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各国争抢石墨烯产业化制高点,大规模应用时代即将到来

        从石墨烯被发现至今已经十三年了,随着石墨烯优异的性能逐渐显现,制造工艺逐渐产业化,石墨烯开始进入工业化生产阶段,其前景一片光明,为了获得石墨烯市场的一席之地,各国制定了各自的石墨烯产业发展规划,观研天下通过数据整理,对石墨烯市场现状进行了深入研究,并提供石墨烯行业发展建议。
        一、石墨烯定义与性能
        石墨烯(Graphene)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。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。

        由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性,在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。


 资料来源:观研天下数据中心整理
        二、石墨烯应用产品分析
        根据观研天下发布的《2018-2023年中国石墨烯行业市场运营现状分析及未来发展前景预测报告》报告,从市场应用程度角度分析,石墨烯产业可分为规划级、生产级、量产级、优化级和引领级。
        目前处于规划级的石墨烯产品有石墨烯生物、纳米材料,石墨烯复合材料。
        处于生产级的石墨烯产品有石墨烯传感器,石墨烯超级电容器,石墨烯触屏,石墨烯半导体和电子元件,石墨烯轮胎、塑料,石墨烯光电子元件。
        处于量产级的石墨烯产品有石墨烯电池,石墨烯显示器,石墨烯薄膜。
        处于优化级的石墨烯产品有石墨烯油墨、涂料、润滑剂,石墨烯散热材料。
        处于引领级的石墨烯产品暂时还没有发现。
        石墨烯由于其优异的性能,石墨烯已经被开发出许多产品,如石墨烯生物材料,石墨烯超级电容器,石墨烯传感器等等,但只有石墨烯薄膜和石墨烯显示器处于量产阶段,其余如石墨烯电池正在形成规模化生产。
石墨烯市场应用成熟度评价 
资料来源:观研天下数据中心整理
        三、石墨烯行业政策分析
        由于石墨烯的优异性能以及广阔市场前景,我国较早就开始制定政策发展石墨烯产业,2015年发布首个石墨烯产业纲领性文件《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,明确提出石墨烯产业体系的建立时间表,为我国石墨烯产业的发展提出了明确方向。
 
 资料来源:观研天下数据中心整理
        四、近年来我国石墨烯领域研发成果与重大突破
        近两年来我国石墨烯领域相关研究取得重大突破,其中最大的突破在于东旭光电“烯王”的发布,所谓“烯王”,是指石墨烯锂电池。这是石墨烯在锂电池应用领域的重大突破,为石墨烯市场带来了惊人的反应,消息一经发布,东旭光电股价飙升1倍,可见市场对石墨烯产业的信心。
2015-2016 年我国石墨烯领域研发成果与重大突破
 
资料来源:观研天下数据中心整理
        五、 石墨烯产业链
        根据观研天下发布的《2018-2023年中国石墨烯行业市场运营现状分析及未来发展前景预测报告》报告显示,我国石墨烯产业链上游为石墨开采业,石墨烯设备制造业;中游行业为石墨烯产品加工业;下游产业为石墨烯服务业。
石墨烯产业链
资料来源:观研天下数据中心整理
        1、石墨产量
        中国是石墨生产大国,产量位居世界第一,产量排名第二的印度差距巨大,如2016年我国石墨产量为80万吨,印度产量为15万吨。
2012-2017年上半年中国天然石墨产量

资料来源:观研天下数据中心整理
        作为石墨烯最大的原料来源,石墨的战略地位越来越高,我国作为石墨产量最大的国家,产量占全球总产量的70%以上,这为我国石墨烯产业的发展提供了充足的物质基础。
2016年全球石墨产量分布

资料来源:观研天下数据中心整理
        2、中国石墨烯行业市场现状
        《2016-2017中国石墨烯发展年度报告》显示,2016年我国石墨烯市场总体规模突破40亿元,已形成新能源领域应用、大健康领域应用、复合材料领域应用、节能环保领域应用、石墨烯原材料、石墨烯设备六大细分市场,预计2017年我国石墨烯市场总体规模有望突破100亿元。
《中国制造2025》石墨烯材料技术路线图
资料来源:公开资料整理
        近年来随着我国石墨烯产业的快速发展,我国石墨烯企业数量保持快速增长,2012年中国石墨烯企业数量仅为84家,2016年我国石墨烯企业数量已经达到704家。具体如下:
2012-2016年中国石墨烯产业企业数量

