1  石墨烯及其應(yīng)用介紹

1.1  石墨烯

石墨烯是由一個碳原子與周圍3個近碳原子結(jié)合形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳原子單層。理想的單層石墨烯片是由一層密集的碳六元環(huán)構(gòu)成的，沒有任何結(jié)構(gòu)缺陷，厚度約為0.35nm，是目前為止最薄的二維納米碳材料。石墨烯是目前自然界最薄最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。

目前石墨烯可量產(chǎn)的制備方法主要為氧化還原法和化學(xué)氣相沉淀法（CVD）。其中氧化還原法的原材料為石墨，CVD法的原材料為甲烷、乙炔等含碳?xì)怏w。目前的趨勢是生產(chǎn)缺陷極小的高品質(zhì)石墨烯。因此，CVD法在大多數(shù)應(yīng)用中使用頻率更高。

1.2  石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域

由于石墨烯具有優(yōu)異的復(fù)合性能，雖然目前其下游應(yīng)用還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛（表1）。在這些潛在應(yīng)用領(lǐng)域中，應(yīng)重點關(guān)注復(fù)合材料、過濾器、儲能、晶體管、傳感器、柔性透明電極等。

表1  石墨烯潛在應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯的特性組合使其應(yīng)用廣泛。但需要注意，這些應(yīng)用通常都需要石墨烯的導(dǎo)電性或機械性能。這就導(dǎo)致石墨烯在每個應(yīng)用領(lǐng)域都存在競爭材料，且與之相比，石墨烯的性能表現(xiàn)各異。

1.2.1  輕量化復(fù)合強化材料

交通領(lǐng)域，特別是航空、航天和汽車行業(yè)，大部分應(yīng)用都需要輕量化復(fù)合強化材料。以碳復(fù)合材料替代金屬實現(xiàn)汽車的輕量化，可以有效提高能源效率。政府大力推動汽車能效提高也部分推動了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而在輕量化材料的替代過程中，石墨烯將發(fā)揮重要作用。

石墨烯的性能遠(yuǎn)超這些應(yīng)用領(lǐng)域的需求。石墨烯是截至目前人類已知強度最高物質(zhì)，與單壁碳納米管相當(dāng)；韌性是碳纖維的20倍；具有極高的拉伸強度。而且，自下而上的合成可使石墨長在銅或鎳的泡沫上。利用催化金屬進(jìn)行蝕刻，可以產(chǎn)生多孔的輕質(zhì)石墨烯泡沫。

石墨烯在輕量化復(fù)合強化材料領(lǐng)域應(yīng)用具有2方面優(yōu)點：一是多層石墨烯氧化物，可作為3D打印材料；二是可以在催化金屬泡沫上合成3D石墨烯或石墨烯氣凝膠，其密度僅為0.16g/cm3，是現(xiàn)有最輕的材料。但與其他材料對比，石墨烯作為輕量化復(fù)合強化材料，也存在成本高的限制。纖維、納米線和碳納米管更容易制成性能高且成本更低的復(fù)合材料。石墨烯納米帶性能更為優(yōu)異，但目前難以制備且價格昂貴。

1.2.2  生物醫(yī)學(xué)傳感器

生物醫(yī)學(xué)傳感器是對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器，由固定化的生物敏感材料作識別元件，搭配適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號放大裝置，構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。

與碳納米管相比，石墨烯同樣是一種理想的生物傳感材料，它擁有碳納米管的廉價、環(huán)境友好、生物兼容性以及活性基團均勻分布等優(yōu)點，同時，由于含有大量的羧基、羥基等官能團，石墨烯具有良好的溶解性能，這是碳納米管所不具備的。另一種方法是使用石墨烯和金屬薄膜傳感器。由于石墨烯可使生物分子緊密結(jié)合，從而增強傳感器的靈敏度。石墨烯結(jié)合得越緊密，傳感器的電磁屏蔽效應(yīng)越小。

與其他材料相比，石墨烯可與現(xiàn)有材料相媲美或優(yōu)于現(xiàn)有材料，但可能還不及其他無機二維材料。碳納米管、納米顆粒、納米線官能化的微機電系統(tǒng)和半導(dǎo)體二維材料，如二硫化鉬，也都具有直接功能性，敏感度在很大程度上取決于接受材料和介質(zhì)。

