摘要

　　當(dāng)前，我國處于制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強的關(guān)鍵時期，以石墨烯為代表的新材料對加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、帶動相關(guān)下游產(chǎn)業(yè)進步、搶占新一輪科技革命制高點等有著重要的意義。經(jīng)過近十年的發(fā)展，我國石墨烯行業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展勢頭，企業(yè)數(shù)量、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、科研實力、論文專利、產(chǎn)品種類等方面均處于領(lǐng)跑地位。在下游應(yīng)用拓展方面，石墨烯鋰電池導(dǎo)電劑、石墨烯改性防腐涂料、石墨烯電加熱產(chǎn)品、石墨烯柔性顯示等領(lǐng)域已經(jīng)開始初步產(chǎn)業(yè)化，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

     石墨烯作為世界上第一種被發(fā)現(xiàn)可以宏觀存在的二維納米材料，自誕生之日起就吸引了全球科研界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。石墨烯具有超高強度、超薄超韌、導(dǎo)電性高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，被譽為“新材料之王”，在新能源、環(huán)境保護、復(fù)合材料、電子器件、生物醫(yī)藥、航空航天等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

　　當(dāng)前，我國處于制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強的關(guān)鍵時期，以石墨烯為代表的新材料對加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、帶動相關(guān)下游產(chǎn)業(yè)進步、搶占新一輪科技革命制高點等有著重要的意義。因發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得諾貝爾獎的英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆曾表示：“中國在石墨烯應(yīng)用這一領(lǐng)域走在世界前列。

　　經(jīng)過近十年的發(fā)展，我國石墨烯行業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展勢頭，企業(yè)數(shù)量、企業(yè)規(guī)模、科研實力、論文專利、產(chǎn)品種類等方面均處于領(lǐng)跑地位。在下游應(yīng)用拓展方面，石墨烯鋰電池導(dǎo)電劑、石墨烯改性防腐涂料、石墨烯電加熱產(chǎn)品、石墨烯柔性顯示等領(lǐng)域已經(jīng)開始初步產(chǎn)業(yè)化，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

     石墨烯鋰電池導(dǎo)電劑已實現(xiàn)批量供應(yīng)

      目前，鋰離子電池技術(shù)進步的兩個主要方向是提高電池容量和延長電池壽命。石墨烯由于具有超薄超韌和超高的導(dǎo)電性，在鋰離子電池中大有用武之地。目前，石墨烯應(yīng)用在鋰離子電池領(lǐng)域主要有以下兩個方向：1、作為復(fù)合電極材料提升鋰電池的容量和倍率性能;2、作為正負(fù)極材料導(dǎo)電添加劑，降低電池內(nèi)阻提升導(dǎo)電性。據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，石墨烯直接作為電極材料對鋰電池的容量提升作用十分有限，目前最適合商業(yè)化的是用在正負(fù)極材料中作為導(dǎo)電添加劑，改善電極材料的導(dǎo)電性能，提高倍率性能和循環(huán)壽命。

　　鋰電池中常用的導(dǎo)電劑有導(dǎo)電炭黑、乙炔黑、科琴黑，SuperP、碳納米管等，現(xiàn)在也有電池廠家在動力電池上開始使用石墨烯作為導(dǎo)電劑。石墨烯、碳納米管等新型導(dǎo)電劑與傳統(tǒng)導(dǎo)電劑碳黑等相比，在同等效果下添加量可減少60%，越來越受到市場的青睞。

　　據(jù)調(diào)研顯示，國內(nèi)最大的動力電池及新能源汽車生產(chǎn)商比亞迪早在2014年就開始應(yīng)用石墨烯導(dǎo)電劑，目前已實現(xiàn)批量應(yīng)用，除此之外，力神、國軒高科、中航鋰電等動力電池企業(yè)也在加大石墨烯導(dǎo)電劑的使用量。

