石墨烯产业发展调研报告

Acer宏碁AS4750G-2454G75Mnkk石墨烯产业发展调研报告石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元，就是石墨的单层薄片。它是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》曾将石墨烯列为2008年10大新兴技术之一。在2009年12月18日出版的《科学》杂志中，“石墨烯研究取得新进展”被列为2009年10大科技进展之一。2010年10月5日，英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯（graphene）研究方面的杰出成就而荣获2010年诺贝尔物理学奖。1.1石墨烯结构及性质石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativisticquantumphysics)才能描绘。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。（1）导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。（2）超高强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。(3)超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。1.2石墨烯的应用及市场潜力(1)代替硅生产电子产品硅让我们迈入了数字化时代,但研究人员仍然渴望找到一些新材料,让集成电路更小、更快、更便宜。在众多的备选材料中,石墨烯最引人瞩目。石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率（即载流子在电场作用下运动速度快慢的量度），是一种性能非常优异的半导体材料，电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的1/300，要比在其他介质中的运行速度高很多，而且只会产生很少的热量。使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到1THz（即1000GHz）。全球半导体晶硅的市场发展稳定，根据IEK的预测，石墨烯可替代晶硅应用在芯片领域，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路，市场容量至少在5000亿元以上。(2)石墨烯锂离子电池开启储能技术新纪元铅酸电池具有技术成熟、价格较低等优点，但是存在严重铅污染，将被更先进的产品替代。镍氢电池具有可大电流快速充放电、耐过充过放、低温性能好等优点，但能量密度较低使其不能用于纯电动车。锂离子电池能量密度大，循环寿命长，是目前在消费电子领域应用最广泛的电池，但是其功率密度还不够大，电池满充时间需要几个小时，在纯电动车领域的应用碰到了充电难题。超级电容器功率密度高而能量密度低，无法满足续航要求，不能单独用于电动车或其他储能设备。石墨烯锂离子电池解决了“鱼和熊掌不可兼得”的难题，同时满足了能量密度和功率密度要求，开启了储能技术新纪元。石墨烯锂离子电池可以被应用到消费电子、电动工具、电动自行车、电动汽车和储能等领域。特别是在电动汽车和储能领域，石墨烯锂离子电池具有非常强的竞争力。石墨烯锂离子电池可在几分钟内满充，将加快电动汽车产业化进程。目前的电动汽车，因为充电时间长达几个小时，在市场推广过程中遇到了充电站配套建设成本高和普通消费者对其接受度较低的问题。石墨烯锂离石墨烯能够大幅提升锂离子电池性能，未来将在负极材料领域有广阔的市场前景。根据IEK的预测，石墨烯作为负极材料应用在十分之一的锂离子电池中，其需求量在2500吨以上。更重要的是一分钟充电技术，锂离子可再石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备—石墨烯电池。它的功率密度比锂电池高100倍，能量储存密度比传统超级电容高30倍。2008-2013年全球的负极材料的需求量将保持年均20%的增长率，到2013年全球的负极材料需求量将达到3.7万吨以上。未来有1%的锂离子电池由使用石墨烯负极材料的需求，那每年对于石墨烯的需求就在250吨以上。（3）石墨烯促进超级电容器发展超级电容器超级电容器又称超大容量电容器、金电容、黄金电容、储能电容、法拉电容、电化学电容器或双电层电容器（英文名称为EDLC，即ElectricDoubleLayerCapacitors），是靠极化电解液来存储电能的新型电化学装置。它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件，其批量生产不过几年时间。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。美国《探索》杂志2007年1月号，将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。碳质材料是目前研究和应用很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中在活性炭（AC）、活性碳纤维（ACF）、炭气凝胶、他纳米管和模板炭等。而自从石墨烯被成功制备以来，人们开始探索这种碳质材料在超级电容器中的应用。由于石墨烯具有极高的理论比表面积，结构上属于独立存在的单层石墨晶体材料，故石墨烯片层的两边均可以负极电荷形成双电层。