淺談石墨烯四大應用領域“石墨烯+”成材料領域發展新趨勢

　　工信部、發改委和科技部在前期發布《發關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》，明確了石墨烯未來先導產業的地位，“石墨烯+”戰略有望提升中國制造業在全球的競爭力，石墨烯同下游應用產業的結合將提供豐富的投資機會，因此我們將發布石墨烯行業系列研究報告，梳理相關投資機會。第一篇石墨烯報告主要梳理了石墨烯的技術ZL趨勢和國內外相關政策，而本篇報告主要對石墨烯初期的應用領域展開研究，并判斷石墨烯有望在導電添加劑、散熱材料、電容材料等領域率先獲得產業化應用。目前市場普遍認為石墨烯產業化應用為時過早，我們則認為石墨烯技術發展趨勢明朗，下游應用邏輯逐漸清晰，產業化應用將會提速。

　　石墨烯堪比材料領域的互聯網，與不同材料、技術結合起來能夠形成具備特殊性能、滿足特定應用的新型“材料”。如同“互聯網+”的發展趨勢，“石墨烯+”也有望成為未來材料領域發展的一大趨勢。但由于石墨烯研發歷史不超過10年，現在還處于產業化初期，規模化變革還未出現。我們建議要特別關注石墨烯產業化應用的技術路線，結合國內外研發、應用的實際情況做相應投資，并重點關注有望率先實現產業化應用的領域。

　　石墨烯的發展可以分為早期、中期和遠景三個的階段，目前早期可預期的應用主要集中于鋰電池添加劑、超級電容電極材料、散熱材料、透明導電膜和金屬基復合材料等領域。石墨烯產業早期主要聚焦于學術研究和制備石墨烯，中期則強調工業化大規模制備石墨烯以及在下游的應用，遠期則更加注重石墨烯的多功能、更高效、低成本趨勢。目前，全球石墨烯產業正處于早期研究向中期應用轉變的階段。

　　2016年或將成為石墨烯產業化應用的關鍵年，前期石墨烯市場將突破50億。

　　2014年我國從事石墨烯產業的企業已突破千家，石墨烯產業鏈市場規模達到233.3億元，產業化應用已在不斷推進。而根據我們對導電添加劑（8億）、超級電容器（2億）、電子設備散熱材料（36億）、透明導電膜以及軍工材料（1億）市場的估算，石墨烯前期市場空間在50億以上，未來導電添加劑市場將突破50億元，透明導電膜和軍工材料市場空間均在百億以上。

　　隨著三部委頂層設計文件的推出以及相關技術的推進，石墨烯產業在我國未來發展中將扮演重要角色。目前石墨烯仍處于產業發展的初級階段，我們判斷石墨烯將在導電添加劑、散熱材料、透明導電膜等領域率先獲得產業化應用。石墨烯規模化生產工藝無法滿足下游需求；國內石墨烯產業配套政策不及預期；替代材料價格下行，導致新材料性價比下降。

　　石墨烯應用領域

　　中科院近期發布的一份報告指出，石墨烯的研究和產業化發展持續升溫，從石墨烯ZL領域分布來看，其應用技術研究布局熱點包括：石墨烯用作鋰離子電池電極材料、太陽能電池電極材料、薄膜晶體管制備、傳感器、半導體器件、復合材料制備、透明顯示觸摸屏、透明電極等。主要集中在如下四個領域：

　　(一)傳感器領域。石墨烯因其獨特的二維結構在傳感器中有廣泛的應用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質并保持其活性等特點，能提升傳感器的各項性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA電化學傳感器的制作。新加坡南洋理工大學開發出了敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器；美國倫斯勒理工學院研制出性能遠超現有商用氣體傳感器的廉價石墨烯海綿傳感器。

　　(二)儲能和新型顯示領域。石墨烯具有極好的電導性和透光性，作為透明導電電極材料，在觸摸屏、液晶顯示、儲能電池等方面有很好的應用。石墨烯被認為是觸摸屏制造中最有潛力替代氧化銦錫的材料，三星、索尼、輝銳、3M、東麗、東芝等龍頭企業均在此領域作了重點研發布局。美國德州大學奧斯汀分校研究人員利用KOH對石墨烯進行化學修飾重構形成多孔結構，得到的超級電容的儲能密度接近鉛酸電池。密歇根理工大學科學家研發出一種獨特蜂巢狀結構的三維石墨烯電極，光電轉換效率達到7.8%，且價格低廉，有望取代鉑在太陽能電池中的應用。東芝公司研發出石墨烯與銀納米線復合透明電極，并實現了大面積化。

　　(三)半導體材料領域。石墨烯被認為是替代硅的理想材料，大量有實力的企業均開展了石墨烯半導體器件的研發。韓國成均館大學開發出了高穩定性n型石墨烯半導體，可以長時間暴露在空氣中使用。美國哥倫比亞大學研發出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領域具有廣泛的應用前景。IBM的研究人員開發出了石墨烯場效應晶體管，其截止頻率可達100GHz，頻率性能遠超相同柵極長度的最先進硅晶體管的截止頻率(40GHz)。

　　(四)生物醫學領域。石墨烯及其衍生物在納米藥物運輸系統、生物檢測、生物成像、腫瘤治療等方面的應用廣闊。以石墨烯為基層的生物裝置或生物傳感器可以用于細菌分析、DNA和蛋白質檢測。如美國賓夕法尼亞大學開發的石墨烯納米孔設備可以快速完成DNA測序。石墨烯量子點應用于生物成像中，與熒光體相比具有熒光更穩定、不會出現光漂白和不易光衰等特點。石墨烯在生物醫學領域的應用研究雖處于起步階段，但卻是產業化前景最為廣闊的應用領域之一。