资料来源:观研天下数据中心整理
        六、全球争抢石墨烯产业制高点
        根据观研天下发布的《2018-2023年中国石墨烯行业市场运营现状分析及未来发展前景预测报告》报告,不仅中国,石墨烯优异的性能和广阔前景,也吸引了众多国家尤其是科技水平较高的发达国家的目光,美国、欧盟、日本、韩国等国家和地区都早已在石墨烯产业布局。
        发达国家聚焦石墨烯功能器件研发和应用,未来5-10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。2016年石墨烯全球市场规模为755万美元,随着石墨烯制备技术进一步推动规模化应用,五至十年内市场将进入高速发展期,2025年全球规模有望达到21.03亿美元。
2016-2025年全球石墨烯行业市场规模预测
 
资料来源:观研天下数据中心整理

国外主要石墨烯企业情况
资料来源:公开资料整理
        在全球石墨烯产业链中,欧美企业占据了石墨烯产业链的关键环节,而亚洲企业则占据了石墨烯下游应用市场。
全球石墨烯产业链发展现状
资料来源:公开资料整理
        1、美国
        美国是第一个将石墨烯上升为国家发展战略的国家,也是最先建成相对完整的石墨烯产业链。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。

近年来美国对石墨烯产业投入情况

时间

内容

2002-2013

NSF资助石墨烯基础研究超过500

2008

DOD高级研究计划署投资2200美元

2014

NSFC投入1800美元

2014

美国空军科研办公室投入1000美元

资料来源:公开资料整理
        2、欧盟地区
        2015年,欧盟提出“石墨烯旗舰计划”,提出未来十年石墨烯科技路线图。欧盟近年来对石墨烯的研发也投入较大。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。

欧盟石墨烯旗舰计划

序号

计划内容

1

确定新型层状材料并评估其潜力,开发可靠、可再生和安全的方法来开展工业规模的石墨烯相关材料(GRMs)生产

2

确定由GRMs产生的新型器件概念,并开发部件技术

3

将基于GRMs的组件和结构集成到具有新功能和新应用领域的系统中。

资料来源:公开资料整理
欧盟石墨烯旗舰计划技术路线图
资料来源:公开资料整理

        3、日本
        日本产官学合作推动石墨烯技术应用突破,在日本,大学和研究机构都在大力开发石墨烯,并且相继取得了一些突破性成果。
        在日本,大学和研究机构都在大力开发石墨烯,并且相继取得了一些突破性成果。
        2013年7月,日本名古屋大学教授伊丹健一郎率领的研究小组宣布,他们开发出一种像马鞍一样的碳纳米分子,并将其命名为“弯曲纳米石墨烯”。由于碳分子之间有大量微小的空间,易溶到乙醇等有机溶剂中,因此可以用到电子基板上,用于制造太阳能电池和电子元件等。如果向溶有这种新型碳纳米分子的溶液照射紫外线,这种分子能发出绿色的荧光,所以它还有望用于生物成像为代表的医疗领域。
        2014年12月,日本东北大学助教伊藤良一率领的研究小组宣布开发出了一种新型电极,有望利用石墨烯材料替代铂作为催化剂,来制造燃料电池车所需的氢燃料。长期以来,燃料电池车的电池成本居高不下,原因之一就是电池中需要使用“白金”——铂作为催化剂。科学界一直在研发用其他廉价材料作为替代催化剂。研究人员指出,如果在石墨烯催化剂中再加入镍,其制氢能力就可以超越铂,预计将此技术市场化后,可以使燃料电池成本大大下降。
        日本企业也积极参与石墨烯开发。石墨烯平台公司就是一家代表性的企业。该公司自2001年开始参与石墨烯的研究开发,于2012年9月在东京工业大学横滨创业园内开设了石墨烯研发中心,实现了产学合作,2012年6月又与英国剑桥大学的研究人员在剑桥设立了子公司“剑桥石墨烯平台有限公司”。随后,英国剑桥大学也向该公司注入了资金。2015年4月,石墨烯平台公司开发的大量生产石墨烯的技术获得专利。迄今为止,该公司已经在20个国家获得了5项基本专利。
        降低成本是克服石墨烯商业化瓶颈的关键。在这一方面,日本大阪瓦斯公司开发出了将成本减半的技术,制造方法是将来自煤炭的芴(一种提取自煤焦油的有机化合物)与水混合,作为添加剂,然后与石墨高速撞击,从而制造出石墨烯。ADEAK公司则获得了东京大学教授相田卓三开发的石墨烯新生产技术的专利权,这种制造方法是向离子液体中的石墨照射微波制造石墨烯,在30分钟内,就可以高效获得高浓度和高品质的石墨烯。目前已经开始销售石墨烯分散液、粉末等样品,2020年准备进入商业生产。



