鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:668次 | 2022年10月11日
石墨烯—等待突破的材料之王
石墨烯材料性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛,有廣闊的市場(chǎng)空間和持續(xù)的增長(zhǎng)潛力。遠(yuǎn)期隨著制備成本的下降以及產(chǎn)品應(yīng)用的開發(fā),石墨烯材料的滲透率和使用量有望迎來(lái)飛速提升。雖然目前石墨烯業(yè)務(wù)在相關(guān)上市公司盈利中貢獻(xiàn)還不大,但積極涉足石墨烯產(chǎn)品的公司值得持續(xù)跟蹤關(guān)注。
▌石墨烯:新材料之王
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料,單層的石墨烯是由一層密集的碳六元環(huán)構(gòu)成,它的厚度為0.335nm左右,是目前為止最薄的二維納米碳材料。
實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界,只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。
英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯,因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
石墨烯材料擁有其他材料所不具備的特殊性能,如優(yōu)異的電學(xué)性能、出色的機(jī)械性能、極高的導(dǎo)熱性、超大比表面積、優(yōu)異的阻隔性能等,使其在眾多領(lǐng)域具有傳統(tǒng)材料所無(wú)法企及的應(yīng)用價(jià)值,因此被稱為“新材料之王”。
石墨烯可運(yùn)用的領(lǐng)域十分廣闊,主要集中在能源、環(huán)境、電子、化工等行業(yè),尤其是在電子行業(yè)的鋰電池材料、超級(jí)電容器、OLED、柔性屏、傳感器、芯片等領(lǐng)域,以及化工行業(yè)的涂料、吸附、淡化等領(lǐng)域。
▌石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈:中上游發(fā)展較快,下游應(yīng)用仍待突破
石墨烯上游主要是石墨烯研發(fā)、石墨烯設(shè)備、石墨烯原料。
中游是石墨烯制備,包括氧化石墨烯以及石墨烯薄膜,氧化石墨烯層數(shù)比較多,石墨烯薄膜在10層以下,石墨烯面積以及質(zhì)量決定下游石墨烯用途。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
下游主要是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域,包括在能源、電子、復(fù)材、環(huán)保等領(lǐng)域都有非常大的潛在商業(yè)價(jià)值。
石墨烯自從2004年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就引起全球各國(guó)大力關(guān)注,近年來(lái)我國(guó)政策的推進(jìn)速度與覆蓋范圍不斷加大,吸引了大量的產(chǎn)業(yè)資本不斷投入到石墨烯的相關(guān)研究與商業(yè)化應(yīng)用方面。
其中,2015年10月發(fā)布的《中國(guó)制造2025》明確了石墨烯在戰(zhàn)略前沿材料中的關(guān)鍵地位,強(qiáng)調(diào)其戰(zhàn)略布局和研制,努力實(shí)現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)“2020年形成百億產(chǎn)業(yè)規(guī)模,2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模破千億”的發(fā)展目標(biāo)。
根據(jù)CGIAResearch統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),2017年全國(guó)擁有石墨烯相關(guān)研發(fā)、設(shè)備、制備、銷售、應(yīng)用、投資、檢測(cè)、技術(shù)服務(wù)的單位數(shù)量達(dá)到4871家,同比增長(zhǎng)28.93%。
但實(shí)際開展石墨烯業(yè)務(wù)的企業(yè)約2600家。其中從事技術(shù)服務(wù)、銷售、投資及檢測(cè)的企業(yè)有1477家,占據(jù)近一半的比例,從事石墨烯相關(guān)研究的研發(fā)機(jī)構(gòu)有217家,設(shè)備和制備的企業(yè)(機(jī)構(gòu))有340家,下游應(yīng)用方向的企業(yè)數(shù)量為623家。
上游石墨:國(guó)內(nèi)資源儲(chǔ)量豐富,原料質(zhì)量有競(jìng)爭(zhēng)力
