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浅谈石墨烯四大应用领域 “石墨烯+”成材料领域发展新趋势

作者: 来源: 日期:2016-1-25 16:50:37 人气:1982

工信部、发改委和科技部在前期发布《发关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,明确了石墨烯未来先导产业的地位,“石墨烯+”战略有望提升中国制造业在全球的竞争力,石墨烯同下游应用产业的结合将提供丰富的投资机会,因此我们将发布石墨烯行业系列研究报告,梳理相关投资机会。第一篇石墨烯报告主要梳理了石墨烯的技术专利趋势和国内外相关政策,而本篇报告主要对石墨烯初期的应用领域展开研究,并判断石墨烯有望在导电添加剂、散热材料、电容材料等领域率先获得产业化应用。目前市场普遍认为石墨烯产业化应用为时过早,我们则认为石墨烯技术发展趋势明朗,下游应用逻辑逐渐清晰,产业化应用将会提速。
  石墨烯堪比材料领域的互联网,与不同材料、技术结合起来能够形成具备特殊性能、满足特定应用的新型“材料”。如同“互联网+”的发展趋势,“石墨烯+”也有望成为未来材料领域发展的一大趋势。但由于石墨烯研发历史不超过10年,现在还处于产业化初期,规模化变革还未出现。我们建议要特别关注石墨烯产业化应用的技术路线,结合国内外研发、应用的实际情况做相应投资,并重点关注有望率先实现产业化应用的领域。
  石墨烯的发展可以分为早期、中期和远景三个的阶段,目前早期可预期的应用主要集中于锂电池添加剂、超级电容电极材料、散热材料、透明导电膜和金属基复合材料等领域。石墨烯产业早期主要聚焦于学术研究和制备石墨烯,中期则强调工业化大规模制备石墨烯以及在下游的应用,远期则更加注重石墨烯的多功能、更高效、低成本趋势。目前,全球石墨烯产业正处于早期研究向中期应用转变的阶段。
  2016年或将成为石墨烯产业化应用的关键年,前期石墨烯市场将突破50亿。
  2014年我国从事石墨烯产业的企业已突破千家,石墨烯产业链市场规模达到233.3亿元,产业化应用已在不断推进。而根据我们对导电添加剂(8亿)、超级电容器(2亿)、电子设备散热材料(36亿)、透明导电膜以及军工材料(1亿)市场的估算,石墨烯前期市场空间在50亿以上,未来导电添加剂市场将突破50亿元,透明导电膜和军工材料市场空间均在百亿以上。
  随着三部委顶层设计文件的推出以及相关技术的推进,石墨烯产业在我国未来发展中将扮演重要角色。目前石墨烯仍处于产业发展的初级阶段,我们判断石墨烯将在导电添加剂、散热材料、透明导电膜等领域率先获得产业化应用。石墨烯规模化生产工艺无法满足下游需求;国内石墨烯产业配套政策不及预期;替代材料价格下行,导致新材料性价比下降。
  石墨烯应用领域
  中科院近期发布的一份报告指出,石墨烯的研究和产业化发展持续升温,从石墨烯专利领域分布来看,其应用技术研究布局热点包括:石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等。主要集中在如下四个领域:
  (一)传感器领域。石墨烯因其独特的二维结构在传感器中有广泛的应用,具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间快、电子传递快、易于固定蛋白质并保持其活性等特点,能提升传感器的各项性能。主要用于气体、生物小分子、酶和DNA电化学传感器的制作。新加坡南洋理工大学开发出了敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器;美国伦斯勒理工学院研制出性能远超现有商用气体传感器的廉价石墨烯海绵传感器。
  (二)储能和新型显示领域。石墨烯具有极好的电导性和透光性,作为透明导电电极材料,在触摸屏、液晶显示、储能电池等方面有很好的应用。石墨烯被认为是触摸屏制造中最有潜力替代氧化铟锡的材料,三星、索尼、辉锐、3M、东丽、东芝等龙头企业均在此领域作了重点研发布局。美国德州大学奥斯汀分校研究人员利用KOH对石墨烯进行化学修饰重构形成多孔结构,得到的超级电容的储能密度接近铅酸电池。密歇根理工大学科学家研发出一种独特蜂巢状结构的三维石墨烯电极,光电转换效率达到7.8%,且价格低廉,有望取代铂在太阳能电池中的应用。东芝公司研发出石墨烯与银纳米线复合透明电极,并实现了大面积化。
  (三)半导体材料领域。石墨烯被认为是替代硅的理想材料,大量有实力的企业均开展了石墨烯半导体器件的研发。韩国成均馆大学开发出了高稳定性n型石墨烯半导体,可以长时间暴露在空气中使用。美国哥伦比亚大学研发出石墨烯-硅光电混合芯片,在光互连和低功率光子集成电路领域具有广泛的应用前景。IBM的研究人员开发出了石墨烯场效应晶体管,其截止频率可达100GHz,频率性能远超相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率(40GHz)。
  (四)生物医学领域。石墨烯及其衍生物在纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等方面的应用广阔。以石墨烯为基层的生物装置或生物传感器可以用于细菌分析、DNA和蛋白质检测。如美国宾夕法尼亚大学开发的石墨烯纳米孔设备可以快速完成DNA测序。石墨烯量子点应用于生物成像中,与荧光体相比具有荧光更稳定、不会出现光漂白和不易光衰等特点。石墨烯在生物医学领域的应用研究虽处于起步阶段,但却是产业化前景最为广阔的应用领域之一。(昆山巴斯曼自动化设备有限公司
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