一、前言

 　　2016年8月8日，國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》，明確了“十三五”時期科技創新的總體思路、發展目標、主要任務和重大舉措。規劃中提出要發揮石墨烯等對新材料產業發展的引領作用，這無疑肯定了石墨烯在新材料產業發展中的重要地位。

　　石墨烯作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被稱為“黑金”，是“新材料之王”。當前國內對石墨烯材料的應用，還僅僅停留在對已有材料的改進方面，比如，利用石墨烯絕佳的導熱導電性，提高零配件的散熱能力，縮短電池充電時間等等，還沒有這種顛覆性的應用出現，但是《十三五國家科技創新規劃》的發布，為石墨烯產業的未來指明了方向，那就是研究顛覆性應用，指引新材料產業發展。

 　　2016年中國國際石墨烯創新大會將于2016年9月22日至24日在青島舉行，大會將以“新勢力、新常態、新突破”為主題，同時東旭光電下“烯王”在9月量產上市，9月份將是石墨烯板塊非常重要的爆發點。從二級市場來看，從8月份開始，石墨烯板塊的相關概念股就有資金大幅流入的跡象，股價收上影線非常多。本文對石墨烯行業進行簡要分析，并對板塊相關個股進行詳細分析。

　　二、石墨烯簡介

 　　石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結構，看上去就像由六邊形網格構成的平面。每個碳原子通過sp2雜化與周圍碳原子構成正六邊形，每一個六邊形單元實際上類似一個苯環，每一個碳原子都貢獻一個未成鍵的電子，單層石墨烯的厚度僅為0.335nm，約為頭發絲直徑的二十萬分之一。

 　　2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

　　石墨烯分類

 　　1、單層石墨烯：指由一層以苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子構成的一種二維碳材料。

 　　2、雙層石墨烯：指由兩層以苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等)堆垛構成的一種二維碳材料。

 　　3、少層石墨烯：指由3-10層以苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛構成的一種二維碳材料。

 　　4、多層或厚層石墨烯：指厚度在10層以上10nm以下苯環結構(即六角形蜂巢結構)周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛構成的一種二維碳材料。

　　石墨烯特性

　　由于石墨烯特殊的結構，其也表現出許多其它材料不具有的特異性能。

 　　1、導電性極佳：石墨烯中載流子電子和空穴是連續的，遷移率可以到達1×105cm2/Vs，電子的傳輸速度達到光速的1/300，大大超過了在一般金屬導體和半導體中的傳導速度，因而其擁有極好的導電性。

 　　2、超高透光率：單層石墨烯在很寬的波長范圍內的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達到97.7%，遠遠高于透明導電薄膜國際通用標準85%的要求。

 　　3、超高強度：石墨烯被發現是繼碳納米管之后具有最高彈性模量和強度的材料。其強度是世界上最好的鋼強度的100倍，硬度比自然界中最硬的材料金剛石還高，同時又擁有極好的柔韌性，可以隨意彎曲。

 　　4、超高熱導率：和石墨、金剛石和碳納米管相似，石墨烯也擁有非常高的熱導率，自由態的單層石墨烯在室溫下熱導率可以達到5000W/mK，是目前已知的導熱率最高的材料。

 　　5、超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個碳原子厚，因此單層石墨烯擁有超大的比表面積，可以達到2630m2/g，遠遠大于普通活性炭的比表面積。在2015年石墨烯發現之前，石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，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，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。

　　石墨烯產業鏈

　　1.上游行業運行對石墨烯行業的影響——石墨行業

 　　石墨是重要的非金屬礦產資源，根據結晶形態不同分為隱晶質(微晶)和晶質兩種。其中微晶石墨為煤變質產物，是由直徑小于1微米晶體構成的致密狀集合體，亦稱土狀石墨或無定形石墨;晶質石墨為巖石變質產物，晶體較大，多為鱗片狀。石墨材料及其復合材料作為21世紀的新興材料，廣泛應用于冶金、化工、航天等領域。尤其是大規格高質量的石墨，作為替代性材料，在高科技、高技術領域有著寬廣的應用空間。

