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【数据】史上最全的深度报告:解密石墨烯的前世今生

【数据】史上最全的深度报告:解密石墨烯的前世今生【数据】史上最全的深度报告:解密石墨烯的前世今生核心观点:在《基础化工行业前瞻研究》系列报告中,我们试图对基础化工行业发展的前沿领域进行跟踪研究。本篇报告是此系列报告的第一篇

(三)研究领域分布

石墨烯研究领域分布看,全球研究热点主要在材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究、纳米材料研究等。

中国石墨烯研究热点主要分布石墨烯纳米复合材料、石墨烯制备、石墨烯电极等方向。

我们统计了前20位主要研究机构的重点研究领域,发现研究热点分布于:(1)复合材料;(2)碳纳米管;(3)电容器;(4)传感器;(5)晶体管;(6)透明电极;(7)锂电池;(8)燃料电池。上述研究大多属于石墨烯应用,而关于石墨烯的制备改进工艺或者大规模量产石墨烯的基础研究非常少。

(四)最新研究成果

在石墨烯制备方面,最新的研究成果是在生成单晶石墨烯的方法上,目前有两种方法已经能获得直径约为1mm的单晶石墨烯和直径为25px的单晶石墨烯,但是这两种方法各有优劣。

在石墨烯应用方面,最新的研究成果包括把作为光敏元件(PD)的光增益提高到了原来的约1000倍、提高柔性湿度传感器的响应时间等。在锂电池、半导体、传感器、无线通讯、电容器、电子元件、海水淡化等多个领域都有重大突破。

在众多最新研究成果中,属于中国研究机构的成果依然稀少,印证了前文中我们提到的,虽然中国在专利申请和论文发表方面在国际领先,但是在真正的研究前沿方面距离美国、日本和韩国等国家仍有一定差距。

五、产业化前景展望

(一)石墨烯产业化蓝图

欧盟就石墨烯在光子和电子领域的项目开发提出了未来的蓝图,其预计透明导电膜将最先实现。实际上,2013年三星就开发出了采用石墨烯试制的可以用于实用化水平的触摸面板。

石墨烯历史研究进展_石墨烯历史研究报告_石墨烯的研究历史

上面蓝图主要描绘的是电子和光子领域的应用,实际上石墨烯的应用远不止光子和电子。但是,所有的蓝图规划都必须依托于石墨烯量产,目前石墨烯的生产还仅仅局限于实验用层面,并未大规模量产用于商业用途。

(二)产业化障碍

阻碍石墨烯产业化的因素主要包括:(1)技术障碍;(2)石墨烯下游市场能否打开;(3)石墨烯制备成本问题。

1、技术障碍

在技术方面,目前石墨烯面临两方面障碍:第一,目前没有找到获得大面积单晶石墨烯的工业合成法;第二,未确立获得带隙的方法。

(四)氧化石墨还原法

氧化石墨还原法是日本三菱化学开发的氧化石墨烯法。这种方法首先使石墨烯氧化,之后放入溶液内融化,最后在基板上对齐还原。

该方法优点在于需要温度较低、简单且成本低廉,可大面积制造透明导电膜及以及采用涂布工艺制作的TFT,是目前公认最容易实现工业化生产的方法。缺点在于,在氧化还原的过程中,石墨烯的电子结构及晶体完整性容易受到强氧化剂的破坏。因此,由此方法制备的石墨烯很难保证具有充分的导电性和透明性。

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四、基础科研现状

石墨烯从其诞生至今不过10年光景。2004年为石墨烯科学研究的萌芽阶段,随后即进入快速成长阶段;从2008年开始,尤其是在2010年石墨烯发明者获得了诺贝尔奖之后,关于石墨烯的基础科研工作开展得如火如荼。

下文从专利分布、研究机构分布、研究领域分布和主要研究成果等方面梳理目前石墨烯的基础科研动向。

(一)专利分布

目前全球共有超过200个机构和1000多名研究人员从事石墨烯技术的开发和研究,其中包括三星、IBM等科技巨头。我们通过最近几年的专利申请情况对目前石墨烯的研究进展进行概览。

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从专利申请总量来看,2010年以来全球石墨烯专利申请总量呈爆发式增长;2012年全球石墨烯专利申请量已经达到3500个,可见目前全球范围内正在掀起石墨烯研究与开发的高潮。

从石墨烯专利申请国别分布来看,2013年全球石墨烯专利申请量最大的是中国,其次为美国、韩国和日本。在石墨烯相关论文方面,欧盟排名第一,2013年共发表了7800篇论文;就国别而论,依然是中国排名第一,共发表了6649篇论文。

总体而言,目前中国已经处在石墨烯研究的前沿阵地;但是,从研究深度和创新性而言,非常核心的技术和创新性技术中国仍未掌握。

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(二)研究机构分布

从事石墨烯研究的机构比较广泛,包括学术研究机构、企业、个人和政府层面。比较普遍的研究模式是学术研究机构与企业的合作,例如韩国三星与韩国成均馆大学合作对石墨烯的制备基础方法和应用开展研究。

从研究机构专利数量口径看,在前十名中,有4家机构来自韩国,4家来自中国,2家来自美国。并且,6家机构都是科研院所或独立科研机构,4家为企业。其中,专利数量最多的是韩国三星电子,其专利申请数量为210个,占全球总量的7.3%,其研究范围涵盖了石墨烯制备方法和在显示屏、锂电池领域的应用;其次为韩国成均馆大学、浙江大学、IBM、清华大学等。