石墨是制備石墨烯的重要原料之一,根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的統(tǒng)計(jì),2017年全球石墨儲(chǔ)量2.7億噸,土耳其、巴西和中國(guó)資源最為豐富,分別占全球總量的33%、26%和21%,合計(jì)占比達(dá)到80%。
盡管土耳其石墨儲(chǔ)量世界第一,但資源以隱晶質(zhì)石墨為主,主要應(yīng)用于中低端產(chǎn)品,而巴西和中國(guó)以晶質(zhì)石墨為主,資源戰(zhàn)略地位高于隱晶質(zhì)石墨。
產(chǎn)量方面,近十年來(lái)我國(guó)石墨產(chǎn)量穩(wěn)居全球第一,目前國(guó)內(nèi)年產(chǎn)量穩(wěn)定在80萬(wàn)噸左右,大幅領(lǐng)先第二名巴西產(chǎn)量9.5萬(wàn)噸,在全球產(chǎn)量占比中基本保持在65%~70%,可以說(shuō)中國(guó)掌控著全球石墨資源的供應(yīng)。
國(guó)內(nèi)分區(qū)域來(lái)看,以2016年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),我國(guó)晶質(zhì)石墨保有資源儲(chǔ)量約2億噸,主要分布在黑龍江(43%)、內(nèi)蒙古(27%)、四川(7%)、山西(6.5%)、山東(5.4%),5省市儲(chǔ)量合計(jì)占比約89%。隱晶質(zhì)石墨資源儲(chǔ)量約6485萬(wàn)噸,主要分布在內(nèi)蒙古(58%)、湖南(14.7%)、吉林(13.7%)、廣東(5.9%),4省區(qū)儲(chǔ)量合計(jì)約占全國(guó)的92%。
整體來(lái)看,我國(guó)原材料石墨資源儲(chǔ)量及產(chǎn)量處于全球領(lǐng)先水平,且資源區(qū)域分布較為集中,品質(zhì)以用于高端化應(yīng)用的晶質(zhì)石墨為主。
中游制備:粉體技術(shù)領(lǐng)先于薄膜
石墨烯產(chǎn)品可以分為薄膜和粉體兩類:石墨烯粉體多摻雜在其他材料中使用,多應(yīng)用于涂料和鋰離子電池領(lǐng)域;石墨烯薄膜則因透明、導(dǎo)電、柔性好等優(yōu)點(diǎn),在電子、光子及光電設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,極具發(fā)展前景。
目前,比較主流的石墨烯制備方法有氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、液相剝離法和外延生長(zhǎng)法,不同制備方法獲得的石墨烯在品質(zhì)和成本上差別較大,相應(yīng)產(chǎn)品的適用領(lǐng)域也有差異。
決定量產(chǎn)的關(guān)鍵因素首先是技術(shù)成熟度,其次是制造成本和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用障礙。
下游應(yīng)用:集中應(yīng)用于新能源領(lǐng)域
近年來(lái),我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用取得了一定進(jìn)展,上下游產(chǎn)業(yè)鏈已初步打通、下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。
根據(jù)CGIAResearch統(tǒng)計(jì),石墨烯市場(chǎng)規(guī)模從2015年的6億元,增長(zhǎng)至2017年的70億元,其中石墨烯在新能源領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到50億元,石墨烯涂料市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到8億元,復(fù)合材料和大健康產(chǎn)業(yè)均達(dá)到5億元,節(jié)能環(huán)保和電子信息領(lǐng)域均達(dá)到1億元。
其中石墨烯粉體可應(yīng)用在材料學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域,比如導(dǎo)電劑、超級(jí)電容、特種涂料、高效催化劑等。
石墨烯粉體主要是以添加劑的形式和別的材料形成混合或者復(fù)合材料(除了導(dǎo)熱膜、超級(jí)電容器),讓這些混合或者復(fù)合材料具備石墨烯的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能。
石墨烯薄膜方面,一方面可以應(yīng)用在導(dǎo)熱膜上,發(fā)揮其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能,用于智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備的散熱層;利用石墨烯的導(dǎo)電透光以及高度柔性,可以用來(lái)制作柔性顯示屏、可穿戴設(shè)備等;
石墨烯巨大的比表面積以及優(yōu)異的電子傳輸性能,使傳感器領(lǐng)域成為石墨烯薄膜的一大目標(biāo)市場(chǎng);