1.2.3  過濾器

很多行業(yè)都需要過濾，包括化學(xué)品分離、生物樣品提純、海水凈化等。由于石墨烯具有良好阻隔性、可調(diào)節(jié)納米孔和可控層間距等性能，因此其在過濾器領(lǐng)域應(yīng)用十分突出。

石墨烯進(jìn)行過濾有2種方法：一是利用石墨烯薄膜的孔隙過濾。由于水凈化等過濾時會帶來較高壓力，過濾介質(zhì)需具有較大的強度，而合成石墨烯通常缺陷較少，可視為絕佳過濾介質(zhì)。石墨烯生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新也進(jìn)一步強化了這一優(yōu)勢。可調(diào)節(jié)孔隙利于過濾，這是因為只有小于孔隙的物質(zhì)才可以過濾出去。通過控制氧化性介質(zhì)添加時間，可進(jìn)一步控制石墨烯孔隙的大小。二是將薄膜邊緣朝上，這樣物質(zhì)就可以穿過石墨烯之間的層間距。這種方法主要用于海水淡化，因為石墨烯的層間距小于海水中的水合離子，可利用多層石墨烯氧化物來進(jìn)行過濾。

與其他材料相比，石墨烯存在不足：石墨烯與沸石的孔隙大小類似，而沸石已經(jīng)應(yīng)用于滲透蒸發(fā)脫鹽，并且最新的研究證明沸石也可通過反滲透進(jìn)行海水淡化。此外，沸石的孔隙率比石墨烯可控性更高。

1.2.4  DNA測序

石墨烯在DNA測序領(lǐng)域的應(yīng)用看起來很有前景，但這一市場尚不成熟，現(xiàn)在與其他競爭材料對比還為時過早。石墨烯DNA測序的原理是將基于石墨烯的電子傳感器與納米孔結(jié)合使用。讓單個DNA分子穿過石墨烯電子傳感器，就像一串珠子穿過細(xì)小的鐵絲網(wǎng)，從而實現(xiàn)實時、高通量的單分子測序。除此之外，還有許多其他類型的DNA測序方法，每種方法在成本、測序時間和準(zhǔn)確性方面都各有利弊。相比其他幾種方法，石墨烯納米孔的缺點是吞吐量低，單層測序也不準(zhǔn)確，而使用多層石墨烯可以顯著提高精度。使用石墨烯進(jìn)行DNA測序的優(yōu)點在于可以長時間讀取，而不需要將長鏈DNA分解成小片段。因此，這種方法具有成本低，且便攜性高。

目前DNA測序方法較多，很難確定哪一個將支配市場。初步調(diào)查結(jié)果表明，成本和準(zhǔn)確性將是最大的驅(qū)動力。由于石墨烯傳感器具有成本效益優(yōu)勢，因此隨著DNA測序在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用展開，石墨烯有望得到更廣泛的應(yīng)用。

1.2.5  透明電極

透明電極可廣泛應(yīng)用于顯示器、觸摸屏和太陽能電池等領(lǐng)域，其市場規(guī)模超十億美元。但由于銦的稀缺性，其價格一直上漲，這一行業(yè)一直在尋求可替代銦錫氧化物的材料。此外，隨著人們對柔性電子技術(shù)關(guān)注程度的不斷提升，相對于剛性易碎的銦錫氧化物，新型透明電極更為追求柔性。而單層石墨烯的透明性和導(dǎo)電性，使其在這一領(lǐng)域的應(yīng)用相對廣泛。石墨烯的厚度和透明度相關(guān)。如果在90%透明度時柔性能夠達(dá)到15Ω/m2，這就基本可適用于所有應(yīng)用。單層石墨烯可實現(xiàn)這種薄層電阻，而大面積石墨烯，就沒有額外的結(jié)電阻。

