【深度解析】石墨烯技術突破與市場前景

作者：王本力

石墨烯是21世紀最具顛覆性的新材料，具有強度最高、韌性最高、透光率最高、重量最輕、電子遷移率最快、導電性最佳的優異特性，借助“石墨烯 ”戰略平台，可以為一大批傳統材料的性能提升與應用拓展提供有力支撐，同時衍生出一係列性能優異的新一代功能元器件，在鋰離子電池、太陽能電池、超級電容器、傳感器、生物醫藥、複合材料、環保、柔性顯示、半導體行業等傳統領域和新興領域的應用都將引起相關行業革命性的變革，改變行業現有競爭格局，成為引領新一代工業技術革命的戰略性新興產業。

目前，石墨烯行業正處於從技術向商業演變的關鍵時期，大規模應用即將到來。

一、石墨烯技術突破

2010年石墨烯發現者獲得諾貝爾物理獎後，全球科技界和工業界競相關注，截止目前大約有80多個國家和地區開展石墨烯及其應用研究。

近兩年來，石墨烯產業化方向逐漸清晰，石墨烯研發支持力度不斷加大。美國、歐盟及其成員國、日本和韓國等先後從國家戰略高度開展相關部署，出台多項支持政策和研究扶持計劃。

隨著“中國製造2025”國家戰略的出台，石墨烯扶持力度加碼，國家、地方政府、產業聯盟通過多種手段支持石墨烯產業發展。

總體上，前期世界各國的支持政策主要集中在石墨烯基礎研究；目前大多集中在石墨烯產業鏈中遊，以石墨烯功能器件研發為主；預計未來5到10年，各國對石墨烯行業的支持仍將集中在石墨烯中遊產業鏈，以進一步加快石墨烯產業化。

表1  推動石墨烯產業化發展的政策措施

數據來源：賽迪智庫原材料工業研究所整理

眾多科研機構、企業紛紛進入，但國內外差異顯著。

不完全統計，全球有近300家公司涉足石墨烯研究，包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學、通用、杜邦、施樂、洛克希德-馬丁、波音、諾基亞、三星、LG、日立、索尼、3M、東麗、東芝、華為、輝銳、深圳鴻海等。

國外高校和企業掌握了大量核心專利，在石墨烯產業化進程中扮演著重要角色。

韓國三星、美國IBM、韓國成均館大學、韓國科學技術研究所、日本東芝公司、美國賴斯大學等具有較高的影響力。

國內相關研究主要集中在高校和中科院，有80多所一流大學和研究機構涉足石墨烯，但在企業層麵隻有深圳鴻海具有一定優勢，且專利數量遠遠落後於三星、IBM等國外企業，石墨烯研發過程中企業的主體作用亟待進一步加強。

另一方麵，國內研究多集中於bottom-up方法製備、在鋰離子電池電極中的應用以石墨烯複合材料方麵，在半導體器件方麵實力弱，產業布局亟待進一步優化。

表2  國外部分知名研究機構簡介

數據來源：賽迪智庫原材料工業研究所整理

圖1  國內主要研究機構分布

數據來源：賽迪智庫原材料工業研究所整理

2010年後，全球石墨烯相關論文和專利數量呈井噴式增長。根據切薩布魯夫技術生命周期理論，石墨烯產業仍處於技術成長期，且技術演化趨勢正由石墨烯製備工藝向具體應用領域轉變。

從1991年開始至今，全球共發表石墨烯相關SCI論文137690篇。其中，中國、美國、韓國和日本發表論文數量位居全球前四名，占比分別是34.2%、18.9%、7.5%和5.4%。

從1994年開始至今，全球共有12518件石墨烯相關專利。從技術原創國專利申請數量看，中國、韓國、美國、日本申請的專利量位居全球前四，占比分別是50%、14%、6%和6%，中國石墨烯相關專利量具有絕對優勢。

從目標申請國專利申請量看，中國是專利布局的重點，其後依次是美國、韓國、WO、日本和歐專局。從各原創國的技術申請範圍看，韓國、美國和日本都在積極進行專利全球布局，但我國專利海外布局薄弱，亟待進一步加強。