且石墨烯片层所特有的褶皱以及叠加效果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，因此石墨烯基的超级电容器具有良好的功率特性。目前中国市场的超级电容器年需求量可达2150万只，约1.2亿瓦时，且每年都在以约50%的速度增长，2011年全球超级电容的市场规模将达到50亿元以上，并保持着20%的增长速率。005-2005-2010年全球超级电容器市场规模（4）替代TTO有极大的前景目前的显示器和触摸屏等器件中的导体材料，主要是使用的氧化铟锡ITO材料。但氧化铟锡的价格高、用量大、易碎、有毒性(与铅的毒性可比)，而石墨烯由于由于其特殊的分子结构而有非常高的导电性，而且石墨烯几乎完全透明；这两种性质使得石墨烯本身就是一种性能非常好的透明导体材料，适合用于制作显示器件。石墨烯的另一个特性是具有高韧性，能够拉伸20%而不断裂。使用石墨烯作为导体材料，能够制成可以折叠、伸缩的显示器件。而且石墨烯触摸屏合成对环境无害，需要资源少，并且随着生产工艺的不断改进，生产成本有望大大低于传统氧化铟锡触摸屏石墨烯。2011年全球仅触摸屏所需要的ITO导电玻璃就近4500万片，加上公共查询、医疗仪器和游戏机等方面的应用，预计2012年ITO导电玻璃的市场容量在8500-9500万片，石墨烯将具有很大的替换空间。以触摸屏为代表的智能机需求强劲增长，带动智能机零部件的生产和销售，其中包括电容屏的生产。据资策会产业情报研究所(MIC)预计，2011年全球智能手机出货量将达到4.52亿台，2012年将增加至6.14亿台，年成长率达35.8%.其中Android平台2011年出货量将达2.06亿台，以46%的市占率成为全球最大的智能手机操作系统，未来预期将维持在50%左右。而iOS与WindowsPhone在相关大厂应用生态体系的支持下，2012年市占率有望达到19%与13%.特别今年是我国千元智能机的普及年，触摸屏的智能机销售将大旺。基数巨大的触摸屏手机的销售，将给石墨烯电容触摸屏带来巨大的发展动力。所以，石墨烯行业存在较大投资机会，值得关注。石墨烯触摸屏，比现有手机触摸屏更环保、更便宜和更耐用。现有手机触摸屏的工作层中不可缺少的材料为陶瓷材料氧化铟锡。从技术层面上讲，该成果的问世缩短了产业界对石墨烯材料8-10年产业化的时间预期。今年，该成果可为手机商提供10万片触摸屏，成本比现用材料降低30%.正是由于有上述优势，石墨烯触摸屏的销售将有望从零起步，几何级别增长。所以，石墨烯行业，值得中长期关注。1.3与石墨烯相关的国内国际政策计划1.3.1国内：新材料产业在“十二五”期间的发展目标为自给率达到70%。规划安排的每个重点子行业都有望通过5到10年的时间形成千亿元至万亿元的产值规模。未来的行业的产值有望达到数万亿元，留给了投资者较大的预期空间。近期，因为整体市场的弱势，新材料板块的个股多处于横盘整理阶段，而新材料中的石墨烯概念，凭借其独特性，成为市场为数不多的亮点之一。虽然我国现阶段石墨烯的生产技术水平仍处于较低水平，尚不能大规模量产，但作为新材料板块在“十二五”规划出台后的首个热点，有望吸引市场对整个新材料板块的关注，形成良好的带动作用。1.3.2美国美国国防部高级研究计划署(DARPA)2008年7月发布了碳电子射频应用项目(总资2200万美元)，主要开发超高速和超低能量应用的石墨烯基射频电路，即用石墨烯制造电脑芯片和晶体管。美国国家科学基金会(NSF)2009年5月发布了石墨烯基材料超电容应用项目，主要研究内容包括：(1)开发石墨烯基电子材料，提高超级电容器性能，使其具有较高的能量和功率密度；(2)表征石墨烯基电子材料的形态、结构和性能特征；(3)加强对石墨烯基超级电容器中电化学双层和决定其性能因素的基本认识；(4)调查离子液体作为石墨烯基超级电容器电解液的相容性；(5)开发新型超级电容器电池组装工艺和电池测试方法。项目研发经费为63.4万美元，研究周期为2009年7月1日至2012年7月30日，由得州大学奥斯汀分校具体负责研究和实施。美国俄亥俄州研究商业化资助项目(ORCGP)资助NanotekInstruments公司约35万美元用于锂离子电池用纳米石墨烯复合电极的商业化生产。纳米石墨烯复合材料具有较大容量(2000mAhg-1)，是石墨实际容量的6~8倍。实验已经证明这种材料300多个充放电循环后，还能够保持其结构的完整性和良好性能。这种复合阳极材料可用于电动车等能源存储应用的锂离子电池，研究周期为2009年4月28日至2011年4月28日。美国结构材料工业公司(SMI)2009年11月宣布，获得NSF的小型企业技术转移项目(STTR)一期资助，用于开发以石墨烯为基质的高灵敏度NOx探测器。其合作方为康奈尔大学、南卡罗来纳大学，分别提供石墨烯薄膜生长技术和气体探测器表征技术。1.3.3欧盟及成员国欧盟FP7框架计划2008年1月发布了石墨烯基纳米电子器件项目。该项目为FP7的联合研究项目，主要研究“超越CMOS”(BeyondCMOS)领域的技术，参加机构包括德国AMO有限公司、意大利大学纳米电子研究组(IUNET)、英国剑桥大学半导体物理组(UCAMDPHYS)、法国原子能机构(CEA)的LETI和法国STMicroelectronicSAS、爱尔兰科克大学(UniversityCollegeCork)的Tyndal纳米研究所等组成。项目经费为239万欧元，研究周期为2008年1月1日至2010年12月31日。欧洲研究理事会(ERC)资助了石墨烯物理性能和应用研究项目。项目研究经费为177.5万欧元，研究周期为3年，负责机构为英国曼彻斯特大学物理与天文学院。该项目有三个主要方向：(1)重点研究石墨烯薄膜和独特的一维性能；(2)模拟无质量相对论粒子的石墨烯电荷载体；(3)石墨烯晶体管的应用研究。欧洲科学基金