石墨烯行业研究:现状、产业化及下游应用精选版.docx
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1、1 .石墨烯1.1 石墨烯简介石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来,由碳原子组成的只有一层原子厚 度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨,厚度为0.335nm,仅有一层碳原 子。但实际上,10层以内的石墨结构也可称作石墨烯,而10层以上的则被 称为石墨薄膜。单层 石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨,碳原子-碳原 子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶 体结构,由六边形晶格组成。1. 2石墨烯特性石墨烯因为其特殊的结构,具有很多突出的性能,引起科学界巨大兴趣,成为 材料科学研究热点。力学性能。石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料(034nm),也是有史以来
2、被 证实的最结实的材料,强度可达130GPa,约为世界上最好的钢材的100多 倍,且杨氏模量达L 054-L 060TPa。它具有极好的弹性,可被拉伸至自身尺 寸的120%,如果用石墨烯制成包装袋,虽然质量极轻,但它将能承受大约2t 的物品。石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高,却具有很好的韧性 (可弯曲性),迄今很少有材料能够同时具备这两种性质。电磁性能。电子在石墨烯中传输的阻力很小,在亚微米距离移动时没有散射, 具 有很好的电子传输性质,其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超 过了电子在一般导体中的运动速度。最新的研究表明,石墨烯具有10倍于商 用硅片 的高载流子迁移率(1
3、5000cm2 V-1 s-1),也是目前已知的具有最高 迁移率的睇 化锢材料的2倍,因此有预言称,石墨烯将成为硅的替代品,从 而改变人类的生活。除此之外,石墨烯还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性 等特殊性质。热学性能。石墨烯具有极强的导热性能,单层石墨烯的热导率可达5000 W/m K,是室温下纯金刚石的3倍,金属铜的12倍。石墨烯还具有优良的透光性能,光子透过率高97.4%,其理论比表面积高达 2630 m2 g-lo2.石墨烯研究现状2. 1石墨烯全球研究现状自2010年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,并共同获得201
4、0年诺贝尔 物理学奖之后,在 全球范围内掀起了石墨烯研究开发以及产业促进的热潮。石墨烯相关专利和知识产权的申请数量逐年递增。根据数据统计,石墨烯相关 专利最 早出现在1994年,随着研究的深入和诺贝尔奖的获得,2010年之后 迎来了喷井式 的爆发,2010年全球相关专利数量达到了 480篇,2017年已 经增长到了 13371篇,增长了 20余倍,反映出石墨烯在近几年成为了研究 的热点。通过石墨烯技术生命周期图可以看出,2008年之前石墨烯相关专利技术还处于 萌芽 阶段,2010年之后,每年都有大量的新增的发明人进入相关研究,新的 技术不断出现,石墨烯技术进入快速成长阶段。2017年开始,增长
5、率有所下 降,说明石墨烯相 关技术正在由成长阶段向技术成熟阶段过渡。图1:全球石墨烯专利申请数量800Z Zz 9Z SOOZ 寸ZEOOZ Zsz TOOZ Osz图2:石墨烯专利技术生命周期图专利发明(世)2. 2国内石墨烯研究近况我国作为石墨烯专利技术的早优先权国,在所有技术原创国之中处于首位,并 且大幅度领先于其他国家,占据了较高的份额,而韩国,美国,日本作为其他 主要技术的原 创国家,紧随其后,但是从数量上看,依旧有明显的差距。从知网数据也可以看出,石墨烯中文相关文献数量从2010年开始了快速增 长,石墨烯的学术关注度大幅度提升,掀起了研究的热潮。3:石墨烯相关文献数量石墨烯在我国的
6、发展迅猛,离不开国家政策的引导。从2012年的新材料产业 “十二五”发展规划起,国家逐渐开始不断通过各种利好政策,推动石墨烯的产业化进程,而最 近的新材料“十三五”规划也将石墨烯作为先导性产业。我国首个石墨烯国家标准GB/T30544. 13-2018:纳米科技术语第13部分:石墨 烯 及相关二维材料正式发布,将于2019年11月1日开始实施。据悉,江 苏泰州巨纳新能源有限公司及其技术专家分别为该标准的第一起草单位及第一 起草人。石墨烯 国标的出台,对于行业的规范有重要意义,也说明国家正在通 过政策进行引导,最为一个良好的开端,可以吸引更对的专业人才进入石墨烯 的研究,有利于石墨烯产业链 的拓
