近年來,石墨烯概念受到追捧。石墨烯是壹種六方二維碳納米材料,由sp2雜化軌道中的碳原子組成蜂窩狀晶格,是新材料產業的先行者,帶動了傳統制造業的轉型升級。據悉,中國是世界第二大石墨資源國,主要分布在黑龍江、內蒙古和山東三省。
中國石墨烯產業未來市場規模3000億。
石墨烯作為新材料產業的先行者,在推動傳統制造業轉型升級、培育新興產業增長點、推動大眾創業、萬眾創新等方面發揮著越來越顯著的作用。前瞻產業研究院發布的《中國石墨烯產業戰略規劃與企業戰略咨詢報告》統計數據顯示,截至2017年,我國石墨烯產業規模已達70億元,比2015年增長了10多倍。2018年中國石墨烯市場規模有望達到280億元,未來五年復合年增長率約為。預測2019年中國石墨烯市場規模將達到560億元。2020年,我國石墨烯產業市場規模將超過1000億元。未來五年(2019-2023)年復合增長率約為56.39%。據預測,2023年中國石墨烯市場規模將超過3000億元,達到3350億元左右。
2015-2023年中國石墨烯產業市場規模統計與預測
數據來源:前瞻產業研究院編制。
具體來看,目前在石墨烯行業,涉及應用的企業最多,占比近40%。其次是研發,占比19%。技術服務和制劑領域企業數分別占14%。
雖然目前石墨烯企業數量增長較快,涉及產業鏈的多個環節,但整體業務規模較小,中小型初創企業占比較大,中型和大型企業相對較少。與巨大的前景市場相比,還有很大的發展空間。
中國石墨烯企業分布及比例統計
數據來源:前瞻產業研究院編制。
中國石墨烯產業發展的不足分析
——面臨工業化問題
目前,雖然石墨烯已經走出實驗室,但其大規模商業化應用仍面臨諸多制約,主要包括技術、市場、成本三大瓶頸。
首先是技術問題。包括制備、分散、應用和環境保護。目前,石墨烯的制備技術有20多種,但大規模、低成本、高質量、大尺寸的宏觀制備技術尚未取得實質性突破,難以滿足工業化批量生產的需要。材料分散技術以及與下遊技術和工程應用相結合的技術也制約著產業化進程。
其次,市場問題。雖然各種應用產品層出不窮,但缺乏石墨烯高品質、高附加值、獨特性能的真正殺手級產品。大部分都是在對傳統材料進行改性,或者試圖替代成熟的材料。改性材料性能提升不明顯,或者石墨烯沒有必要添加,有的添加後甚至產生不良後果,難以被市場認可。壹些研究機構或企業聲稱取得了突破性進展,但他們只是做出了樣品或實驗室產品,根本沒有形成商品。目前大多數石墨烯生產企業主要是為科研機構或下遊應用企業提供石墨烯樣品。如果下遊應用市場沒有被激活,石墨烯就很難產業化。
最後是成本問題。目前大部分企業還處於小批量生產的探索階段,無法形成穩定的規模化生產能力,沒有資金回籠;而且企業早期R&D投資大,周期長,應用市場還沒有打開,無論是材料本身還是應用產品的成本都很高,阻礙了石墨烯進壹步走向市場。
2.關鍵技術需要突破。
經過多年的自主研發,石墨烯的生產技術、工藝裝備和產品質量都取得了重大突破。然而,大規模生產石墨烯的技術成熟度仍然較低,普遍存在質量不穩定和不同批次石墨烯產品性能差異較大的問題。
在石墨烯粉體方面,目前商業化的石墨烯產品普遍存在尺寸和層數不均勻、單層石墨烯含量低、比表面積遠低於理論值、無法分類、成本高等問題。,不能真實反映石墨烯的各種優異性能;結構完整的石墨烯表面不含任何基團,與其他介質的相互作用較弱,難以分散在溶劑中,更難以與其他有機或無機材料復合。
至於石墨烯薄膜,現有產品存在生長過程導致的不可避免的結構缺陷和轉移過程導致的表面汙染,並且普遍具有較高的電阻,因此無法用於本應適合與其優異電學性能相匹配的領域。
在電子信息、生物醫藥、節能環保等戰略性高技術領域,基本上已經被美歐韓日壟斷。特別是我國石墨烯企業以小微企業和初創企業為主,資金投入不足,R&D弱,市場開拓弱,在破解石墨烯技術瓶頸、推廣石墨烯材料應用、擴大石墨烯產業規模等方面缺乏努力。如果沒有良好的技術創新研發和成果轉移擴散機制,必然導致長期發展乏力。
3.應用市場需要擴大。
石墨烯被發現才10多年,是壹種比較“年輕”的材料。從目前的應用情況來看,石墨烯主要實現了初步應用,大部分產品將石墨烯與原始材料相結合來提高產品性能,技術門檻相對較低,同質化嚴重。雖然石墨烯的下遊應用產品已經初步產業化,但真正的“殺手級”應用尚未誕生。雖然中國的石墨烯行業專利很多,但大部分都是地方專利申請。國外專利技術布局比較薄弱,能被國外專利引用的非常少。超過四分之三的專利來自學術機構。企業對石墨烯研發的參與度有待進壹步提高。高價值、高質量的核心專利並不多,技術與市場的供需仍不匹配。需要打開技術研發、轉讓和擴散以及首次商業化的鏈條。
4.標準體系有待完善。
