一文看懂石墨烯材料界“网红一哥”5大应用领域产业浪潮开启

来源:love爱博体育平台 作者:爱博体育官方平台下载 发布时间:2022-09-25 03:06:34 1次浏览

  石墨烯属于二维碳纳米材料,具有优秀的力学特性和超强导电性导热性等出色的材料特性,其下游应用主要涵盖基础学科、新能源电池、柔性显示屏、传感器及复合材料等领域。石墨烯的大规模商业应用方向主要分为粉体和薄膜,其中石墨烯粉体目前主要用于新能源、防腐涂料等领域,石墨烯薄膜主要应用于柔性显示和传感器等领域,其中来自新能源的需求超过 70%。 全球石墨烯行业市场规模呈稳步增长态势。预计到 2020 年末,全球和国内石墨烯行业市场规模分别为 95 亿美元和 200 亿元,中国石墨烯市场规模约占全球石墨烯总市场规模的 30%,并有逐年提高的趋势。 本期的智能内参,我们推荐国信证券的研究报告,揭秘石墨烯的性能特点、产业链概况、下游需求和国内外行业现状。

  石墨烯是 2004 年用微机械剥离法从石墨中分离出的一种由碳原子以 sp杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,英文名为 Graphene,为一层碳原子构成的二维晶体。石墨烯与其他有机高分子材料相比,有比较独特的原子结构和力学特性。石墨烯的理论杨氏模量达 1.0TPa,固有的拉伸强度为 130Gpa,是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且可以弯曲,被誉为“新材料之王”、“黑金”。

  石墨烯按照层数可分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。按照功能化形式可以分为氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯等。按照外在形态、又可分为片、膜、量子点、纳米带或三维状等。

  石墨烯具有超强导电性、良好的热传导性、良好的透光性、溶解性、渗透率、高柔性和高强度等出色的材料特性。它的的应用领域非常广泛,主要集中在基础学科、新能源电池、柔性显示屏、传感器及复合材料等领域。

  石墨烯材料本身表现出优异的性能,其下游应用领域非常广泛,可应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面,且在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。石墨烯上游为石墨、下游主要应用领域为新能源电池、涂料、柔性屏和传感器等领域。 石墨烯产业链上游的原料为石墨,中国是全球最大的石墨生产国,但可开采储量仅为全球第二,占世界总储量的 25%,静态可开采年限仅为 116 年,在全球主要的石墨生产国中,仅高于挪威。

  我国天然石墨产量在 2018 年达 63 万吨,占世界总产量的 68%,另外人造石墨产量约为 13.8 万吨,石墨行业全球范围内产量减少,原材料供应相应减少,这需要对石墨烯中游制备提出更高的要求。

  石墨烯产业链中游主要为石墨烯的制备。石墨烯的制备分为两种:(1)“自上而下”:从石墨块原材料出发,将单层或几层原子厚度的石墨烯层从石墨块中剥离出,例如“液相剥离法”、“机械剥离法”等;(2)“自下而上”:从碳原子或碳化合物分子结构出发,如 CH4C2H2 等,利用晶体生长重新排列出石墨烯,例如“化学气相沉积法”、“小分子化学合成法”、“外延生长法”等。 不同制备方法获得的石墨烯在品质和成本上差异较大,与之相关的产品的适用领域也有一些差异。石墨烯粉体主要由球磨剥离法、液相剥离法和氧化还原法等制备,其中氧化还原法制备的石墨烯粉体层数最少,是目前最常采用的方法。石墨烯薄膜主要由气相沉积法和外延生长法等制备,其中化学气相沉积法可以制备大尺寸的石墨烯薄膜,是目前被认为最有希望实现石墨烯薄膜大规模制备的方法。

  全球石墨烯行业市场规模呈稳步增长态势。2019 年全球石墨烯行业市场规模为77 亿美元,复合增长率为 45.89%,据预测,未来两年石墨烯将保持约为 20%的增速。 中国石墨烯市场规模近年来快速增长,2019 年达 163 亿元,预计 2020 年将超过 200 亿元,年复合增长率约为 60%。近几年来看,中国石墨烯市场规模约占全球石墨烯总市场规模的 30%,并有逐年提高的趋势。