由于競爭技術(shù)的出現(xiàn)和銦產(chǎn)量的增加，石墨烯在透明電極的應(yīng)用有限。但石墨烯可用于柔性電子產(chǎn)品，它的表現(xiàn)優(yōu)于其他納米技術(shù)。隨著人們對銦錫氧化物替代品的需求日益增長，一些替代品已經(jīng)被開發(fā)和商業(yè)化。石墨烯和銦錫氧化物的主要競爭材料是金屬納米線、碳納米管和金屬網(wǎng)。目前已研究改進(jìn)提高透明度和結(jié)電阻的技術(shù)。

在過去的10年里，其他材料已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，石墨烯與其相比目前表現(xiàn)不佳。例如，C3 Nano Inc.公司能夠?qū)崿F(xiàn)30Ω/m2，90%的透明度，不足0.6%的模糊度；Rolith, Inc.公司的亞微米金屬網(wǎng)能夠達(dá)到5Ω/m2，96%的透明度，2%的模糊度；而我國無錫石墨烯企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)150Ω/m2，84%的透明度，不足1%的模糊度。

石墨烯薄膜可能會減少由于均勻性造成的模糊。石墨烯納米帶性能優(yōu)于其他材料，其結(jié)電阻會降低。石墨烯和納米技術(shù)結(jié)合發(fā)展比較有前景，這是因為石墨烯可進(jìn)一步提高結(jié)電阻和提高導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2.6  儲能

儲能可廣泛應(yīng)用于包括便攜式電子、汽車和可再生能源的儲存等領(lǐng)域。由于環(huán)保的要求，可再生能源和新能源汽車的發(fā)展將推動這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。用于長期放電、快速放電電池和超級電容器需要具有大表面積的材料來積聚和存儲電荷。電池的電極也需要高導(dǎo)電性。人們已經(jīng)開始研究石墨烯在電池和靜電雙層電容器中的應(yīng)用。而這些應(yīng)用中最好使用高品質(zhì)石墨烯，如三維石墨烯，即石墨烯泡沫和氣凝膠。高比表面積能夠允許更大的能量容量；微米級孔隙允許電解液快速通過材料。

石墨烯，特別是石墨烯泡沫，比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)電池優(yōu)勢更為明顯。隨著人們對儲能應(yīng)用興趣的提升，石墨烯電極有望廣泛應(yīng)用于電池和超級電容器中。石墨烯在儲能領(lǐng)域應(yīng)用的競爭者是活性炭和石墨。活性炭是一種性價比高、具有高比表面積和納米級孔隙的材料，這使它成為強有力的競爭者。由于活性炭目前已用于高端電池，石墨烯電極的性能必須非常優(yōu)異，才能成為新的儲能標(biāo)準(zhǔn)。

與石墨烯相比，活性炭的主要缺點是孔隙之間的有限連通性，從而限制了電子輸運。由于現(xiàn)有活性炭生產(chǎn)方法的限制，基本不可能實現(xiàn)孔隙互聯(lián)互通的可控性。最近的研究表明，通過將碳源轉(zhuǎn)化為相互關(guān)聯(lián)的碳源，活性炭的性能可顯著改善。而利用三維石墨烯改善了石墨烯電極的性能。表面積的增加大大提高了可以儲存的能量總量。

1.2.7  晶體管

晶體管是電子學(xué)的基礎(chǔ)，其研發(fā)趨勢是更小巧、更有效的晶體管。以石墨烯為開關(guān)材料的晶體管在學(xué)術(shù)界得到了廣泛關(guān)注。晶體管控制著電子的流動，電子擁有向上的或向下的自旋量子力學(xué)性能。石墨烯的高流動性使其具有潛在的場效應(yīng)。此外，石墨烯能夠保持電子在微米層面的自旋能力。石墨烯是不理想的自旋電子主動元件，它具有低自旋軌道耦合性。用石墨烯來操縱電子自旋是不可能的。摻雜石墨烯在自旋—軌道耦合方面有所改進(jìn)，也就是說，以石墨烯作為自旋晶體管的開關(guān)材料仍需進(jìn)一步創(chuàng)新。

