(1)国际市场供需情况及预测
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。
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。
2018年和2019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2022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。
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”。
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地支持,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。
(2)国内市场供需情况及预测
石墨烯作为新材料产业的先导,在带动传统制造业转型升级,培育新兴产业增长点,推动大众创业、万众创新的作用越来越显著。据前瞻产业研究院发布的《中国石墨烯行业战略规划和企业战略咨询报告》统计数据显示,截止至2017年,中国石墨烯产业规模达到70亿元,较2015年增长了10倍还多,2018年中国石墨烯市场规模有望达到280亿元,未来五年年均复合增长率约为70.48%,发展势头十分迅猛。预测2019年中国石墨烯市场规模将达560亿元。2020年中国石墨烯行业市场规模将突破千亿元。未来五年(2019-2023)年均复合增长率约为56.39%,预测在2023年中国石墨烯市场规模将突破3000亿元,达到3350亿元左右。
图1 2015-2023年中国石墨烯行业市场规模统计情况及预测
具体来看,目前在石墨烯产业中,涉及应用方面的企业最多,占比近四成。其次为研发领域,占比19%。技术服务、制备领域的企业数量各占14%。
虽然目前石墨烯企业数量增长快速,涉及的产业链多个方面,但整体的经营规模较小,中小型、初创型企业占比较大,中型、大型企业相对较少,相较于庞大的前景市场仍有很大的发展空间。
图2 中国石墨烯企业分布占比统计情况
(3)行业发展趋势
石墨烯规模化制备技术的突飞猛进预示着石墨烯产业大门已徐徐打开,但支持石墨烯产业化进程最关键的因素则是石墨烯应用领域的开拓。只有得到下游应用需求的支撑,石墨烯产业才能真正焕发出生命力与可持续性。石墨烯的应用领域与其存在形态有关。总的来看,石墨烯微片适合用于能源化工领域,包括锂离子电池、超级电容器、导热/散热膜、抗静电材料、增强填料、石墨烯涂料、导电油墨、生物医药材料、石墨烯纤维、电磁屏蔽、石墨烯滤膜;石墨烯薄膜则主要用于电子信息领域,包括触摸屏、太阳能电池透明电极、高频电子器件等。上述各个领域的技术难度以及对于石墨烯品质的要求各不相同,因此,石墨烯的应用拓展也是一个循序渐进的过程,根据技术成熟度可以划分为以下几个阶段性的发展目标。
近期,石墨烯有望率先在锂离子电池、导热材料、导电油墨、防腐涂料、散热涂料等领域形成应用:①锂离子电池。如前所述,石墨烯微片作为高性能导电添加剂可大幅提升锂离子电池的性能。结合现有锂电池生产工艺,解决好石墨烯在电极中的均匀分散问题将使该新型导电剂得到广泛应用。
②导热材料。石墨烯微片可加工成具有高导热系数的石墨烯散热片/膜,以及采用石墨烯改性高分子材料如热导纤维和导热塑料等。该技术领域市场大,我国的电子和工程领域对此有迫切的市场需求。③导电油墨。石墨烯微片可作为新型导电油墨的主填充料,也可与纳米银粉等混合配制成新型导电浆料或油墨,并可通过改变石墨烯的填充比例,调节导电油墨的电阻率和附着性能。石墨烯导电油墨已开始在物联网隐形条形码技术中得到应用。④防腐涂料。石墨烯微片在防腐涂层中可形成“迷宫”结构,有助于提高抗腐蚀效能。我国正在推动海洋强国发展战略,舰船和海洋工程对此有巨大的市场需求。⑤散热涂料。石墨烯具有优异的导热和热辐射性能,因此可大幅提升散热涂料的散热性能,从而可广泛应用于LED灯、空调、工业设备、建筑、交通工具等领域的散热,尤其对于降低大功率LED灯的温度效果明显,可显著延长其使用寿命。⑥抗静电高分子复合材料。与传统碳黑类导电填料相比,石墨烯微片电导率高出许多,而且其二维纳米结构更有利于形成导电网络,因此石墨烯微片不仅能更为有效地降低电阻率,而且可以大幅减少导电填料用量,降低对高分子基体本征特性的损害。
随着石墨烯薄膜和活性石墨烯制备技术的突破,以及高精尖应用技术的发展,下一阶段石墨烯将进入如下应用领域:①石墨烯触摸屏。一旦石墨烯透明导电薄膜的低成本连续化生产获得突破,石墨烯触摸屏有望在电子产品中得到大规模应用。②太阳能电池。应用石墨烯透明导电薄膜,可生产出柔性、廉价的有机太阳能电池。③抗辐射材料。利用石墨烯的柔韧机械特性和优良导电特性,开发具有抗辐射抗电磁场的复合材料,可以实现军民两用产品的商业化。④超级电容器。
研发具有超高比表面积的活性石墨烯材料,提高活性石墨烯-活性炭复合材料的电学特性,有望带来超级电容器的升级换代。
在应用领域拓展的基础上,以及在单晶石墨烯薄膜的制备技术突破之后,石墨烯将在更广泛的领域中形成应用:①柔性显示。基于石墨烯透明导电薄膜以及其他柔性电子器件的柔性显示技术有望将电子产品带入全新的柔性时代。②分子膜材料。应用于海水淡化和工业盐水处理,可以大幅度降低能耗,对于人类充分利用海水资源有重要的意义。③生物器件。石墨烯可应用于细菌侦测与诊断,并有望在快速、低成本的基因测序中发挥重要作用。④高强复合材料。开发石墨烯纤维材料和航天航空复合材料的生产技术,可望真正实现人类建造“太空电梯”的梦想。⑤光学调制器。利用石墨烯制成的小尺寸且廉价的光学调制器具有超高速的信号传输能力,有望将互联网传输速度提升千倍。⑥高频电子器件。一旦晶圆级尺寸石墨烯单晶薄膜的规模化制备取得突破,石墨烯有望取代硅,成为新一代高频晶体管的核心材料,从而为电子信息技术带来革命,这是石墨烯最为激动人心的应用领域。不过,这可能需要历经几十年的研究和发展。
|