  石墨烯下游应用主要分为两个方面:第一是石墨烯粉体下游应用,第二是石墨烯薄膜下游应用。其中石墨烯粉体可应用在新能源电池、复合材料、锂电池等方面,石墨烯薄膜可应用在柔性显示屏和传感器等方面。 我国石墨烯目前应用最广泛的下游领域是新能源相关领域,是行业超高增长的主要驱动者。2017 年石墨烯在新能源超级电容与锂电池导电剂领域市场规模在50 亿元左右,占全国市场份额的 71.4%,其中,石墨烯在防腐涂料、复合材料、生物传感器等领域的应用也占额较多且备受关注,节能环保和电子信息柔性显示领域也有一定的涉及。具体来说,石墨烯在以下五个领域具有很好的前景:

  超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,它既具有电容器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性,是一种拥有高能量密度的电化学电容器,比传统的电解电容容量高上数百倍至千倍不等。与蓄电池和传统物理电容器相比,超级电容器的特点主要体现在功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护、绿色环保等方面。石墨烯拥有良好的导电性、高密度和比表面积,是超级电容的理想材料。

  石墨烯超级电容器因其优秀的材料特性,如导电性、高密度和大比表面积,与传统电池和传统电容器相比,在放电率、充电率和输出功率等方面均有显著提高,使其能新能源电池方面取得广泛应用。

  全球石墨烯超级电容市场规模预计在 2021 年底达到 0.84 亿美元,到 2030 年全球石墨烯超级电容市场规模有望达到 6.09 亿美元,期间年复合增长率到23.9%。而石墨烯超级电容器由于其重量轻,经久耐用,能大容量储能,缩短充电时间等优势,被交通运输、工业、新能源电池和装备等其他方面所欢迎。 亚太成为最大的区域市场,预计 2021 年占全球石墨烯超级电容市场的 46%,到 2030 年持续增长,约占全球超级电容市场的 50%。欧洲和北美市场位列二、三,预测分别约占全球石墨烯超级电容市场的 27%、18%。中国、日本和韩国是石墨烯超级电容需求增长的主要国家,远高于北美和欧洲等地。中日韩三国主要将石墨烯超级电容用于电动汽车和电子设备等方面。

  由于国家政策支持,我国超级电容市场快速增长,从 2010 年的 8.5 亿增加到2019 年的 118 亿元,同比增长 30%,预测未来三年仍然保持将近 30%的增长率,2020 年预计可以达到 150 亿元水平,石墨烯渗透率也将达到 5.5%左右。交通运输领域持续占据石墨烯超级电容器最大的市场份额。 目前我国超级电容的应用主要集中于交通运输、工业、新能源电池和其他方面。超级电容的细分产品规模呈逐年上升趋势,考虑到石墨烯相比传统电容电池的高性能优势和未来良好的竞争性,可以认为石墨烯超级电容也会呈大量增长趋势,尤其是在交通运输和新能源方面。交通运输和装备等领域对安全、轻便、清洁电池的需求会导致高功率和高能量密度电池的需求,最终推动石墨烯超级电容器市场的增长,尤其在电动车市场。

  石墨烯超级电容器将解决制约电动汽车发展的两大难题:充电时间长和续航里程短。预计超级电容器可以多储存 100 倍的电能,比传统电池节省 150 倍的成本,并将电池废料堆环境的影响降低了 5 倍,充电周期可高达 100 万次。石墨烯超级电容应用于动力锂电池行业是未来的发展趋势,共同组成新能源车的动力系统。

  防腐涂料是指防腐涂料是指由底漆、中漆和面漆组成的具有防腐蚀功能的涂料,依据涂料应用领域的不同,可以分为常规防腐涂料和重防腐涂料。我国防腐涂料市场巨大,并且规模还在逐年增长。 石墨烯防腐涂料相对于其他防腐涂料而言,在导电性、热稳定性、力学性能、抗菌性能等方面优势更为明显。石墨烯由于其良好的导电性能和片状搭接阻隔性能,可以对氧和腐蚀介质起到屏蔽作用,降低了防腐涂层的渗透性能,从而提高涂层的防腐蚀性能。中国防腐涂料发展较快,2019 年,我国防腐涂料总产量 535 万吨,同比增长 18.4%,占涂料总产量的 22.2%。