日本石墨烯产业政策

时间

内容

2007

投入支持石墨烯研发投资石墨烯及器件技术开发项目

2011

经济产业省发布低碳社会超轻、高轻度创新融合材料项目

2011

新能源产业技术综合开发机构追加开发替代透明电极用铟石墨烯项目

2013-2017

日本东北大学石墨烯合成项目组制定了详细研究计划

2014

建立石墨烯共同体定期举办研讨会、合作突破技术、产业化难题

资料来源:公开资料整理
        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。2015年,韩国发布石墨烯商业化推进技术路线图(2015-2020)。

韩国石墨烯商业化技术路线图(2015-2020

时间

内容

2017

开发出石墨烯产品样品,实现石墨烯产品的首批销售

2020

掌握85项石墨烯核心技术,开发6种世界一流产品,销售额达到6000亿韩元

2025

培养20家全球性企业,产业产值达到19兆韩元,创造5.2万个就业岗位

资料来源:公开资料整理
        七、我国石墨烯产业发展建议
        石墨烯研究是我国少数位于世界前列的科技领域之一,与国际先进水平相比具有发展快速、水平相当、国际同步、部分领先的特点。但国内石墨烯产业链不成熟、下游应用环节未打通、市场需求有待培育、自主知识产权有待加强等制约产业发展的瓶颈问题突出。
        1、制定国家级产业发展规划
        当前,我国在石墨烯领域尚缺乏国家层面的宏观规划,与国外相比仍有较大差距。建议尽早制定国家层面的石墨烯产业技术路线和产业化路线,明确产业发展的阶段目标、重点任务、重大工程、资金来源及政策措施等,确定合理的组织框架,推动材料、设备、工艺和应用并行发展,促进上下游的协调发展。
        2、提升企业创新能力
        应以企业为主体,实施“政产学研用融”协同创新,建立石墨烯国家重点实验室或工程中心,鼓励生产企业和应用企业交叉持股、战略合作,设立联合研发平台,支持生产企业、研发机构和应用企业联合承担研发项目和科技成果转化项目,突破石墨烯制备、应用和产业化技术瓶颈,加快科技成果转化,打通石墨烯全产业链。将石墨烯产业作为引领整个工业领域材料革命的新兴产业,不能遵循传统内生式产业发展轨迹,引导企业开展产业组织创新,加快发展“企业+研发机构+孵化器+加速器”的发展模式。依托龙头企业、科研院所等,加快建成一批石墨烯材料及器件技术创新平台、产业转化平台及专利和标准服务平台,提高石墨烯产业高端服务能力。
        3、推动石墨烯应用发展
        石墨烯产业最大的瓶颈在于没有形成完整成熟的产业链,研发制备企业和下游应用企业脱节,市场需求尚未全面打开。应加快应用技术开发,鼓励企业联合科研院所、高校开展相关产品设计和技术研发,扩大石墨烯应用领域和市场。推进首批次产业化应用示范,扶持一批具有行业带动作用的企业,实现在重点需求领域的率先应用,构建与各类应用相适应的市场化运作机制,建成一批高水平示范项目。应依托有关协会、学会、行业联盟或企业,加快制定工艺标准、检测标准,产品标准等,积极参与制定石墨烯国际标准,加快石墨烯标准国际化进程,将石墨烯研发优势转化为行业标准优势,掌握产业发展的话语权。石墨烯应用技术多处于中试阶段,市场前景不确定,一旦量产将引起价格下降,甚至技术扩散导致行业恶性竞争,必须建立健全行业规范,实现研发生产和商业化的有机融合。
        4、加大资金支持力度
        国外在石墨烯发展过程中给予了持续的资金支持,我国虽然通过国家自然科学基金已经陆续资助超过3亿元用以石墨烯相关项目,但资助体量相比国外仍有提升空间,特别是在欧盟10年10亿欧元支持石墨烯产业和国内石墨烯企业仍显弱小的大背景下,我国应进一步加大资金扶持力度。应在国家层面设立重大科技专项,出台石墨烯产业发展专项行动计划,进一步加大对石墨烯技术创新的支持力度;尽快出台后续补贴和激励政策,充分激发企业和市场积极性;大力发展符合石墨烯产业特征的金融产品和服务,支持天使投资、科技支行、科技保险、科技小贷等新型金融业态,制定和完善风险补偿、基金扶持等政策;落实首台(套)重大技术装备保险补偿机制,推动首批次石墨烯的推广应用。
        5、加强自主知识产权建设
        应加强石墨烯专利分析与战略研究、知识产权保护机制研究,构建产业化导向的石墨烯专利池。支持具有自主知识产权的项目开发,鼓励相关机构通过PCT途径申请国际专利,加强海外专利布局。加强在Bottom-up途径制备石墨烯、半导体器件应用,以及设备等技术领域的产学研合作和技术转移,引导和支持设备专利和应用专利申请,形成规模化专利申请布局。

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