中國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模、企業(yè)格局及其應(yīng)用趨勢分析

-1-中國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模、企業(yè)格局及其應(yīng)用趨勢分析本文核心關(guān)鍵詞：石墨烯歷程、石墨烯市場容量、石墨烯企業(yè)、石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈、石墨烯政策規(guī)劃、石墨烯前景趨勢一、石墨烯概述發(fā)現(xiàn)石墨烯的故事需要從石墨的結(jié)構(gòu)說起。從晶格層面看石墨是三維層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)碳原子之間以共價鍵的形式連接，鍵長為0.142nm，作用力非常強，而層與層之間的間隔為0.335nm，以范德瓦爾斯力結(jié)合，范德瓦爾斯力并不是鍵合作用，相比共價鍵其作用力非常弱，因此石墨層與層之間可以很容易的滑動，這是石墨是一種很好的高溫潤滑劑的原因，也是它被用來做鉛筆芯的原因。石墨烯僅有一層原子厚，通過理論計算，其比表面積高達2630m2/g，可以媲美活性炭，但活性炭是無定形炭，導(dǎo)電性能要遠遠差于石墨烯。組成石墨烯的碳原子有4個最外層電子，其中的3個通過sp2雜化鍵構(gòu)成平面正六邊形結(jié)構(gòu)堆砌成石墨烯平面，剩下的一個電子形成半滿的大π鍵，從而形成一個覆蓋整個平面的自由電子氣，這也就是上邊所說的石墨烯中碳原子之間的雙鍵不是簡單的雙鍵，因而載流子在石墨烯中的輸運十分迅速，其遷移率可高達200000cm2/v·s，并且石墨烯內(nèi)部的載流子遷移類似于彈道輸運，所以甚至在存在摻雜或者缺陷的情況下，載流子遷移率仍能達到極高的數(shù)值，因此其電阻率比銀和銅都小。由于石墨烯獨特的能帶結(jié)構(gòu)和電子輸運特性，通過理論計算正入射光透過單層石墨烯的透過率約為97.7%，實驗證明也確實如此。石墨烯中碳碳鍵能比較高，利用原子力顯微鏡（AFM）對石墨烯的強度的研究表明，其楊氏模量能達到1.0TPa，是鋼材強度的200倍。石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石。最后由于碳原子的化學(xué)穩(wěn)定性高，石墨烯抗酸抗堿性能也極優(yōu)越。二、石墨烯分類石墨烯分類方式主要包含兩種，一種為按照層數(shù)分類，一種按照產(chǎn)品形態(tài)分類。按照產(chǎn)品層數(shù)，石墨烯可以分為單層、雙層以及多層產(chǎn)品。單層石墨烯是指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子所構(gòu)成的二維碳材料；雙層石墨烯是指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式所構(gòu)成的二維碳材料；多層石墨烯是指由三到十層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式所構(gòu)成的二維碳材料。根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)，石墨烯產(chǎn)品可分為石墨烯粉體和石墨烯薄膜，這是石墨烯材料的兩種主要形式。前者多摻雜在其他材料中，用于涂料和鋰離子電池領(lǐng)域。石墨烯薄膜廣泛應(yīng)用于透明、導(dǎo)電和柔性設(shè)備，具有廣闊的前景。三、石墨烯制備方法發(fā)現(xiàn)石墨烯時所用的膠帶撕取石墨的方法后來被稱為機械剝離法，這種方法制備的石墨烯雖然尺寸很小，通常在微米級，并且找的過程十分枯燥，但它制備的石墨烯晶體結(jié)構(gòu)最好，是研究石墨烯基礎(chǔ)性質(zhì)的最佳樣品，相當一段時間內(nèi)（2004年-2008年）是實驗室制備石墨烯的最主要的方法。后來，隨著研究的進展，不斷有新的方法被開發(fā)出來，樣品形態(tài)也逐漸分化成溶液、粉體和薄膜，溶液、粉體的主要制備方法是還原氧化石墨法，而薄膜的主要制備方法是化學(xué)氣相沉積法（CVD）和外延生長法。四、全球石墨烯行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計自問世以來，石墨烯的研發(fā)和市場應(yīng)用在全球范圍內(nèi)持續(xù)增加。美國在2008年宣布了3300萬美元的投資計劃;2012年至2018年，韓國原知識經(jīng)濟部提供了2.5億美元的支持;歐盟2013年簽署石墨烯旗艦計劃，一期投資額達到5400萬美元;而中國石墨烯制造創(chuàng)新中心2017年投資超過1.7億美元。在政策方面，全球多個國家都設(shè)立了石墨烯產(chǎn)業(yè)研發(fā)基金及相關(guān)配套政策。在這種情況下，石墨烯的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化受到了全世界的高度關(guān)注和重視。