  锂电池导电剂的首要作用是提高电子电导率。导电剂在具活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用以减小电极的接触电阻,提高锂电池中电子的迁移速率,降低电池极化。此外,导电剂也可以提高极片加工性,促进电解液对极片的浸润,从而提高锂电池的使用寿命。常用的锂电池导电剂可以分为两类:第一类为传统导电剂(如炭黑、导电石墨、碳纤维等),第二类为新型导电剂(如碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料等)。 石墨烯作为新型导电剂,可以最大化的发挥导电剂等作用。这是由于其独特的片状结构,它与活性物质的接触为点-面接触而不是常规的点点接触形式,这样可以减少导电剂的用量,提升锂电池容量,其改性效果远高于天然石墨。但是由于其成本较高,具有阻碍锂离子传输等弊端尚未完全被工业化应用。

  我国锂电池产量预计在 2020 年底将达到 160GWh,年复合增长率约为 27%。2018 年石墨烯在锂电池中的渗透率达到 2.5%左右,预计 2020 年石墨烯渗透率将达到 5%左右。

  目前石墨烯导电剂的生产成本较高,2015 年石墨烯导电剂的价格为 230 美元/千克,与碳纳米管导电剂价格大致相同,而石墨烯导电剂价格下降幅度远超过碳纳米管导电剂,预计 2020 年将下降至 100 美元/千克。随着石墨烯生产工艺的进一步成熟,相关资本的涌入以及国家政策的大力支持,石墨烯导电剂将突破成本瓶颈,石墨烯导电剂的价格优势逐渐突显。

  石墨烯价格下降以及锂电池产量和石墨烯渗透率快速增长将导致石墨烯导电剂市场规模快速增长。石墨烯在导电剂领域的市场规模预计在 2020 年达到 139亿元,年复合增长率约为 64%。 全球动力锂电池近年来保持高速增长状态,带动锂电池导电剂市场规模不断增长。据国际市场研究机构 Adroit Market Research 最新发布的报告预测,2018年至 2025 年,全球动力锂电池市场规模年复合增长率接近 14.3%,其中大部分增长规模来自亚太地区。亚太地区是 2019 年最大的汽车电池市场。石墨烯导电剂作为未来电动汽车锂电池导电剂的研究不断深入,也导致预测期内动力锂电池行业市场的迅速增加。

  石墨烯薄膜具有因导电性良好,高柔性,透光性强等原因,未来可广泛应用于柔性显示领域。目前市场上使用最多的柔性显示屏为 ITO 膜(陶瓷材料氧化铟锡),该材料制作工艺趋于成熟,价格较低。但弯折后就不再具有导电性,无法满足未来移动设备、可穿戴设备柔性显示屏的需求,而石墨烯薄膜因其良好的导电性,柔性,透光性,认为均优于 ITO 膜,更适合柔性显示屏未来发展趋势,被认为是完美替代 ITO 膜的材料。近几年,银纳米线等也开始成为 ITO 的替代材料,但其稳定性较差,易断,石墨烯薄膜仍为最合适的替代品。

  国内石墨烯薄膜市场规模逐步扩展,2019 年可达 80 亿元,年复合增长率为152%,预计 2020 年末石墨烯薄膜市场规模将达到 150 亿元。

  全球可穿戴设备市场规模快速增长,在 2021 年末达到了 333 亿美元,年复合增长率为 15%左右。预计在 2019 年将到达 420 亿美元,同比增长 26%。据调查显示,全球可穿戴设备出货也大幅增加。 中国可穿戴设备产业市场规模 2019 年达到 600 亿元,年复合增长率约为 44%,预计到 2020 年,将增加到 780 亿元左右。石墨烯薄膜在此影响下,也将引来大幅度增长。可穿戴设备市场规模的快速增加,将推动石墨烯薄膜应用于柔性显示的市场规模大幅提高。可穿戴设备要求高水平的柔性显示屏,全球柔性显示市场收入规模呈逐年增加趋势,拥有透光性和高柔性的石墨烯薄膜在柔性显示中的应用市场规模有望迎来快速发展。随着我国可穿戴设备市场规模的不断扩张,石墨烯应用在柔性显示的市场规模也将引来巨大提升。