此外,石墨烯對(duì)硅的替代有望帶來(lái)半導(dǎo)體領(lǐng)域顛覆性的革命,成為下一代集成電路、超級(jí)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)材料。
經(jīng)過(guò)多年的自主研發(fā),我國(guó)石墨烯的規(guī)?;a(chǎn)技術(shù)、工藝裝備和產(chǎn)品質(zhì)量均取得一定突破。
在應(yīng)用前景方面,相對(duì)來(lái)說(shuō)石墨烯粉體的低成本優(yōu)勢(shì)明顯,且產(chǎn)業(yè)應(yīng)用障礙較小,未來(lái)有望率先于薄膜獲得規(guī)?;瘧?yīng)用。
▌技術(shù)推動(dòng)滲透率提升,2020年市場(chǎng)規(guī)?;蜻_(dá)230億
2020年石墨烯導(dǎo)電劑有望突破成本瓶頸,市場(chǎng)空間將迎來(lái)快速發(fā)展。
目前市場(chǎng)上常用的鋰電池導(dǎo)電劑有炭黑、碳納米管、納米碳纖維和石墨烯等。
相對(duì)于傳統(tǒng)鋰電池導(dǎo)電劑,石墨烯無(wú)論是在電導(dǎo)率、比表面積、顆粒大小還是分散性能方面,都表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。
相關(guān)研究證明,在導(dǎo)電添加劑用量為1-6wt%的范圍內(nèi),石墨烯導(dǎo)電劑的電阻率均僅為同濃度的導(dǎo)電碳黑1/40-1/60,僅為同濃度碳納米1/10左右。在10C、電池容量為0-133mAh·g-1時(shí),石墨烯的放電電壓也明顯高于導(dǎo)電碳黑。
價(jià)格方面:根據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2015年石墨烯導(dǎo)電劑的價(jià)格為230美元/千克,與碳納米管導(dǎo)電劑價(jià)格相當(dāng),但其價(jià)格下降趨勢(shì)明顯,2017的平均價(jià)格下降至180美元/千克的水平。
參考單晶硅在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用(技術(shù)突破耗時(shí)大概2~3年),考慮到相關(guān)資本的涌入以及國(guó)家政策的大力支持,石墨烯生產(chǎn)工藝將進(jìn)一步成熟,我們預(yù)計(jì)到2020年左右石墨烯導(dǎo)電劑有望突破成本瓶頸,價(jià)格有望下降至100美元/千克,而同期碳納米管價(jià)格依然維持200美元/千克左右(因?yàn)樘技{米管技術(shù)已較為成熟,成本下降空間較小)。
2016~2017年是石墨烯在鋰電池領(lǐng)域應(yīng)用的探索期,整體市場(chǎng)滲透率比較低,預(yù)計(jì)在1%左右,此階段的增長(zhǎng)動(dòng)力主要得益于新能源汽車快速增長(zhǎng)帶來(lái)的鋰電池產(chǎn)能迅速擴(kuò)張,2016~2017年新能源汽車產(chǎn)量的年均增速達(dá)到50%以上,同期鋰離子電池的產(chǎn)量增速達(dá)到30%以上,2017年鋰電池產(chǎn)量突破110億只。
2018年以來(lái),隨著政府逐步取消對(duì)新能源汽車的補(bǔ)貼,新能源汽車產(chǎn)量增速逐步放緩,從而導(dǎo)致鋰電池增速有所下降。
我們認(rèn)為,未來(lái)鋰電池的市場(chǎng)增長(zhǎng)或由技術(shù)進(jìn)步來(lái)推動(dòng),考慮到石墨烯相比其他導(dǎo)電劑的高性能優(yōu)勢(shì),以及未來(lái)在成本上的競(jìng)爭(zhēng)性,石墨烯在鋰電池導(dǎo)電劑的市場(chǎng)份額有望逐步提高,從而推動(dòng)市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)張。
我們假設(shè)未來(lái)2~3年鋰電池增速穩(wěn)定在20%左右,從而預(yù)計(jì)到2020年鋰電池的產(chǎn)量將達(dá)到160GWh。
滲透率方面:2018年石墨烯在鋰電池中的滲透率達(dá)到2.5%左右,參考三元正極材料滲透率從2015年的18%上升至2017年的39%,我們預(yù)計(jì)到2020年石墨烯滲透率將上升至5%左右,對(duì)應(yīng)石墨烯需求量在2.1萬(wàn)噸左右。
若隨著技術(shù)成熟石墨烯的價(jià)格下降至65萬(wàn)元/噸左右,那么我們預(yù)測(cè)到2020年石墨烯在導(dǎo)電劑領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到140億元左右。
▌?wù)叽罅χС殖?jí)電容器發(fā)展,帶動(dòng)石墨烯應(yīng)用規(guī)模增長(zhǎng)
超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置,優(yōu)勢(shì)在于容量大、功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等,特別適合于電動(dòng)汽車、電源系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備等應(yīng)用。但比能量密度低則是超級(jí)電容一大瓶頸,從目前看到技術(shù)進(jìn)展看,石墨烯有望提升超級(jí)電容器能量密度10倍以上,從而大大改變目前超級(jí)電容性能上的不足。