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2、市场问题

石墨烯下游产业链尚未形成,目前还处于前期专利布局期,对石墨烯需求最大的也仅仅是各大科研院所和实验室,并没有大量石墨烯投入产业化运营。

总体而言,目前石墨烯产量、质量及成本问题并未获得下游应用市场的认可,市场化应用推进困难重重。

3、价格问题

由于无法量产,石墨烯制备成本一直居高不下。此前石墨烯价格高达5000元/克,比黄金还贵10几倍。

成本昂贵阻碍了下游产业化。因此,未来的突破点是如何找到更便捷的制造石墨烯的工艺手段,降低成本。

(三)中国产业化现状

中国石墨资源丰富,石墨储量和产量均为全球第一,具备开展石墨烯产业化研究的天然条件。

工信部在2012年印发的《新材料产业"十二五"规划》中提出,加强纳米技术研究,重点突破纳米材料及制品的制备与应用关键技术,积极开发纳米粉体、纳米碳管、富勒烯、石墨烯等材料,这对石墨烯行业的发展奠定了坚实的政策基础。同时,国内各省也都积极地对石墨烯研究和产业化应用进行布局。

六、上市公司石墨烯研发动态

面对石墨烯的开发热潮和无限前景,国内部分上市公司也开始涉足这一领域。以下为根据公司公告整理的研发动态。

(一)金路集团

2011年金路集团与中国科学院金属所达成协议,出资1500万元用于石墨烯及产业化的研发,主要方向是石墨烯透明导电薄膜、三维网络散热材料以及动力电池电极材料三个方面。公司与中科院金属所共同完成的"石墨烯材料的规模化制备技术"于2012年11月11日通过四川省科技厅的成果鉴定。

2014年5月,公司下属全资子公司金路树脂有限公司获得乳液原位聚合制备石墨烯-聚氯乙烯纳米复合材料的方法和原位悬浮聚合制备石墨烯-聚氯乙烯纳米复合树脂的方法两项发明专利。

从2014年起,公司与中国科学院金属研究所合作的石墨烯研发应用项目产生的研究成果和知识产权,由德阳旌华资产投资经营有限公司代表高新区管委会享有该合作成果总权益的10%;高新区管委会每年给予公司500万元资金支持石墨烯研究开发和应用,时间为5年(从2014年到2018年)。

(二)中国宝安

中国宝安石墨烯的应用开发主要集中于石墨烯导电添加剂及其复合电池材料和石墨烯透明导电薄膜,如磷酸铁锂-石墨烯复合材料、硅-石墨烯复合材料都在持续测试中。

专利技术方面,2013年8月,公司收到"带状石墨烯制备方法"的发明专利书。2014年5月,全资子公司贝特瑞纳米科技有限公司收到"一种石墨烯透明薄膜的制备和转移方法"的发明专利书

2014年6月,贝特瑞与中铁资源集团有限公司签署合作协议,以中铁资源拥有的石墨矿权和贝特瑞拥有的石墨加工技术和市场为依托,在石墨采选和深加工方面展开合作,从而实现互利共赢。

(三)烯碳新材

2013年12月,公司与清华大学核能与新能源研究院签署了《关于新能源用烯碳新材料研发的合作协议》。协议内容包括石墨烯纸的制备工艺和应用研究等。

公司2014年起变更主营业务,石墨类产品、石墨烯及纳米碳、碳素类等烯碳新材料产品等纳入主营业务范围。

(四)力合股份

力合股份间接持有江苏常州二维碳素科技有限公司1.679%股权。2013年5月,二维碳素年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线建成投产,石墨烯触控手机新品也随之发布,石墨烯产品正式形成市场销售;公司预计在2014年达到20万平方米石墨烯薄膜材料生产能力。

(五)中泰化学

中泰化学持有厦门凯纳石墨烯科技有限公司35%股权。厦门凯纳共向国家知识产权局申请了17项发明专利,其中被授予4项发明专利权;1项实用新型专利权。公司与厦门凯纳主要进行石墨烯与PVC项目的研发合作,目前处于试验阶段。

(六)华丽家族

公司第一大股东南江集团旗下控股的宁波墨西科技有限公司于2012年4月组建,专注于石墨烯材料的生产和应用技术开发,通过引进中国科学院宁波材料技术与工程研究所的石墨烯产业化技术,于2013年底在慈禧建成了全球首条年产300吨石墨烯生产线,公司将根据市场需求适时启动二期扩产工程,将产能提升至1000吨。

(七)乐通股份

公司出资2400万元与宁波墨西科技签订合作协议,设立合资公司共同研发和生产石墨烯油墨产品,可用于打印可折叠设备的高导电柔性电极,公司持有合资公司80%股权。

(八)悦达投资

公司2012年将石墨烯新材料纳入主营业务。2013年10月,公司出资2000万全资设立江苏悦达新材料科技有限公司。新材料公司设立后,公司将持有的江苏悦达墨特瑞新材料公司70%的股份转至新材料公司。目前,该公司研发的石墨烯导热膜已引进两条生产线,其中第一条已建设完成,进入工艺调试阶段。新材料公司计划2014年生产石墨烯导热膜8万平方米,销售石墨烯导热膜7.2万平方米。

(九)康得新

公司2014年8月公告拟在江苏省张家港市设立全资子公司张家港康得新石墨烯应用科技有限公司,经营范围拟定为石墨烯新材料技术的研发及应用、石墨烯相关产品的研发、生产及销售等。

(十)方大碳素

公司2013年5月获得发明专利证书,发明名称为以石灰石为原料制备石墨烯的方法。

七、风险提示

1、生产技术仍未突破;

2、下游大规模应用尚需时日;

3、石墨烯生产和应用成本仍然较高。

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