  石墨烯是良好的化学传感器制作材料。这个过程主要是通过石墨烯的表红外光束激发等离子体面吸附性能来完成的,石墨烯化学探测器的灵敏度非常高。石墨烯独特的二维结构使它对周围的环境非常敏感。石墨烯是电化学生物传感器的理想材料,石墨烯制成的传感器在医学上具有良好的灵敏性。 石墨烯传感器在国内的市场规模在 2019 年达到了 2 亿元,年复合增长率约为71%。预计到到 2020 年,石墨烯传感器在国内的市场规模约为 4 亿元,实现了十倍扩张。

  随着市场中医学,化学及可穿戴设备等方面对于石墨烯传感器越来越多的需求,以及石墨烯薄膜制作成本逐步下降,石墨烯传感器将越来越多地应用于市场中,发展潜力巨大。

  全球石墨烯行业仍处于产业化起步阶段。市场以石墨烯粉体和石墨烯薄膜为主导,尽管大规模生产仍存在一定困难,但未来发展空间广阔。从市场规模来看,2014 年以来,全球石墨烯市场规模快速增长,2019 年全球石墨烯市场规模约为 1.1 亿美元,预计在 2025 年达到 21 亿美元,2020 至 2025 年石墨烯复合年增长率将达到 40%,尤其是散热材料、新能源电池、柔性显示和复合材料市场。石墨烯因其优秀的材料特性具有巨大的潜力。 石墨烯行业正处于大规模产业化前夕,世界各国对于石墨烯都给予了高度重视,全球已有 80 多个国家投入石墨烯的研发、生产,尤其是一些发达国家聚焦石墨烯下游应用的研发,例如美、欧、日、韩等地区密集发布政策、投入大量资金,扶持石墨烯相关产品研发和产业化应用,对推动石墨烯产业发展做出了战略部署。

  欧美企业占据全球石墨烯产业链关键环节。欧美企业在石墨烯制备技术,复合材料、核心电子元件等应用产品保持领先优势,而亚洲石墨烯应用市场前景向好。不仅如此,IBM、英特尔、陶氏化学、三星等国际知名跨国企业纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,而且还涌现出了大批专门从事石墨烯研发、生产和应用的机构和企业。

  国内产业链初步成型,国内以新能源领域为主。 我国石墨烯产业前景广阔,产业规模持续增长。 同时我国政府高度重视石墨烯产业发展,已将石墨烯列入我国“十三五规划”的 165 项重大工程。 中国石墨烯行业正处于市场导入期,产品尚未成熟,行业利润率较低,但市场增长率较高。 预计随着石墨烯制备技术的不断突破和下游应用的不断成熟,将进一步促进和推动石墨烯的应用发展及市场规模扩大。 我国石墨烯产业链近年来已初步打通,上下游链条逐步完善,上游石墨矿开发技术不断创新,中游石墨制备方法不断改进,下游应用领域研发不断拓展。 正是由于产业链不断发展,我国石墨烯市场规模有持续较快增长的趋势。 石墨烯作为“新材料之王”,目前大规模制备方式仍存在缺陷,下游应用领域仍未被开发完全,所以仍保有较大的发展潜力。 目前我国已经形成京津冀鲁、长江三角洲和珠江三角洲的三大聚合区,多地分布式发展的石墨烯产业格局。 从整体石墨烯产业链布局来看,中游领域: 我国自 2018 年以来,石墨烯粉体和薄膜的生产规模进一步扩大,石墨烯产业化趋势日益强劲,多个石墨烯产业创新中心开始创立,例如常州第六元素、青岛昊鑫、宁波墨西等多家企业已拥有国内领先的石墨烯粉体生产线; 长沙暖宇新材料科技公司年产量 100 万平方米的石墨烯膜生产线已开建,预计建成后将成为国内第二大石墨烯膜生产线。 各地各种石墨烯制备技术不断突破创新,下游应用产业化也逐步拓展。

  智东西认为,自2010年,物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授捧起诺贝尔物理学奖那一刻起,石墨烯一举成为举世瞩目的新材料,在半导体产业、光伏产业、航天、军工等传统领域及新能源、新材料等新兴领域发挥着日益重要的作用,是材料界的“网红一哥”。经过多年的发展,中国石墨烯的研究已经进入世界一线水平,相关产业链也已经初步形成,未来随着研发的进一步深入,石墨烯的应用也将越来越广泛,届时相信会有一系列新产业出现。

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