近年來(lái),由于國(guó)家出臺(tái)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)支持政策,我國(guó)超級(jí)電容器行業(yè)取得了較快發(fā)展,2017年行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模突破70億元,同比增長(zhǎng)31%。
“十三五”期間,推動(dòng)我國(guó)超級(jí)電容器行業(yè)的發(fā)展的主要?jiǎng)恿θ匀辉谟谡?,新能源汽車、風(fēng)電、交通軌道、電力、特種等超級(jí)電容應(yīng)用領(lǐng)域都是國(guó)家“十三五”期間政策重點(diǎn)扶持對(duì)象。
我們認(rèn)為2019~2020年年均復(fù)合增速將維持在30%左右,到2020年超級(jí)電容器市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到150億元。
未來(lái)兩年石墨烯用于防腐涂料的市場(chǎng)規(guī)模有望增長(zhǎng)50%
石墨烯在涂料領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在六個(gè)方向,分別是防腐涂料、導(dǎo)電涂料、建筑隔熱涂料、海洋防污涂料、聚合物水泥防水涂料、阻燃涂料。
涂料中添加石墨烯后,石墨烯能夠形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)格,有效提高鋅粉的利用率,從實(shí)際效果來(lái)看,添加約5%的石墨烯粉,可減少50%鋅粉的使用量。
在各類涂料中,目前石墨烯在重防腐涂料中的應(yīng)用最為廣泛。
重防腐涂料作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域的主要工程材料,它涉及到交通運(yùn)輸、石油化工、電力、海洋工程、建筑工程等部門,國(guó)際上已將重防腐涂料發(fā)展水平高低作為衡量涂料工業(yè)先進(jìn)程度的標(biāo)準(zhǔn)。
2017年我國(guó)重防腐涂料產(chǎn)量達(dá)到389萬(wàn)噸,占防腐涂料產(chǎn)量比重為65%,考慮到國(guó)家鼓勵(lì)并支持重防腐涂料技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn),我們預(yù)計(jì)未來(lái)2年重防腐涂料的占比有望維持這一水平,2020年重防腐涂料產(chǎn)量有望達(dá)到490萬(wàn)噸左右。
石墨烯薄膜性能優(yōu)勢(shì)明顯,未來(lái)發(fā)展仍待突破上文對(duì)幾大領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模分析均是基于石墨烯粉體應(yīng)用,而石墨烯薄膜方面,主要應(yīng)用于導(dǎo)熱膜、柔性顯示和傳感器等方面,雖然目前在量產(chǎn)方面不及粉體,但未來(lái)仍具備廣闊的發(fā)展前景。
在電子設(shè)備迅速普及,尤其是智能手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)終端蓬勃發(fā)展的大背景下,設(shè)備高功率運(yùn)行的散熱問(wèn)題一直是業(yè)界的關(guān)注點(diǎn),具有高導(dǎo)熱能力的散熱薄膜是這方面的關(guān)鍵材料,是實(shí)現(xiàn)高效熱量管理的有效手段。
目前使用最廣泛的導(dǎo)熱物質(zhì)是石墨,眾多的智能手機(jī)以及筆記本電腦等都配備有相應(yīng)的石墨散熱產(chǎn)品。但是,石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì),理論導(dǎo)熱率達(dá)到5300W/m·K,散熱效率遠(yuǎn)高于目前的商用石墨散熱片。
另外,石墨烯導(dǎo)熱片技術(shù)難度小、工藝相對(duì)成熟,存在快速進(jìn)入市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。隨著智能手機(jī)大屏化,智能終端芯片高速化等趨勢(shì),對(duì)設(shè)備的散熱能力要求越來(lái)越高,也開啟了導(dǎo)熱性能更好的石墨烯導(dǎo)熱膜充足的發(fā)展空間。
我們預(yù)計(jì)到2020年采用石墨烯散熱膜進(jìn)行散熱的散熱組件將達(dá)到總電子產(chǎn)品及LED產(chǎn)品市場(chǎng)的10%,即可為石墨烯散熱膜帶來(lái)3.5億左右的市場(chǎng)空間。
石墨烯不但具有納米尺寸,而且具備準(zhǔn)連續(xù)的特點(diǎn),這種準(zhǔn)連續(xù)的納米石墨烯薄膜可轉(zhuǎn)移到柔性襯底上,制作柔性、透明的高靈敏度傳感器。