由于過渡金屬硫化物等競爭材料具有較高性能，石墨烯作為高性能晶體管和自旋電子學(xué)活性元素的應(yīng)用有限，但作為復(fù)合強化材料還是很有前途的。石墨烯本質(zhì)上不是半導(dǎo)體。競爭對手包括各種半導(dǎo)體，從砷化鎵等半導(dǎo)體，到二硫化鉬等2D半導(dǎo)體。

在這一應(yīng)用石墨烯的主要缺點是，它是一種零帶隙的金屬。在沒有帶隙的情況下，石墨烯的關(guān)斷電流相對較高。引入帶隙可以解決這個問題，有2種方法可以實現(xiàn)：摻雜和量子尺寸效應(yīng)。摻雜的穩(wěn)定性和石墨烯納米帶的邊緣效應(yīng)都會產(chǎn)生影響。而過渡金屬硫化物等半導(dǎo)體二維材料，在作為活性元素的性能方面是優(yōu)于石墨烯的。而石墨烯在自旋電子學(xué)的距離內(nèi)保持電子自旋的能力是非常罕見的。鑒于這種稀有性，石墨烯很可能實現(xiàn)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。由于石墨烯不是自旋電子學(xué)理想的活性元素，因此需積極研究石墨烯與二硫化鉬等復(fù)合材料，從而生產(chǎn)自旋電子器件，控制電子自旋。

2  石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)全球新材料研發(fā)的歷史可以看出，新材料實現(xiàn)商業(yè)化成功的途徑有2種，一是獲得實時利益，二是經(jīng)過多年研究尋找利基應(yīng)用，最終發(fā)展成為廣泛應(yīng)用。但一種新材料最終會被另一種新材料所取代。

石墨烯與這些新材料的不同在于，其應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展快速，而這種快速的增長也會導(dǎo)致更多企業(yè)進(jìn)入市場。石墨烯商業(yè)化過程將遠(yuǎn)快于其他新材料。石墨烯最初的商業(yè)產(chǎn)品是對現(xiàn)有產(chǎn)品的迭代改進(jìn)，如加強頭盔和增強現(xiàn)有產(chǎn)品的涂層。這種方法不需要在實驗室中找到有利于市場的突破性特性。然而，石墨烯要實現(xiàn)在其他應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛使用則需要其性能優(yōu)于其他競爭材料。據(jù)預(yù)測，從長期來看，一旦實驗室級性能石墨烯實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)化生產(chǎn)，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會帶來更大規(guī)模的石墨烯生產(chǎn)和應(yīng)用。也就是說，可以實現(xiàn)潛在開創(chuàng)性應(yīng)用的新型石墨烯目前正實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。由于現(xiàn)有生產(chǎn)制備技術(shù)的創(chuàng)新，大規(guī)模商業(yè)化將在未來10年內(nèi)發(fā)生。

2.1  高品質(zhì)石墨烯成本過高

高品質(zhì)石墨烯，特別是應(yīng)用定制石墨烯，供給量低，價格昂貴，將限制石墨烯在短期內(nèi)的發(fā)展。此外，新型石墨烯的批量化生產(chǎn)還需進(jìn)一步創(chuàng)新，如三維石墨烯、納米纖維、石墨烯泡沫等。新型石墨烯可用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域，它們的生產(chǎn)對于行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

2.2  應(yīng)用市場過多缺乏聚焦

石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域過多，缺乏聚焦，導(dǎo)致石墨烯發(fā)展可能性多種多樣，這將限制石墨烯產(chǎn)業(yè)的增長率。由于存在不同種類的石墨烯，而每種石墨烯的最理想應(yīng)用并沒有完全研究透，因此探索其所有的應(yīng)用領(lǐng)域變得至關(guān)重要。用于不同應(yīng)用的石墨烯研發(fā)方向多種多樣，目前的研究并未聚焦到最有發(fā)展前途的方向上。另外，對于復(fù)合材料性能優(yōu)異，發(fā)展前景良好。但由于石墨烯發(fā)展正處于初級階段，研發(fā)十分困難，這就導(dǎo)致了更長的研發(fā)周期。