2019年以來，雖然進入石墨烯領(lǐng)域的專利發(fā)明人數(shù)量仍迅速增長，但是專利新增量開始出現(xiàn)下降趨勢，這說明石墨烯相關(guān)技術(shù)正在由技術(shù)成長階段向技術(shù)成熟階段過渡。智慧芽的統(tǒng)計顯示，2022年全球石墨烯相關(guān)當年專利申請量為13159個。隨著全球石墨烯研發(fā)成果陸續(xù)進入市場，全球石墨烯市場規(guī)模開始快速擴張，尤其在涂料、消費電子以及新能源能源，石墨烯需求大幅增長，進一步帶動了全球石墨烯的市場規(guī)模，截至2022年全球石墨烯行業(yè)市場規(guī)模約99.39億美元。五、中國石墨烯行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀相比發(fā)達國家，中國石墨烯行業(yè)起步較晚，至今主要經(jīng)歷了材料發(fā)現(xiàn)階段（2004-2012年）、產(chǎn)業(yè)形成階段（2013-2016年）、研究突破階段（2017年以來）三個階段。特別是自2017年以來，中國在石墨烯材料的研究領(lǐng)域不斷取得突破，如在實驗室內(nèi)制備出了最小尺寸的納米通道以及生產(chǎn)出了首款石墨烯基鋰離子電池充電寶等。得益于中國政府政策的支持和產(chǎn)業(yè)資金的持續(xù)投入，中國石墨烯研發(fā)水平逐步提高，已進入研發(fā)技術(shù)突破階段，中國石墨烯相下游中高端產(chǎn)品的種類在這一時期也呈現(xiàn)增長態(tài)勢，石墨烯超級電容、石墨烯電子器件以及石墨烯柔性膜等產(chǎn)品相繼問世。中國部分石墨烯企業(yè)已能實現(xiàn)石墨烯產(chǎn)品(包括石墨烯粉體、石墨烯薄膜)規(guī)?；a(chǎn)線的投產(chǎn)。在政策鼓勵推動下，中國石墨烯行業(yè)市場景氣度提升，企業(yè)數(shù)量逐年增加，行業(yè)競爭愈發(fā)加劇。具體來看，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)在業(yè)企業(yè)數(shù)從2010年的738家增長至2022年的14682家。同時，石墨烯的下游應(yīng)用企業(yè)比例在逐步上升，石墨烯的市場化在逐步展開，石墨烯市場化成果帶來的新一波熱潮正在襲來。注：1）僅統(tǒng)計關(guān)鍵字為“石墨烯”，且在存續(xù)期的企業(yè)；2）統(tǒng)計截至2022年12月31日；3）統(tǒng)計企業(yè)所屬行業(yè)為“制造業(yè)”“科學(xué)研究及技術(shù)服務(wù)”。2019年中國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模達163億元（下游應(yīng)用制品市場規(guī)模），2021年市場規(guī)模增長至261億元，2022年中國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模在335億元左右。近幾年來看，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模已占全球的30%以上，并逐年提高。從相關(guān)產(chǎn)業(yè)看，2016年中國石墨烯粉體市場規(guī)模為8739萬元，2022年中國石墨烯粉體市場規(guī)模增長至64635萬元。2016年中國石墨烯薄膜市場規(guī)模為821萬元，2022年中國石墨烯薄膜市場規(guī)模增長至6590萬元左右。據(jù)統(tǒng)計2016年中國石墨烯材料市場規(guī)模為9560萬元，2022年中國石墨烯材料市場規(guī)模增長至71225萬元。六、國內(nèi)外石墨烯產(chǎn)業(yè)市場競爭格局全球石墨烯及相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)主要有美國的AngstronMaterials、VorbeckMaterials、XGScience、CarbonScience、GrapheneFrontiers、CVDequipment等，英國AppliedGrapheneMaterials、GrapheneIndustries等，，韓國的GraphenenSquare、三星電子等，以及日本東麗、東芝、索尼產(chǎn)研和信越化學(xué)等公司。中國石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的競爭態(tài)勢為國外企業(yè)技術(shù)領(lǐng)先，國內(nèi)企業(yè)制造領(lǐng)先。石墨烯行業(yè)競爭格局中第一梯隊由貝特瑞、方大碳素、碳元科技、沃特新材料等營收規(guī)模較大，已經(jīng)擁有完整的石墨烯生產(chǎn)線并且實現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營的龍頭上市企業(yè)組成，該類公司在國內(nèi)國外均有較為成熟的銷售網(wǎng)絡(luò)，市占率較高。第二梯隊主要常州第六元素、二維碳素、寧波墨西、南京先豐納米吉倉納米等進入行業(yè)較早，擁有較強的研發(fā)能力和全國范圍的銷售網(wǎng)絡(luò)的代表企業(yè)。