石墨烯是從石墨材料中剝離出來的二維碳材料，按照碳原子層數可分為單層石墨烯、多層石墨烯及石墨烯微片。其中單層石墨烯是指碳原子僅僅在二維平面以六角蜂巢結構排列構成的嚴格單層碳材料，是一種沒有能隙具有線性能量分布的半導體，由于電子可以在晶體中自由移動而賦予單層石墨烯非常好的導電性。

石墨烯的種類

石墨烯單層碳結構

　　在力學方面，石墨烯是 人類已知最強最高的物質，其楊氏模量達1Tpa，與單壁碳納米管相當。強度約為 180GPa，是普通鋼材的100倍。此外，石墨烯還具有良好的韌性，單位面積石墨烯 片可承受4kg重量，可見其韌性相當于碳纖維的20倍；在熱學方面，石墨烯自身的 導熱系數達到5300W/m•K，是室溫下最好的導熱材料，導熱性能是碳納米管的1.51 倍，是銅的13倍；在電學方面，石墨烯是室溫下最好的導電材料，由于其特殊的能帶結構使常溫下電子運動干擾小，傳輸質量大幅提高。石墨烯的電學性能突出表現 在高載流子遷移率及高電流密度，其載流子遷移率達15000cm2/V•s，相當于商用硅 片的10倍。電流密度耐性為2億A/cm2，相當于銅的100倍。

石墨烯的特殊性能

　　石墨烯除具有優異的熱學、力學及電學性能外，還具有幾類特殊功能如低溫吸氫、常溫無散射、應變傳感等，這使得石墨烯能用于制作吸氫材料、無散射傳輸器件、應變傳感器、雙極半導體和類催化劑等。綜合分析石墨烯的各類優異性能及特性，石墨烯將來運用的領域將會十分廣闊，且主要集中在電子行業及化工行業，尤其是在電子行業的鋰電池電極、觸摸屏、超級電容領域和化工行業的涂層、保險、吸附、淡化領域。

石墨烯應用領域

石墨烯的獨特用途

　　在全球主要優先權專利 申請件數排位中，中國、韓國、美國申請件數名列前三，分別為6714、2892、2632件。石墨烯的研發主要集中在亞洲及北美洲，其中中國是主要的研發國家，最早優 先權專利申請數約占全球50%。全球前十位石墨烯專利申請人中，有五位是中國高 校，兩位是韓國高校，只有三家是企業，高校占70%，可見目前石墨烯的研發主力仍然在高校。從專利數量看，專利申請數最多的申請人為韓國三星、韓國高科技學 院及美國IBM，專利申請數分別為503、223、199件，可見全球石墨烯研發技術領先機構主要分布在韓國。

全球石墨烯最早優先權專利申請件數分布

全球前十位石墨烯專利申請人

　　當前在石墨 烯研發重點在高端光電元件。以歐盟為例，歐盟擬定了未來20年石墨烯研發藍圖， 其在近期將加大力度研發觸摸屏、電子紙、折疊式OLED、光纖激光器等光電元件。 至2020年以后，石墨烯研發往高端光電元件邁進，主要為晶體管及光學發生器、調節器等。現階段石墨烯的制取工藝研究及向下游應用拓展為主要發展方向，近期的重大成果主要集中在石墨烯制備、可穿戴設備、油墨印刷、鋰電池等方面。

2012-2016年石墨烯部分重大研發成果

　　歐盟等國家對石墨烯性能關注點主要集中在其優良的光電特性，并制定了長遠的發展目標，對石墨烯未來發展前景非常樂觀。。石墨烯在不同的產業化階段具有不同的重點應用領域。第一階段主要為低端石墨烯材料的產業化，此時石墨烯制備技術日趨成熟，石墨烯下游需求逐漸打開，石墨烯的量產化及石墨烯材料對傳統材料 的替代進程加快。從15年至今，國內首個單層石墨烯量產化基地的落戶廈門。石墨烯電子紙、柔性屏及石墨烯手機的問世，都預示著我國石墨烯已經初步踏入產業化階段。隨著下游應用市場的打開、中高端石墨烯材料研究技術的成熟，石墨烯作為優質材料的特性將得到更充分挖掘，產業化將會逐步進入第二階段。石墨烯在制備和應用上不斷有技術突破，主要集中于石墨烯的薄膜的制取和應用。根據石墨烯的發展前景，目前石墨烯發展主要受限于成本昂貴而可替代品價格較低，但隨著研究的不斷深入，石墨烯還是未來發展應用的目標。