從石墨烯專利技術申請領域看，2013年之前，石墨烯相關研究主要集中在製備領域，2011年至2013年間製備技術專利占石墨烯專利申請比例達38%。隨著製備技術的完善與成熟，石墨烯專利申請不斷向下遊應用拓展，並開拓出新的領域。2013年至2015年間，全球新增大量關於複合纖維、塗層、功能薄膜、水處理等新興領域的石墨烯技術專利申請，其中關於石墨烯基複合材料的專利申請幾乎翻翻，而製備技術專利的申請比例降至約29%。

表3  石墨烯相關標誌性事件和成果

        數據來源：賽迪智庫原材料研究所整理

二、市場前景分析

目前，石墨烯處於產業化初期，主要應用在鋰電池導電添加劑、塗料、導熱膜等低端產品。

全球各國根據本國產業結構特點、技術優勢和產業化資源製訂了不同的技術應用節點和路線圖，如歐盟石墨烯旗艦計劃技術路線圖、韓國石墨烯產業市場路線圖、《中國製造2025》石墨烯產業技術路線圖、中國台灣石墨烯產業技術路線圖等，明確了產業化發展重點、方向和路徑，已解決當前相關產品製備技術存在成本高、技術不成熟、產品不穩定等問題，開發針對特定場合的多形態和特性石墨烯基材料的製備和結構調控技術。

未來將重點突破以大規模、低成本、高質量、品質均一可控和多尺度為特征的石墨烯製備技術，大力發展石墨烯高精尖應用技術以及下遊產品開發，不斷拓展石墨烯相關產品應用領域。

圖2  歐盟石墨烯旗艦計劃技術路線圖

圖3  《中國製造2025》石墨烯材料技術路線圖

石墨烯已經過了炒作熱期，企業已經將注意力從石墨烯製備轉移到應用，產業爆發點已經形成。當前，一些公司已具備提供石墨烯的能力，但主要應用於試驗和應用研究，真正實現高端應用的較少，且相關企業的年產能大多不超過百噸級。

隨著政策支持力度加大、資本投入以及宏量製備技術的突破，未來5~10年，多數企業年產能將達到千噸級，少部分大型企業年產能有望達到萬噸級。

美國擁有IBM、英特爾、波音等眾多大型企業，良好的創業環境催生了眾多小型石墨烯企業，產業化和應用進展較快，產業布局呈多元化，已形成相對完整的產業鏈，覆蓋從製備及應用研究到石墨烯產品生產直至下遊應用全環節。

歐盟擁有諾基亞等大型企業以及眾多小型專業化石墨烯企業，主要從事石墨烯粉體、石墨烯薄膜、石墨烯複合材料製備，較少涉足下遊應用，未形成完整的產業鏈。

英國有多家大型企業從事石墨烯開發及商業化推廣，同時湧現出眾多專業從事石墨烯研發的新興企業，來自政府的支持力度很大，其產業化和應用進程加快，產業格局與歐洲整體相似。

韓國和日本石墨烯產業主要集中CVD石墨烯薄膜製備及其在電子器件領域中的應用。

國內石墨烯企業多為處於成長期的中小企業，企業數量初具規模，但龍頭企業數量不多、規模相對較小，製約著整個產業鏈的發展和完善。

表4  國外主要企業情況

數據來源：賽迪智庫原材料工業研究所整理

表5  國內重點企業情況

數據來源：賽迪智庫原材料工業研究所整理

表6  國內主要企業分布

數據來源：賽迪智庫原材料研究所整理

全球各大研究機構紛紛對石墨烯市場前景和規模進行了預測。

綜合國內外各機構的分析結果，未來5~10年將是全球石墨烯產業的高速發展期，各行業對石墨烯的需求量將不斷增加。

對石墨烯的近期需求主要來自複合材料和塗層，集中在汽車、塑料、塗層、建築、金屬、電池、航空以及能源和儲能領域。

對石墨烯的中長期需求主要集中在電子和光電領域及儲能領域。隨著石墨烯行業的深入發展，其應用領域將不斷拓展。

表7  石墨烯市場預測

數據來源：賽迪智庫原材料工業研究所整理

圖4  2023年石墨烯應用領域分布

數據來源：BCC Research，賽迪智庫原材料研究所整理

圖5  2025年石墨烯應用領域分布

數據來源：Future Markets，賽迪智庫原材料研究所整理

三、加快我國石墨烯產業發展

石墨烯研究是我國少數位於世界前列的科技領域之一，與國際先進水平相比具有發展快速、水平相當、國際同步、部分領先的特點。但國內石墨烯產業鏈不成熟、下遊應用環節未打通、市場需求有待培育、自主知識產權有待加強等製約產業發展的瓶頸問題突出。

