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業化


石墨烯因其優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于20世紀40年代末，1987年首次被定義為石墨中碳原子的平面結構。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·諾沃塞洛夫和安德烈蓋姆之后，石墨烯的概念和內涵被擴展后，根據石墨烯聯盟（T /CGIA 001-2017）1的標準，石墨烯是指每一個碳原子與SP2雜化并與三個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大塊石墨有很大的區別，因此它們都屬于石墨烯的大類，隨著連接碳原子數量的增加，碳原子平面在二維空間內膨脹，在法向上變厚，從而導致石墨烯材料的兩種不同的宏觀形貌。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）制定，旨在為新興的全球石墨烯工業提供一致的標準，并加速以石墨烯為代表的二維材料的商業發展。

石墨烯具有優異的機械、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、最大比表面積、最高熱導率、最佳阻隔性和最佳導電性的新型前沿材料，其獨特的結構決定了其作為顛覆性材料的優越性。與傳統材料相比，具有不可比擬的應用價值。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產業的迭代升級，具有巨大的市場前景。

一般來說，石墨烯的價值主要體現在兩個方面：一是對傳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系列性能優良、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格局，成為引領新一代工業技術革命和高新技術競爭市場的戰略技術。

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、方向志昌研究所整理分析。

科學研究和工業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，并參與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于石墨烯技術的開發和應用作為一項長期戰略，通過政策激勵、資金支持等方式部署石墨烯相關的研發項目和商業應用，力爭搶占石墨烯產業的高端價值鏈，從專利應用的角度出發，將石墨烯技術作為一項長期戰略。2010年以來，石墨烯專利申請量逐年增加，2017年已躍升至13000多件（見圖2），中國專利申請占全球石墨烯生產專利的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于快速發展階段。

石墨烯的制備是石墨烯應用的先決條件，因此石墨烯的制備技術是石墨烯工業化過程中的核心技術，目前石墨烯工業正處于技術向商業演進的關鍵時期。成熟度高、成本低、結構和性能可控的大規模制備技術是石墨烯材料應用的先決條件，也是目前研究的熱點，國際上已發表的石墨烯制備方法如圖3所示，根據不同的宏觀形貌G石墨烯粉末和石墨烯薄膜，其制備方法可分為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。

根據制備石墨烯的不同方法，其制備方法可分為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范德華力制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，然后在基體上生長石墨烯的方法。

石墨烯的制備方法多種多樣，并不斷發展完善。我們力爭批量生產出具有可控層、大尺寸、高質量、低成本的高品質石墨烯，主要制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，從圖中可以看出，氣相沉積法和氧化還原法被認為是最主要的方法。大型石墨烯薄膜和粉末潛在的大規模和低成本制備方法。表2對上述主要方法的優缺點、產品特點和工業應用潛力進行了比較分析。很容易知道，這些方法各有優缺點，制造成本也各不相同。

石墨烯并不是一個新事物，只有在石墨烯出現之前，凝聚態物理理論才認為熱力學漲落導致二維晶體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。石墨烯的成功制備顛覆了這一觀點。事實上，石墨烯并不是一個完美的二維平面結構，但存在著納米級的微波動，這就是為什么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。

由于石墨烯的各種特性，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，隨著石墨烯制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的生產和生活帶來更廣泛和深入的影響。一般來說，石墨烯的工業化有兩種方式：第一，石墨烯可以作為功能性添加劑的輔助材料，可以改變或提高基體的性能。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。

石墨烯以其優異的性能成為近年來人們關注的焦點。特別是，國家在135個產品目錄中明確將石墨烯列為高端材料，中國制造2025年確定了石墨烯材料技術的發展路線，并先后計劃在中國建立一批石墨烯產業創新基地，也表明國家不遺余力。支持石墨烯產業發展，政策引導和產業升級對促進石墨烯產業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和使用，石墨烯固有的優勢基因確實可以被視為材料的無冕之王，但對石墨烯抱有很高的期望，卻能帶來新的對短期內經濟轉型的預期

Gartner技術成熟度曲線反映了人們對從實驗室開發到應用落地的新技術的期望，從石墨烯的Gartner技術成熟度曲線來看，目前石墨烯行業處于媒體、風險投資等關注的高峰期，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）。

根據方祥志義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，石墨烯行業處于基礎技術研究、應用技術開發和技術發展的關鍵階段。工業化，受工業化技術、裝備和技術瓶頸的制約。石墨烯技術與生產的距離受到工業化技術、設備和技術瓶頸的限制，成熟應用和大規模生產還有很長的路要走，因此，對石墨烯價值的高估和相關項目的發展趨勢應進行合理的檢討。

然而，技術的不成熟并沒有阻礙市場的想象，2017年，我國石墨烯相關業務上市公司達到4871家，新三板上市的石墨烯相關業務上市公司只有5家，其中不屬于石墨烯主營業務的上市公司53家，包括G 4新第三板，46 A股和3香港股。基本覆蓋石墨烯產業鏈的各個環節，其中石墨烯應用企業數量最多的是38家，占66%，主營業務集中在新能源和電子信息領域，因此，面對石墨烯產業混眼的局面，成為成功投資的關鍵。主要是從砂中采金，挖掘具有實際投資價值的石墨烯企業。

通過對石墨烯技術發展水平和產業化現狀的分析，石墨烯未來可以突破以下兩個具有代表性的應用領域：

與傳統電池相比，石墨烯鋰電池的能量密度是傳統電池的三倍，石墨烯鋰電池的輸出能量也更高，石墨烯作為電池的負極可以顯著提高充電速度，這是因為石墨烯和石墨烯為基礎。納米結構可以有效地解決能量密度限制的問題，特別是石墨烯的高比表面積可以增加鋰離子的吸收，加速界面動力學，從而提高鋰電池的儲能能力和速率性能，同時具有優異的散熱性能。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，這得益于石墨烯的低電阻率。

雖然石墨烯鋰電池的應用存在諸多限制，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、現有產品更換簡單、成本低的優點。這有望成為石墨烯鋰電池應用的第一個突破點。

利用石墨烯等材料的優異性能，可以產生協同效應，不僅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異的新型復合材料，石墨烯復合材料主要包括石墨烯/聚合物、石墨烯/無機二元復合材料。正電子和其他復合材料。主要用于傳感器、涂料、導電絲、催化劑和電極材料等領域，石墨烯復合材料的優良性能有：石墨烯具有優異的導電性、導熱性、韌性、透光性和致密性。可對塑料和橡膠基體進行綜合改性，提高半導體材料的導電性、強度和韌性。同時，石墨烯結構緊湊、穩定，可作為防腐基材與活性介質之間的阻隔層，達到良好的性能和保護功能。

我國石墨烯復合材料的工業應用受到技術和市場因素的限制：就技術而言，顆粒石墨烯表面光滑，顆粒石墨烯與其它材料之間的界面結合力不大，分散性不均勻；就市場而言，以下是石墨烯復合材料的工業應用。石墨烯熱導致石墨烯產能過剩，下游需求疲軟，定位不清，真正的石墨烯生產產品很少，但目前，石墨烯油墨技術和石墨烯增強塑料技術非常成熟，已進入工業化階段，其中石墨烯熱主要用于印刷。、印刷（3D打印）等領域，后者主要應用于汽車、船舶、航空航天、體育器材等領域，另外石墨烯導熱膜和石墨烯防腐涂層技術相對成熟，處于工業化初期，前者主要應用于移動電話。ES、計算機、照明等，后者主要應用于船舶、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，石墨烯制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、規模和生產成本等諸多問題，因此，盡管石墨烯產業化道路曲折，但前景光明。

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