2.3  制備和處理工藝的限制

為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，需要利用石墨烯的獨特性質(zhì)，但只有單層無瑕疵石墨烯才具有石墨烯的獨特特性。因此，實現(xiàn)高品質(zhì)石墨烯的生產(chǎn)非常具有挑戰(zhàn)性，特別是實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。石墨烯各層之間相互吸引，這使得制備石墨烯非常困難，剝離的石墨烯通常都有幾層，而不是單層。與碳納米管類似，要完全剝離出高純度單層石墨烯，則需要超強酸。而利用CVD法制備石墨烯則更難避免多層。采用成核生長法合成石墨烯，將產(chǎn)生多個晶粒，從而存在晶界缺陷。限制沉積到單層膜也是非常困難的。此外，將石墨烯從催化表面轉(zhuǎn)移到所需的襯底上會導(dǎo)致缺陷。因此，需要克服CVD合成石墨烯的這些挑戰(zhàn)急需技術(shù)創(chuàng)新。

2.4  來自其他新材料的競爭

石墨烯之所以獨特是因為它的性能。但是，由于某些應(yīng)用只是使用部分性能，因此，每種應(yīng)用都有較強的競爭技術(shù)。對于每種應(yīng)用來說，都有幾種極具競爭力的替代技術(shù)。有些優(yōu)于石墨烯，或是與石墨烯相媲美。這限制了石墨烯在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。

3  全球石墨烯市場發(fā)展現(xiàn)狀及預(yù)測

3.1  全球石墨烯市場發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1  石墨烯市場處于萌芽狀態(tài)

由于石墨烯在十多年前才研發(fā)出來，目前石墨烯市場還處于萌芽狀態(tài)，主要包括一些生產(chǎn)和供應(yīng)企業(yè)。據(jù)最近關(guān)于石墨烯的市場報告顯示，在過去幾年中，石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速穩(wěn)定的增長態(tài)勢，近期年均復(fù)合增長率超過30%，高達(dá)60.7%。目前企業(yè)的收入主要來自于研發(fā)類生產(chǎn)企業(yè)，而所有經(jīng)營最終產(chǎn)品的下游應(yīng)用初創(chuàng)企業(yè)幾乎沒有收入。雖然整個行業(yè)的銷售有所增長，但個別石墨烯生產(chǎn)公司沒有像先前預(yù)測的那樣做得好。石墨烯生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了石墨烯生產(chǎn)商大量使用專有技術(shù)。一些石墨烯制造商卻慘遭淘汰。達(dá)勒姆石墨烯科技公司擁有一個專有的自下而上合成方法，盈利400萬美元，但4年后倒閉。此外，通用石墨烯公司也盈利870萬美元。grafentek公司已經(jīng)從生產(chǎn)石墨烯轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)透明導(dǎo)電氧化物/金屬氫化物。

3.1.2  石墨烯生產(chǎn)企業(yè)股票表現(xiàn)欠佳

盡管市場總體增長，但石墨烯和石墨生產(chǎn)商的股票一直在萎縮。這主要包括幾個原因：一是許多關(guān)于石墨烯炒作和大型供應(yīng)企業(yè)倒閉的新聞報道增加，人們對石墨烯發(fā)展的狂熱預(yù)期幻滅；二是缺乏商業(yè)產(chǎn)品。與其他納米技術(shù)公司一樣，由于炒作被擱置，企業(yè)尚未實現(xiàn)大范圍收購，股票價格從最高估值急劇下降。而一旦石墨烯開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計石墨烯市場將增長。隨著新加入者不斷涌現(xiàn)，收購可能成為當(dāng)前大企業(yè)保持市場地位的關(guān)鍵。

3.2  全球石墨烯細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域市場增長預(yù)測

預(yù)計在未來10年，隨著石墨烯應(yīng)用實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，石墨烯行業(yè)將快速增長。石墨烯的應(yīng)用推動力將從大學(xué)實驗室轉(zhuǎn)向大型企業(yè)。而復(fù)合材料、儲能、水凈化和音頻等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)�獲得最大程度增長。石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的細(xì)分領(lǐng)域?qū)⑹翘娲�碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。2020年以后，隨著產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，特別是海水淡化技術(shù)的興起，研發(fā)機構(gòu)對石墨烯的需求將穩(wěn)定增長，并成為石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中規(guī)模較小的一部分。