製定國家級產業發展規劃。

當前，我國在石墨烯領域尚缺乏國家層麵的宏觀規劃，與國外相比仍有較大差距。建議盡早製定國家層麵的石墨烯產業技術路線和產業化路線，明確產業發展的階段目標、重點任務、重大工程、資金來源及政策措施等，確定合理的組織框架，推動材料、設備、工藝和應用並行發展，促進上下遊的協調發展。

提升企業創新能力。

一是以企業為主體，實施“政產學研用融”協同創新，建立石墨烯國家重點實驗室或工程中心，鼓勵生產企業和應用企業交叉持股、戰略合作，設立聯合研發平台，支持生產企業、研發機構和應用企業聯合承擔研發項目和科技成果轉化項目，突破石墨烯製備、應用和產業化技術瓶頸，加快科技成果轉化，打通石墨烯全產業鏈。

二是石墨烯產業作為引領整個工業領域的材料革命的新興產業，不能遵循傳統內生式產業發展軌跡，引導企業開展產業組織創新，加快發展“企業 研發機構 孵化器 加速器”的發展模式。

三是依托龍頭企業、科研院所等，加快建成一批石墨烯材料及器件技術創新平台、產業轉化平台及專利和標準服務平台，提高石墨烯產業高端服務能力。

推動石墨烯應用發展。

石墨烯產業最大的瓶頸在於沒有形成完整成熟的產業鏈，研發製備企業和下遊應用企業脫節，市場需求尚未全麵打開。

一是加快應用技術開發，鼓勵企業聯合科研院所、高校開展相關產品設計和技術研發，擴大石墨烯應用領域和市場。

二是推進首批次產業化應用示範，扶持一批具有行業帶動作用的企業實現在重點需求領域的率先應用，構建與各類應用相適應的市場化運作機製，建成一批高水平示範項目。

三是依托有關協會、學會、行業聯盟或企業，加快製定工藝標準、檢測標準，產品標準等，積極參與製定石墨烯國際標準，加快石墨烯標準國際化進程，將石墨烯研發優勢轉化為行業標準優勢，掌握產業發展的話語權。

四是石墨烯應用技術多處於中試階段，市場前景不確定，一旦量產將引起價格下降，甚至技術擴散導致行業惡性競爭，必須建立健全行業規範，實現研發生產和商業化的有機融合。

加大資金支持力度。

國外在石墨烯發展過程中給予了持續的資金支持，我國雖然通過國家自然科學基金已經陸續資助超過3億元用以石墨烯相關項目，但資助體量相比國外仍有提升空間，特別是在歐盟10年10億歐元支持石墨烯產業和國內石墨烯企業仍顯弱小的大背景下，我國應進一步加大資金扶持力度。

一是在國家層麵設立重大科技專項，出台石墨烯產業發展專項行動計劃，進一步加大對石墨烯技術創新的支持力度；

二是盡快出台後續補貼和激勵政策，充分激發企業和市場積極性；

三是大力發展符合石墨烯產業特征的金融產品和服務，支持天使投資、科技支行、科技保險、科技小貸等新型金融業態，製定和完善風險補償、基金扶持等政策；

四是落實首台（套）重大技術裝備保險補償機製，推動石墨烯生產首台套裝備和首批次石墨烯的推廣應用。

加強自主知識產權建設。

一是加強石墨烯專利分析與戰略研究、知識產權保護機製研究，構建產業化導向的石墨烯專利池。

二是支持具有自主知識產權的項目開發，鼓勵相關機構通過PCT途徑申請國際專利，加強海外專利布局。

三是加強在Bottom-up途徑製備石墨烯、半導體器件應用、以及設備等技術領域的產學研合作和技術轉移，引導和支持設備專利和應用專利申請，形成規模化專利申請布局。