該類企業(yè)依托國內(nèi)的政策支持，人才回流等紅利，有較強的研發(fā)能力，未來發(fā)展?jié)摿^大。第三梯隊其他中小型石墨烯生產(chǎn)制造公司，該梯隊中企業(yè)較多，市占率均不高，競爭格局較為分散。七、石墨烯行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈圖譜從整個石墨烯產(chǎn)業(yè)來看，主要涉及原料（石墨礦）、設(shè)備、生產(chǎn)（包括中間產(chǎn)品）、應(yīng)用這四個領(lǐng)域，其中石墨烯的生產(chǎn)和應(yīng)用為產(chǎn)業(yè)鏈上最為核心的兩個環(huán)節(jié)。上游材料方面，中國的石墨礦產(chǎn)儲量排在世界第一。中國目前已建設(shè)六大礦產(chǎn)區(qū)，分別在內(nèi)蒙辦、黑龍江、山東、湖南、和吉林。中游石墨烯方面，中國雖然產(chǎn)量和出口量常年位于世界之首，但其石墨烯制備技術(shù)距離世界頂尖水平還有些距離，下游應(yīng)用方面，目前，石墨烯主要應(yīng)用領(lǐng)域在新能源、復(fù)合材料等領(lǐng)域。上游方面，中國是全球最大的石墨生產(chǎn)國，近年來中國天然石墨產(chǎn)量平穩(wěn)，初步統(tǒng)計2022年產(chǎn)量121.4萬噸。石墨烯的潛在應(yīng)用非常廣泛，被認為幾乎涵蓋材料科學(xué)的各個領(lǐng)域：在電子方面的應(yīng)用，基于載流子遷移率極高，可以取代硅做晶體管等;在光學(xué)方面的應(yīng)用，基于單層吸光率僅為2.3%，可以做透明電極、觸控屏等；用作能源器件，基于其比表面積超高的性質(zhì)，可以做超級電容器等；復(fù)合材料方面，基于其機械強度、導(dǎo)熱、抗腐蝕等方面的性能，可以和金屬、樹脂、涂料等復(fù)合來提高它們的強度、導(dǎo)熱能力和防腐性能等。目前我國已經(jīng)成為全球最大電容器市場，行業(yè)規(guī)模保持穩(wěn)定增長，增速持續(xù)高于全球規(guī)模增速。數(shù)據(jù)顯示，2022年我國電容器市場規(guī)模已達1268億元，在全球市場中的比重高達77.3%，增速為3.1%。八、中國石墨烯行業(yè)政策規(guī)劃石墨烯已上升為國家戰(zhàn)略級產(chǎn)業(yè)，各級政府和有關(guān)部門根據(jù)國家總體規(guī)劃紛紛出臺各地配套政策與措施，推進石墨烯科技研究與產(chǎn)業(yè)化進程。政策的推進有助于這個石墨烯行業(yè)從興起走向高速發(fā)展，未來預(yù)計產(chǎn)業(yè)規(guī)模將進一步擴大。九、中國石墨烯行業(yè)商業(yè)模式石墨烯生產(chǎn)企業(yè)屬于工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，其商業(yè)模式與一般工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)相似。在采購和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，石墨烯生產(chǎn)企業(yè)一般自行采購原材料，完成主要生產(chǎn)工序。在銷售環(huán)節(jié)，石墨烯生產(chǎn)企業(yè)主要采取直銷與經(jīng)銷相結(jié)合的模式。直銷主要直接銷售給下游制造商，經(jīng)銷模式主要通過經(jīng)銷商渠道銷售給終端客戶。十、中國石墨烯行業(yè)進入的壁壘和障礙十一、中國石墨烯行業(yè)發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)石墨烯因其獨特性能，自發(fā)現(xiàn)以來受到廣泛關(guān)注。當前，世界各國均已認識到石墨烯的廣闊應(yīng)用前景，正在形成技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)投資的高潮。中國石墨烯產(chǎn)業(yè)在技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面表現(xiàn)突出，但也仍然面臨技術(shù)問題、市場問題、成本問題等諸多挑戰(zhàn)。此外，石墨烯產(chǎn)業(yè)化之路還存在其他一些障礙。比如，石墨烯在某些性能方面本身也存在競爭性材料，如碳纖維、碳納米管、硅材料、石墨烯粉體等。石墨烯制備還存在著環(huán)境風(fēng)險。氧化石墨烯制備過程中需要大量的酸、堿，材料本身具有較強的穩(wěn)定性和極易擴散，對環(huán)境具有較大的風(fēng)險。十二、中國石墨烯行業(yè)前景趨勢和戰(zhàn)略建議為了實現(xiàn)上、下游完整產(chǎn)業(yè)鏈的建立、實現(xiàn)資源共享、市場規(guī)范，我國成立了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。在石墨烯制備領(lǐng)域，可實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的