　　英國在2014-2015年間總計投入1億英 鎊成立石墨烯研發機構；美國政府在2014年投入2800萬美元用于石墨烯的進一步研 究，此外國際巨頭石墨烯巨頭IBM公司預計在未來五年內投入30億美元研究石墨烯 相關芯片技術；歐盟將石墨烯研究上升至戰略高度，計劃在2023年前投入累計10億 歐元資助；韓國則預計在2012-2018年內投入約3億美元用于石墨烯的研發及產業化； 日本經濟產業省投入9億日元，重點研究碳納米管和石墨烯批量合成技術。

歐盟及各國近期對石墨烯的布局

　　我國將石墨烯納入《新材料產業十二五 發展規劃》中鼓勵發展的新材料，而《中國制造2025》則進一步明確規劃了未來十 年我國石墨烯產業的發展路徑，總體目標是2020年形成百億規模， 2025年突破千億，重點是石墨烯制備實現規模化，儲能電化學器件等領域實現產業化。

中國制造2025石墨烯材料總體布局

　　目前，新材料 “十三五”規劃編制已經基本結束。公開信息顯示，其中前沿新材料領域，將重點發 展石墨烯、3D打印、超導、智能仿生等4大類14個分類材料，并形成一批潛在市場 規模在百億至千億級別的細分產業。新材料“十三五”規劃將催生萬億級別的大市場，石墨烯作為性能優異的前沿材料，其產業化將迎來跨越式發展的歷史機遇。

　　全球石墨烯專利最為集中的前五個領域分別為鋰電子電池、生化傳感器、超級電容器、催化劑及導電復合材料。 在鋰電子電池應用方面的專利數最多，為646件，占所有領域專利數的12.7%。可見石墨烯的應用研究在鋰電池領域最為成熟，在產業化推廣上的技術難度最低。

石墨烯專利最為集中的十個領域

　　根據石墨烯在電子領域的下游需求情況、應用優勢及產業主要障礙分析可得出石墨烯首先會在鋰電池電極添加劑領域實現產業化。由于石墨的鋰電池電極添加劑的研發技術較為成熟，且量產難度主要在于復合材料中石墨烯分布的均勻性，在合成控制及成本方面具有優勢，因而相比其他電子領域，其產業化時間更早。其次為為導熱 膜及觸摸屏，由于研發技術較為成熟，產業化預期比柔性導電膜及超級電容提前1-2年。

石墨烯在電子領域的產業化現狀

　　從產業鏈上看，鱗片石墨礦經過初加工及深加工后制成石墨烯制品。石墨烯在鋰電池中的添加形式主要有導電添加劑、電極復合材料及直接作為負極材料三種形式。添加石墨烯后的鋰電池則在主要運用與智能手機、筆記本電腦、移動電源及可穿戴設備、電動交通工具及工業儲能等下游領域。

石墨烯-鋰電池產業鏈

　　全球動力鋰電池市場規模逐漸擴大，2012年動力鋰電池市場規模約為300億元，預計每年保持約30%的 平均增長率，至2020年全球動力鋰電池市場規模達到2100億元，為2012年的7倍。 與此同時，各國動力鋰電池廠家紛紛擴增產能，以中國為例，2017年國內預計擴增 產能約為15.2Gwh，而15年國內動力鋰電池總產能為18.97Gwh，產能擴張將近80%。

2012-2020年全球動力鋰電池市場規模及預測

2016年國內主要動力鋰電池廠家新增產能

　　全球便攜式鋰電池市場規模自2012年以來逐 年增長，預計未來在2020年以前保持每年約10%的平均增長率。其中鋰電池在手機、 平板電腦及筆記本方面的需求量將保持8%的年平均增長率，預計2017年便攜式鋰電 池在手機、平板電腦及筆記本方面的需求量達到45,000MWh。