在石墨烯標準體系方面,石墨烯及其相關產業日益成為資本市場的熱點概念。但由於標準體系建立時間較短,立項標準較少,石墨烯材料的分類、術語、檢測方法等國家標準以及石墨烯產品的團體標準或行業標準較少。導致市場上與石墨烯相關的產品魚龍混雜,產品質量參差不齊。很多企業其實根本不具備石墨烯的規模化生產能力,卻用石墨烯的概念過度炒作,嚴重影響了石墨烯產業的良性發展。因此,我國迫切需要建立石墨烯標準體系,包括石墨烯資源的覆蓋範圍、石墨烯應用、環境保護、加工設備等各個方面,以早日規範和引導石墨烯產業的健康可持續發展。
中國石墨烯產業發展趨勢分析
——國家和地方加快工業化進程的優惠政策。
我國石墨烯的發展得到了國家和地方各級政府的大力支持。自2012年以來,我國已出臺超過10項石墨烯產業相關政策,支持力度還在不斷加大。
2016年8月,國務院發布的《十三五國家科技創新規劃》明確重點發展石墨烯等先進碳材料。2017 1月,工信部、發改委、科技部、財政部聯合發布《新材料產業發展指導意見》,對石墨烯和超導材料提出任務要求,提出大力發展石墨烯產業。2017年4月,科技部發布《材料領域“十三五”科技創新》,明確指出石墨烯碳材料的技術發展領域:單層薄石墨烯粉體、高質量大面積石墨烯薄膜工業化制備技術、柔性電子器件大面積制備技術、石墨烯粉體高效分散、綜述及應用技術、高催化活性炭及材料應用技術。
深圳、廣西、福建、四川、寧波、重慶、黑龍江、常州、無錫、寧波等地方政府相繼出臺石墨烯產業專項政策和發展規劃,明確未來產業發展目標。廣西省還頒布了首個國家石墨烯系列地方標準,引導產業發展。在地方政府的積極參與下,石墨烯產業初步形成了政府、科研機構、R&D、應用企業“官產學研”協同創新的合作對接機制。良性發展趨勢將有助於石墨烯企業充分享受地方政策、稅收優惠和資金支持,未來產業化發展有望提速。
2.性能優異,應用前景廣闊。
石墨烯具有許多先進材料無法比擬的優異性能。目前國際上納米材料的硬度還不如石墨烯,強度是鋼的200倍;石墨烯具有多孔結構,比表面積為2630m2/g,與活性炭相當。石墨烯具有優異的導熱性,其導熱性與碳納米管相當。石墨烯還具有優異的導電性,室溫下的載流子遷移率可以達到矽的100倍,是世界上電阻最小的材料。石墨烯對光的吸收率僅為2.3%,可用於制作顯示器的屏幕等器件。
石墨烯有著廣泛的應用。在傳感器領域,石墨烯已經廣泛應用於傳感器領域。石墨烯具有反饋速度快、響應時間極短的特點,大大提高了傳感器的性能,可以制作不同功能的傳感器。
在儲能和新型顯示領域,石墨烯因其優異的透光性和導電性,可作為透明導電的電極材料,已廣泛應用於柔性觸摸屏、光學面板、太陽能電池板等。
在半導體材料領域,石墨烯因其優異的導電性有望取代矽。其極低的電阻率可以有效減少電路板中的電感現象,增強電子計算機的性能,降低功耗。
在生物醫學領域,石墨烯及其衍生物在生物醫學領域發揮了重要作用。石墨烯很容易固定蛋白質並保持其活性,因此可以用來制作生物傳感器。如果能有效解決石墨烯的批量制備問題,它將在很多領域有更廣闊的應用和發展空間。
3.行業進入快速發展期。
石墨烯產業經過近幾年的蓬勃發展,正從導入期步入成長期。中國的石墨烯產業已經從基礎材料的研發轉變為應用產品的開發。目前國內從事石墨烯應用產品開發的企業很多,從上市公司到初創企業都有。氧化還原法、CVD等石墨烯制備技術逐漸成為主流,目前石墨烯產品價格適合工業化使用;
此外,石墨烯在復合材料等領域的應用日益成熟,市場增長迅速,如手機觸摸屏、鋰離子電池、超級電容器、增強塑料、防腐塗料、石墨烯溫控材料等復合材料;石墨烯是非標產品,針對高端應用市場,需要滿足下遊客戶的定制需求,與客戶關系密切,也增加了市場壁壘;近年來,圍繞石墨烯標準制定的工作也在緊鑼密鼓的進行,標準的出臺也將對石墨烯產業的快速健康成長起到強大的推動作用。
4.產業集群逐漸擴大。
從產業集聚來看,我國大部分石墨烯企業位於東部沿海地區,尤其是長三角、珠三角、京津冀魯聚集區。其中,以深圳為核心的珠三角地區擁有全國最好的石墨烯應用市場,在能源、新材料、電子信息、可穿戴設備、電動汽車等多個領域發展了產業集群。
京津冀石墨烯產業聯盟也在積極整合三地資源,加快低成本石墨烯及裝備技術產業化進程,形成京津冀戰略性新興產業高地。山東的石墨烯產業主要集中在青島和濟寧。經過幾年的發展,山東省已經初步形成了從石墨烯原料、設備到應用領域的產業鏈雛形。
作為全國較早發展石墨烯的省份,江蘇形成了“1+1+4”的產業創新格局,即以江蘇省石墨烯產業技術創新戰略聯盟為產學研合作載體,以江蘇省工業技術研究院江南石墨烯研究院、石墨烯材料研究院為產業創新基地,在常州、無錫、泰州、南京形成石墨烯產業集群的產業創新布局。
浙江省寧波市作為中國最早開展石墨烯研發和產業化的地區之壹,在石墨烯技術創新和產業發展方面具有顯著的先發優勢、雄厚的基礎和良好的環境,在石墨烯微芯片和石墨烯薄膜的制備和應用領域取得了多項突破,形成了全鏈條發展模式。