 　　石墨烯制備一般選取高質量的鱗片石墨、可膨脹石墨等，所以作為石墨烯產業的開端，石墨礦產的開采以及高純石墨的深加工是非常重要的。

　　2、下游產業對其產業的影響

 　　石墨烯產業最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產業鏈，目前仍沒有一種可以應用石墨烯的產品能夠規模化生產。對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構的研究使用。

 　　石墨烯的高強度、高導電性及傳熱性、超大的比表面積等特性能夠在航天軍工、太陽能光伏電池、鋰離子電池、超級電容器等多領域有潛在應用，但由于其成本過高，一直都處于研究階段。從目前的技術發展來看，最有可能實現工業化使用石墨烯的下游行業是復合材料領域和顯示技術領域。將石墨烯添加到塑料、橡膠、涂料等基體中，可以大幅增強產品的性能，如強度、韌度、導電性及傳熱性等，在符合材料領域的應用也是目前石墨烯最大的產業化應用。

　　鋰離子電池

 　　大幅縮短充電時間，提升電池容量。目前，全球汽車制造商使用的動力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰。

 　　這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩定;磷酸鐵鋰電池最穩定，但能量密度最低。鋰離子電池技術已經沉寂了20年沒有大的技術革新，其最大的障礙在于：鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放(即無法實現快充快放)。

 　　石墨烯由于其超大的載流子遷移率，應用于鋰離子電池上，可以大幅降低充電時間;而且由于其穩定性可以提高電池循環穩定性;另外由于超大比表面積還能提升電池容量。

　　表面防護材料

 　　石墨烯結構穩定，耐腐蝕，耐氧化，強度大，并且容易在各種金屬表面生長，可以廣泛應用于金屬材料表面保護。同時由于其導電性和高導熱性，也可廣泛應用于有機材料的保護及防靜電領域。可以想象如果在汽車面板表面鍍上一層石墨烯，再也不用擔心愛車被劃了!

　　代替硅應用于集成電路，助力無人駕駛

 　　硅讓我們進入了電子化時代，多晶硅已經成為半導體行業的基礎原料，被大量用作集成電路的基板。隨著工藝技術的改進，目前硅基芯片的運行速度達到了GHz的級別，但隨著技術的不斷進步，對于計算機速度的要求越來越高。

 　　然而，硅基芯片受到材料自身性能的限制，處理速度達到4-5GHz后就很難再提高，已經逐漸不能滿足人們對速度的要求。在眾多的備選材料中，石墨烯因其超高強度、超高熱導率以及超強導電性而最引人矚目。

 　　使用石墨烯作為基質生產出的處理器能夠達到THz(即1000GHz)，IBM已經在2010年研制出運行速度超快的石墨烯晶體管，其最大頻率可以達到230GHz，遠遠超過現在的硅基晶體管運行速度。IBM在2014年7月宣布將再投入30億美元進行包括石墨烯在內的碳芯片技術的研發。石墨烯未來很有可能取代硅成為半導體行業的基礎材料。

 　　無人駕駛技術方興未艾，其需要超強、超快的計算能力，數據存儲、處理系統對集成電路要求非常高，現有的硅基芯片很難完全滿足其需求，而石墨烯基碳芯片的開發應用將會解決這一技術瓶頸，提供強大的算力支持。

　　應用于超級電容器，完美加速

 　　超級電容器是一種新型儲能裝置，與充電電池相比，可進行不限流充電，因而充放電速率非常快，可以在幾秒內完成充放電過程，同時具有功率高，使用壽命長等特點。將超級電容器與鋰離子電池組合使用可有效解決電動車加速慢的問題。