3.2.1  輕量化復(fù)合強化材料領(lǐng)域

預(yù)計在未來幾年內(nèi)，復(fù)合強化輕量化材料領(lǐng)域?qū)⒁?%～10.6%的年均復(fù)合增長率增長，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用將實現(xiàn)30億美元產(chǎn)值，在汽車復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用將實現(xiàn)產(chǎn)值140億美元。這一領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點搶占高端輕量化應(yīng)用市場份額，現(xiàn)有應(yīng)用市場主要以碳纖維為主，其在航空航天復(fù)合材料領(lǐng)域市場份額達(dá)到73%，在汽車復(fù)合材料領(lǐng)域市場份額達(dá)到3%。未來石墨烯市場份額的搶占很可能取決于石墨烯氣凝膠和交聯(lián)氧化石墨烯膜的生產(chǎn)。在這2個領(lǐng)域，石墨烯的技術(shù)優(yōu)勢遠(yuǎn)超其他競爭技術(shù)。盡管復(fù)合材料產(chǎn)品已經(jīng)開始應(yīng)用，但航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的大幅增長預(yù)計需要3～7年；而汽車領(lǐng)域應(yīng)用的大幅增長則需要5～10年。因此，未來需準(zhǔn)確評估航空航天領(lǐng)域應(yīng)用所能帶來的收益；嚴(yán)格控制3D石墨烯生產(chǎn)加工，以確保材料的一致性和可靠性。隨著3D石墨烯或纖維復(fù)合材料不斷研發(fā)，石墨烯的市場份額將進(jìn)一步增加。

3.2.2  音響設(shè)備領(lǐng)域

音箱的小型化使得石墨烯在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用增長，預(yù)計年均復(fù)合增長率達(dá)到17%。3D石墨烯可實現(xiàn)更薄、更小、更高效的音頻驅(qū)動，因此3D石墨烯的可靠生產(chǎn)將進(jìn)一步提高其市場份額。在未來3～5年，隨著小型節(jié)能部件領(lǐng)域?qū)κ�墨烯需求的增長，預(yù)計石墨烯在這一領(lǐng)域的應(yīng)用將迅速增長。

3.2.3  儲能領(lǐng)域

未來幾年，石墨烯在電池負(fù)極市場應(yīng)用將實現(xiàn)3億美元產(chǎn)值，年均復(fù)合增長達(dá)到24%；在超級電容器市場應(yīng)用將實現(xiàn)1.4億美元，年均復(fù)合增長率達(dá)到11%。石墨烯泡沫或其他微孔三維石墨烯將廣泛應(yīng)用，其性能將超越目前需要替代的能源存儲電極材料。未來為擴大市場份額，需要改進(jìn)現(xiàn)有3D石墨烯的生產(chǎn)，降低成本。隨著電動汽車的廣泛應(yīng)用，對大容量電池的需求快速增長，以及包括再生制動和太陽能輸出功率等應(yīng)用需求的增長，對超級電容器需求的提升，預(yù)計石墨烯在這一領(lǐng)域的應(yīng)用將在未來3～5年快速增長。

3.2.4  水凈化領(lǐng)域

未來幾年，石墨烯在水凈化領(lǐng)域應(yīng)用的市場將達(dá)到120億美元，年均復(fù)合增長率將達(dá)到13%。海水反滲透脫鹽需要低成本、高通量滲透膜，而海水凈化占這一領(lǐng)域市場的70%以上。只要全海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)量迅速上升，石墨烯就很有可能迅速占領(lǐng)市場份額。預(yù)計石墨烯將在未來3～5年內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這期間需要一個較長的孵化期。隨著石墨烯實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，在2020后將實現(xiàn)快速增長。