2012-2020年全球便攜式鋰電池市場規模預測

2013-2017年手機、平板電腦及筆記本便攜式鋰電池需求量

　　當前國內石墨烯初具規模的廠家主要青島昊鑫、東莞鴻納新材料、北京墨烯、德陽烯碳、濟寧利特和第六元素，隨著國內鋰電池下游產能的擴張，以及生產技術的進步，廠家的研發動力十足，發展前景可期。

　　石墨烯導電劑按照溶劑類型，可分為水漿料、NMP漿料、粉末類導電劑。在水 漿料和NMP漿料型導電劑中，石墨烯含量一般為5.0±0.1wt%，分散劑含量為0-0.5 wt%。粉末類石墨烯導電劑，需要添加水或NMP及分散劑，配制成水漿料及NMP漿
料型導電劑后才可添加于鋰電池正負電極中。

鋰電池中石墨烯導電劑種類

　　石墨烯相比傳統導電 劑，其接觸方式主要為“面對點”，由于其極薄的顆粒尺寸及晶相內自由移動的電子 使得石墨烯的粉體導電率達到1000S/cm，為導電碳黑的100倍。在導電添加劑用量 為1-6wt%的范圍內，石墨烯導電劑的電阻率均僅為同濃度的導電碳黑1/40-60，僅 為同濃度碳納米管1/10左右。關于放電性能上，在10C、電池容量為0-133mAh•g-1時，石墨烯的放電電壓明顯高于導電碳黑，由此可知，石墨烯的電學性能遠優于傳統導電劑。

不同添加量對電極電阻率的影響(Ω*cm)

10C下，石墨烯與導電碳黑放電倍率曲線

石墨烯導電劑與傳統導電劑比較

　　當前制備石墨烯的方法主要有微機械玻璃法、氣相沉積法、外延生長法及氧化石墨還原法。決定量產的關鍵因素是產品的尺寸，其次是制造成本與產品質量。氧化石墨還原法及氣相沉積法均可制得大尺寸的石墨烯，前者雖然易導致石墨烯分子結構破壞但具有成本優勢，后者盡管成本較高但具有質量優勢。石墨烯制備方法的成熟為產業化提供了前提條 件，我國政府也在《中國制造2025》中明確提出要在2020年實現石墨烯原材料規模化生產。預計在政府的支持及生產技術的改進下，石墨烯原材料產業化進程將加速，而石墨烯導電劑在充足的石墨烯原材料供應的條件下，將會迅速在下游市場中得到大規模推廣。

四種石墨烯制備方法對比

　　根據Graphenea統計，當前CVD法 生產單層石墨烯的成本約為7歐元/平方厘米，未來幾年內隨著石墨烯生產工藝的成 熟，生產成本將進一步降低。預計2020年，CVD法生產單層石墨的成本將降至0.07 歐元/平方厘米。石墨烯生產價格的大幅降低，將使石墨烯導電劑突破成本瓶頸，從而以更加合理價格占領下游市場。 根據石墨烯產業聯盟的統計數據，2015 年石墨烯導電劑的價格為 230 美元/千 克，與碳納米管導電劑價格大致相同。但是，石墨烯導電劑價格下降的幅度將遠超 于碳納米管導電劑價格的下降幅度，預計到 2020 年，石墨烯導電劑價格將降至 113 美元/千克，碳納米管價格依然維持在 200 美元/千克的水平，石墨烯導電劑的價格 優勢逐漸凸顯。

各類導電劑預期價格變化（美元/千克）

　　石墨烯復合電極材料主要可分為正極復合材料及負極復合材料，相比純電極材料，能夠大幅改善電極循環性能，減少傳荷電阻，使電極導電性明顯改善。

鋰電池中石墨烯復合電極材料種類及優勢

　　國內當前石墨烯復 合電極相關專利約有124項，其中2014年公開專利51項，專利數為歷年最多。其中 涉及鋰電池的石墨烯電極復合材料約為14項，以負極運用為主。專利申請人中企業 僅占35%，可見鋰電池石墨烯復合材料的研發主體依然為科研機構，然而亦有多家
企業投入研究。由于石墨烯在鋰電池復合電極材料中研發技術相對較成熟，考慮到合成工藝控制因素，預計產業化時間將比石墨烯導電劑晚1-2年。

2009-2015年國內石墨烯復合電極材料專利數

國內鋰電池石墨烯電極復合材料專利分布