，預計在 2025 年達到 21 億美元，2020 至 2025 年石墨烯複合年增長率將達到 40%，尤其是散熱材料、新能源電池、柔性顯示和複合材料市場。石墨烯因其優秀的材料特性具有巨大的潛力。石墨烯行業正處於大規模產業化前夕，世界各國對於石墨烯都給予了高度重視，全球已有 80 多個國家投入石墨烯的研發、生產，尤其是一些發達國家聚焦石墨烯下遊應用的研發，例如美、歐、日、韓等地區密集發布政策、投入大量資金，扶持石墨烯相關產品研發和產業化應用，對推動石墨烯產業發展做出了戰略部署。

▲世界各國石墨烯布局圖

歐美企業佔據全球石墨烯產業鏈關鍵環節。歐美企業在石墨烯製備技術，複合材料、核心電子元件等應用產品保持領先優勢，而亞洲石墨烯應用市場前景向好。不僅如此，IBM、英特爾、陶氏化學、三星等國際知名跨國企業紛紛將石墨烯及其應用技術作為長期戰略發展方向，而且還湧現出了大批專門從事石墨烯研發、生產和應用的機構和企業。

▲世界各國龍頭企業石墨烯相關領域發展成果

國內產業鏈初步成型，國內以新能源領域為主。我國石墨烯產業前景廣闊，產業規模持續增長。同時我國政府高度重視石墨烯產業發展，已將石墨烯列入我國「十三五規劃」的 165 項重大工程。中國石墨烯行業正處於市場導入期，產品尚未成熟，行業利潤率較低，但市場增長率較高。預計隨著石墨烯製備技術的不斷突破和下遊應用的不斷成熟，將進一步促進和推動石墨烯的應用發展及市場規模擴大。我國石墨烯產業鏈近年來已初步打通，上下遊鏈條逐步完善，上遊石墨礦開發技術不斷創新，中遊石墨製備方法不斷改進，下遊應用領域研發不斷拓展。正是由於產業鏈不斷發展，我國石墨烯市場規模有持續較快增長的趨勢。石墨烯作為「新材料之王」，目前大規模製備方式仍存在缺陷，下遊應用領域仍未被開發完全，所以仍保有較大的發展潛力。目前我國已經形成京津冀魯、長江三角洲和珠江三角洲的三大聚合區，多地分布式發展的石墨烯產業格局。從整體石墨烯產業鏈布局來看，中遊領域：我國自 2018 年以來，石墨烯粉體和薄膜的生產規模進一步擴大，石墨烯產業化趨勢日益強勁，多個石墨烯產業創新中心開始創立，例如常州第六元素、青島昊鑫、寧波墨西等多家企業已擁有國內領先的石墨烯粉體生產線；長沙暖宇新材料科技公司年產量 100 萬平方米的石墨烯膜生產線已開建，預計建成後將成為國內第二大石墨烯膜生產線。各地各種石墨烯製備技術不斷突破創新，下遊應用產業化也逐步拓展。

▲我國石墨烯產業布局情況

智東西認為，自2010年，物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授捧起諾貝爾物理學獎那一刻起，石墨烯一舉成為舉世矚目的新材料，在半導體產業、光伏產業、航天、軍工等傳統領域及新能源、新材料等新興領域發揮著日益重要的作用，是材料界的「網紅一哥」。經過多年的發展，中國石墨烯的研究已經進入世界一線水平，相關產業鏈也已經初步形成，未來隨著研發的進一步深入，石墨烯的應用也將越來越廣泛，屆時相信會有一系列新產業出現。

（轉自：石墨烯聯盟）

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