3.3  全球石墨烯市場空間預(yù)測

到2025年，石墨烯在多個領(lǐng)域的應(yīng)用有望實現(xiàn)快速增長，2017-2025年平均增長率達(dá)到72.8%（詳見圖1）。這預(yù)示著特定領(lǐng)域應(yīng)用的石墨烯生產(chǎn)將快速增長，在最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域使用的石墨烯、碳纖維或其他標(biāo)準(zhǔn)材料市場占有率將迅速增加。在后幾年中，石墨烯的市場應(yīng)用采納率預(yù)計會增加，因為產(chǎn)業(yè)發(fā)展中期推出的初始產(chǎn)品將大大超過競爭對手。而在3D石墨烯實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)之前，任何意外的延誤都會延緩這種快速增長。

圖1 2017-2025年全球石墨烯市場空間預(yù)測

4  石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢展望

4.1  石墨烯生產(chǎn)趨勢展望

高質(zhì)量石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)的困難導(dǎo)致其生產(chǎn)成本較高。目前的生產(chǎn)趨勢：一是努力克服高質(zhì)量石墨烯批量生產(chǎn)加工的局限性。現(xiàn)有客戶大部分都來自于學(xué)術(shù)或其他研究機構(gòu)，由于其消費量較低，因此帶來了潛在的石墨烯供給過剩。尤其是一些本已盈利數(shù)百萬美元的石墨烯生產(chǎn)企業(yè)紛紛倒閉，這一事實更是印證了人們對此的判斷。大部分石墨烯生產(chǎn)企業(yè)紛紛拓展業(yè)務(wù)，實現(xiàn)多元化生產(chǎn)，進(jìn)行新應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)，或投資應(yīng)用企業(yè)。二是現(xiàn)有利基石墨烯的生產(chǎn)，如交聯(lián)氧化石墨烯、3D石墨烯、納米薄片、納米帶、量子點。所有這些石墨烯都只在研究初期，未來可用于某些應(yīng)用，而基礎(chǔ)石墨烯正逐步產(chǎn)業(yè)化。

4.2  石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域增長點展望

由于現(xiàn)在已有大量企業(yè)涉足石墨烯生產(chǎn)領(lǐng)域，而且基于新的生產(chǎn)方法，未來還有更多的企業(yè)進(jìn)入，石墨烯的生產(chǎn)制備還未達(dá)到預(yù)期的快速增長速度。未來還需要殺手锏級的應(yīng)用來實現(xiàn)快速增長。

4.2.1  增長點一：更輕更小的儲能設(shè)備

石墨烯在更輕更小儲能設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用將帶動石墨烯生產(chǎn)、設(shè)備集成等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。電池的創(chuàng)新已落后于其他先進(jìn)消費電子領(lǐng)域的創(chuàng)新。未來將進(jìn)一步研發(fā)應(yīng)用具有高導(dǎo)電性和多孔電極的大容量電池和超級電容器；研發(fā)新型石墨烯，如3D石墨烯，能夠在保持高導(dǎo)電性的同時，實現(xiàn)表面積最大化，目前研發(fā)機構(gòu)正在進(jìn)行3D石墨烯的潛在規(guī)模化商業(yè)化研發(fā)，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成商業(yè)化應(yīng)用；研發(fā)新型石墨烯在能源存儲設(shè)施的應(yīng)用；進(jìn)一步提高高純石墨烯的制備方法；在替代現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方面，這些能源存儲設(shè)備的新性能將至關(guān)重要。

4.2.2  增長點二：復(fù)合強化輕量化材料

石墨烯在超輕量化復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用將帶動石墨烯生產(chǎn)、設(shè)備集成、商業(yè)化銷售等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。石墨烯泡沫和石墨烯氣凝膠是最輕最強的材料，這些材料可在現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域替代其他諸如碳纖維等輕量化材料，其應(yīng)用范圍可覆蓋從航空材料的輕量化到消費電子的高效播放器等領(lǐng)域。新型石墨烯將進(jìn)一步實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)化發(fā)展。因此，需要石墨烯生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)進(jìn)一步加強合作。隨著創(chuàng)新的加快和知識產(chǎn)權(quán)保護的加強，在其他需要更強輕量化材料領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步展開。

編譯/李丹  肖勁松  馬琳

工業(yè)和信息化部賽迪研究院材料工業(yè)研究所

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星屑）

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