石墨烯的柔性應(yīng)力傳感器具有良好的穩(wěn)定性,在經(jīng)過(guò)大于萬(wàn)次的壓力測(cè)試后,其初始電阻沒(méi)有明顯變化。
可穿戴設(shè)備市場(chǎng)的飛躍給石墨烯傳感器帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)機(jī)遇
可穿戴設(shè)備對(duì)屏幕柔性要求較高,需要靈敏的傳感器配件,石墨烯的透明和柔韌是可穿戴設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)可穿戴的途徑。
我國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模從2011年的2.3億元增長(zhǎng)至2017年的264.2億元,年均增速達(dá)到120%。
2017年我國(guó)智能可穿戴設(shè)備行業(yè)產(chǎn)量約5880萬(wàn)臺(tái),同比增長(zhǎng)32.43%。
目前市場(chǎng)上最成熟的柔性顯示屏使用ITO膜(氧化銦錫),占據(jù)了顯示面板40%左右的成本。
從成本上來(lái)看,鑒于ITO已經(jīng)規(guī)模化量產(chǎn)多年且價(jià)格逐年走低,石墨烯在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)環(huán)境下不具備大規(guī)模替代ITO的成本優(yōu)勢(shì)。
我們認(rèn)為短期內(nèi)石墨烯對(duì)ITO的替代或從可穿戴等柔性顯示高附加值市場(chǎng)開始。
從長(zhǎng)期來(lái)看,石墨烯薄膜的透明性及導(dǎo)電性都優(yōu)于ITO材料,并且具有ITO在柔性領(lǐng)域所不具備的特性。
因此,石墨烯被認(rèn)為是柔性顯示屏中可完美替代ITO的材料,待石墨烯薄膜的成本下降至與ITO相當(dāng)水平時(shí),石墨烯薄膜的市場(chǎng)規(guī)模有望迎來(lái)快速發(fā)展。
整體來(lái)看,我們預(yù)計(jì)到2020年石墨烯在鋰電池的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到140億元左右,在超級(jí)電容器的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到4億元左右,在涂料領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到35億元左右,在導(dǎo)熱膜及傳感器中的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到7.5億元左右,這五者合計(jì)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到200億元左右。
考慮到石墨烯在這些領(lǐng)域的應(yīng)用將快于其他行業(yè),我們預(yù)計(jì)應(yīng)用占比將小幅上升至80%左右,從而我們預(yù)計(jì)到2020年石墨烯的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到230億元左右,市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于石墨烯用于導(dǎo)電劑的粉體價(jià)格將突破成本瓶頸,石墨烯導(dǎo)電劑市場(chǎng)空間迎來(lái)快速發(fā)展。
目前A股及新三板中涉及石墨烯產(chǎn)品的上市公司達(dá)10余家,具備石墨烯概念的公司也超過(guò)30多家,但普遍的問(wèn)題是產(chǎn)品規(guī)模較小,石墨烯相關(guān)產(chǎn)品的利潤(rùn)水平并不足以主導(dǎo)公司業(yè)績(jī)。
在10家上市公司中,主營(yíng)業(yè)務(wù)為石墨烯的共有5家,分別是第六元素、二維碳素、東方碳素、凱納股份和華高墨稀;部分上市公司通過(guò)參股等方式布局石墨烯產(chǎn)業(yè),例如華麗家族第一大股東南江集團(tuán)控股了寧波墨西科技有限公司,中泰化學(xué)與新三板公司凱納股份達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議。
從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)上看,石墨烯整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈具備良好的發(fā)展前景和持續(xù)的增長(zhǎng)潛力,屬于朝陽(yáng)行業(yè)。未來(lái)隨技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的成本下降以及產(chǎn)品大規(guī)模量產(chǎn),石墨烯有望迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。