7、展。3.石墨烯产业化3. 1石墨烯的制备石墨烯制备方法主要可以分为为“自上而下”和“自下而上”两类方法。“自 上而下”法是以石墨为原料,通过剥离的方法来制备石墨烯层,如:机械剥离 法,氧化还原法,液相剥离等;“自下而上”法是通过碳原子的重新排列来合 成石墨烯,如:化学气相沉 积法,外延生长法,有机合成法等。目前,比较主 流的石墨烯制备方法有氧化还原法、化学气相沉积法、液相剥离法和外延生长 法。不同制备方法获得的石墨烯在品质和成本上差别较大,相应产品的适用领域也 有差异。上述四种石墨烯制备方法中,最常采用的是氧化还原法和化学气相沉 积法。止匕外,也 有少部分企业探索应用SiC外延生长法或液相剥离
8、法进行石 墨烯量产。3. 2石墨烯上游-石墨中国石墨资源丰富,其基础储量占世界总储量的24%左右,2016年石墨基础储 量达 到了 7321.51万吨,其中已探明晶质石墨的储量达到了 3亿吨。中国石 墨的产量也位 居世界前列,2017年中国石墨的产量已经达到了 78万吨。随着石墨烯的研究进步,现在很多石墨烯相关产品已经开始准备商业化进程, 石墨烯 产业可能进入快速发展的阶段,市场正逐步扩大,预计未来2021年我 国石墨烯市场规模将达到1026亿元。3. 3石墨烯产业化在产业化方面,国家在全国各地建立了多个石墨烯产业园和石墨烯联盟。国 内常州,宁波,青岛,重庆无锡等地率先设立石墨烯产业园,江苏、
9、内蒙古、 山东等地也成立了石墨烯联盟,有利于进一步整合上下游资源,完善石墨烯创 新体系,促进石墨烯产 业发展,同时有利于国家的宏观调控。同时,国内各种石墨烯优秀企业也不断涌现,虽然高端产品因成本,技术问题 短时间 难以得到大面积的突破,但是一些低端产品已经在一些公司得到了商业 化生产。4.石墨烯粉体下游应用4. 1石墨烯超级电容器4.1.1 石墨烯超级电容器介绍超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,它既具 有电容 器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性。超级电容器对其电极材料有着“六高”的要求,分别是:高比表面积,高中孔 率,高 堆积比重,高纯度,高电导率和高性价
10、比。综合各种电极材料特性来看,石墨烯具有较大的比表面积和较高的导电性,加 上其特 殊的平面二维结构,是超级电容器的理想材料,但是其较高的成本,仍 是在技术上需要解决的问题。石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的 二维结 构和出色的固有的物理特性,诸如异常高的导电性和大表面积,石墨烯 基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材 料相比,在能量储存 和释放的过程中,显示了一些新颖的特征和机制。4.1. 2下游稳步增长带动石墨烯超级电容器市场发展全球超级电容器市场规模稳步增长,2015年达到160亿美元,预计未来年增 长率有望达到19. 28%
11、o从国内来看,超级电容器市场规模逐渐扩大,从2010年的8.5亿元增加到了 2017年的71亿元,预计未来三年仍然保持将近30%的增长率,2020年预计 可以达到150亿元水平。因为中国在环保和新能源方面的政策促进,近几年中国新能源汽车稳步增长。 我国新 能源汽车的产量2015年为45.5万辆,2018年增加到129. 6万辆, 同比增长40.10%。随着我国的支持,可以预测超级电容器的使用会极大的增 加,而其中性能优越的石墨 烯超级电容器在未来也将继续快速发展,在交通运 输和新能源方面的使用,将会大幅度增加。我们测算,假定电极材料的成本是电容器的30%,石墨烯市场渗透率从5%增加 到10%,
12、预计2020年,石墨烯超级电容器市场规模将达到4. 58亿元。:全球超级电容器市场规模(1801601401208060404002007图9:中国超级电容器市场规模及:14012080604020010:中国新能源汽车产量20162017新能源汽车(万辆4. 2石墨烯复合材料种类多样,市场空间广阔石墨烯具有很多优秀的性能,但是当石墨烯添加到传统材料中时,能改善原材 料的性 能,形成增强型的复合材料。比如石墨烯在防腐涂料,导电油墨,散热 涂料等中均可 以大幅提高产品的综合性能。4. 2.1防腐涂料随着经济的发展和技术的进步,国内涂料的需求增长迅速。数据显示,我国涂 料的产量从2001年的122
13、 78万吨,增加到2017年的2041万吨,近年来 依旧保持一个增 长趋势。钢铁等金属的生锈,腐蚀即影响了金属的使用寿命, 又造成了大量的经济损 失,因此国家对于防腐涂料的需求也在逐年扩大。石墨烯本身具有的独特结构性质,使其在物理防腐和电化学防腐方面都展现出 一定的优势,相比于纯石墨烯防腐涂料,石墨烯复合防腐涂料能够兼顾石墨烯 优异的化学稳 定性、快速导电性、突出的力学性能和聚合物树脂的强附着力、 成膜性,可协同提高涂料的综合性能。因此,石墨烯复合防腐涂料将是发张的 重点,市场潜力巨大。导电油墨是用导电材料(金、银、铜和碳)分散在连结料中制成的油墨,具有一 定程度 导电性质,可作为印刷导电点
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