 　　由于石墨烯比表面積很大，所以以石墨烯為電極的超級電容器具有超高的容量，可以達到上百F/g，遠高于其他材料作為電極的超級電容器，更適合作為動力電池的助力動力源。

　　石墨烯在超級電容器中的應用

　　替代ITO制備超高效太陽能電池及可折疊的顯示器

 　　今年7月2號，漢能高調公布了四款運用太陽能作為動力源的概念汽車，如果有朝一日這一想法能夠在汽車領域得到推廣實現，可以想象汽車行業對太陽能電池的需求會大幅提升。目前太陽能電池、顯示器及觸摸屏使用的透明導電材料主要是氧化銦錫(ITO)。但由于ITO對紅外線的透射率實際上也還是比較低，導致現在的太陽能電池對太陽能的利用效率依然比較低;另外，ITO材料的韌性較差，在折疊或是拉伸時會影響顯示的效果。

 　　石墨烯由于其特殊的結構而具有非常高的電導率，同時幾乎透明，對所有波段的光透過率都超高，是一種性能超優異的透明導電材料，因此其被廣泛看好代替ITO。

 　　在太陽能電池領域，日本富士電機在開發上處于領先地位。其得到的石墨烯片的導電率高達ITO的幾倍，并且能夠保證90%的光透射率，已經達到能夠充分滿足性能指標的水平。在顯示器及觸摸屏領域，相比于現在主流的ITO材料，石墨烯擁有更高的強度和更好的韌性，作為透明導電材料，能夠制作成為可以彎曲的顯示器件。

　　石墨烯氣凝膠，用于尾氣空氣凈化、催化載體

 　　汽車室內及尾氣的凈化一直是汽車環保領域考慮的重要問題。2013年浙大高分子系高超教授課題組制備出了世界上最輕的材料—石墨烯超輕氣凝膠，材料密度僅為0.16mg/cm3。這種材料制備工藝簡單卻擁有非常優異的性能，其具有高彈性，被壓縮80%之后仍可恢復原狀;同時還具有超快、超高的吸附力，是迄今吸油能力最強的材料。其可以廣泛應用于空氣凈化、催化載體等領域，對汽車室內空氣凈化以及尾氣催化還原具有重要意義。

　　石墨烯產業發展狀況

 　　我國的石墨烯研究雖然起步較晚，但發展速度快，有著潛在優勢。近年來國內相關專利申請量和申請人數增長非常迅速，所涉及的技術主題也更加廣泛。江蘇、重慶、深圳、黑龍江與中科院等機構以多種形式協同創新，紛紛建立了產業技術聯盟，促進了創新資源優化組合和創新產業化進程。在全球石墨烯產業綜合發展實力排名中，中國位列第三，前兩名分別是美國和日本。

 　　石墨烯產業化方面，2015年成為了中國石墨烯產業的爆發元年。2015年3月2日，全球首批3萬部石墨烯手機在重慶發布，該款手機采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜，開啟了石墨烯產業化應用的新時代。經過多年科學研究的積累，我國石墨烯企業的產業化步伐不斷加快，制備工藝呈現多元發展，已有少數企業具備石墨烯產品的規模化生產的能力。

 　　石墨烯相關專利和知識產權的申請數量逐年遞增，尤其在2012-2014年迎來了井噴式的爆發。2009年全球石墨烯專利數量為948篇，到2013年，專利申請數量達到6116篇，是2009年的6倍之多，增長速度極快，反映出石墨烯在近幾年成為研究熱點。目前我國石墨烯研究水平走在國際前列，但部分石墨烯核心專利依舊是掌握在少數大國手中。而近年來全球石墨烯技術專利正由制備工藝向下游應用轉變，未來石墨烯有望加快同下游應用行業結合，推動石墨烯產業化進程。

 　　我國的石墨烯應用專利集中在鋰電、儲能、復合材料等領域，布局相對較窄，且主體多為高等院校，研發和應用在一定程度上脫節。未來國內石墨烯產業化發展如何改變這種現狀、形成完整成熟的產業鏈上下游、研制出性價比更高的產品等都是急需解決的難題。

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