　　目前國內(nèi)可批量生產(chǎn)石墨烯鋰電池導(dǎo)電劑的企業(yè)有8家，其中規(guī)模較大的有青島昊鑫、廈門凱納、江蘇天奈、東莞鴻納、東莞海洲等。據(jù)統(tǒng)計，2018年國內(nèi)石墨烯導(dǎo)電劑出貨量已達12000噸，2020年有望達到16000噸。

　　當(dāng)然，目前石墨烯導(dǎo)電劑成本還比較高，與成熟的碳系導(dǎo)電劑炭黑、碳納米管相比市場份額還很小，預(yù)計在未來的3~5年內(nèi)，石墨烯和碳納米管導(dǎo)電劑的價格將會逐步降低，雖然和傳統(tǒng)導(dǎo)電劑相比在短期內(nèi)仍沒有價格優(yōu)勢，但因為其性能的優(yōu)異，頗受大型動力電池企業(yè)的青睞，并且隨著未來動力電池行業(yè)的集中度逐步提高，導(dǎo)電劑作為鋰電池里用量較小的原料，其技術(shù)敏感性要遠(yuǎn)大于價格敏感性。

　   石墨烯電加熱，煤改電政策催生的熱潮

　　近年來，伴隨著經(jīng)濟的高速增長，空氣污染越來越嚴(yán)重，北方地區(qū)頻頻爆發(fā)霧霾天氣，給人們的生命健康帶來嚴(yán)重威脅。冬季燃煤取暖是造成空氣污染的主要原因之一，為此，國家在沒有實現(xiàn)集中供暖的地區(qū)推動煤改電、煤改氣等清潔能源取暖技術(shù)，推廣燃?xì)鉅t、空氣源熱泵、電暖器等設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃煤鍋爐取暖。石墨烯電取暖設(shè)備因此受到廣泛關(guān)注。

　　傳統(tǒng)電取暖設(shè)備的發(fā)熱組件材料主要有：碳纖維、碳晶、金屬電阻絲等。碳纖維電熱膜與碳晶板電熱膜占據(jù)的市場份額最大。然而，石墨烯的誕生為電熱膜市場帶來了新的機遇。

　　石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維層狀納米新材料，與碳纖維、金屬電阻絲相比，石墨烯電熱膜的電-熱轉(zhuǎn)換效率接近100%，幾乎沒有任何形式的能量損耗。此外，石墨烯電熱膜還具備較強的柔韌性和穩(wěn)定性、發(fā)熱均勻、防水耐腐蝕等優(yōu)點，是一種非常理想的電熱材料。

　　2017年，財政部、住建部等四部委發(fā)布《關(guān)于開展中央財政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖試點工作的通知》，天津、石家莊、唐山等12個城市納入2017年北方地區(qū)冬季清潔取暖試點范圍。2018年，安陽、邢臺等20個第二批試點城市也將納入冬季清潔取暖試點。中央財政第一批和第二批試點城市冬季清潔取暖的總獎補額度三年達到近495億元。

　　石墨烯電加熱產(chǎn)品是國家清潔取暖鼓勵使用的新技術(shù)，國家財政會給予補貼鼓勵農(nóng)戶安裝。在政策春風(fēng)的推動下，涌現(xiàn)出了一大批生產(chǎn)石墨烯電加熱產(chǎn)品的企業(yè)，其中規(guī)模比較大的有江蘇科暖、杭州白熊、北京綠能嘉業(yè)等，據(jù)調(diào)研顯示，僅北京綠能嘉業(yè)一家企業(yè)2017年石墨烯電加熱產(chǎn)品銷售額就達到近7000萬元，2018年整個石墨烯電加熱產(chǎn)品市場將近5億元。

　　從國家煤改電的政策趨勢和逐漸趨于嚴(yán)格的環(huán)保要求來看，電取暖產(chǎn)業(yè)以及石墨烯加熱產(chǎn)品迎來了千載難逢的發(fā)展良機，但是我們也要看到，目前由于產(chǎn)業(yè)處于起步期、市場不夠規(guī)范、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，造成各個廠家的石墨烯電熱膜質(zhì)量層次不齊，嚴(yán)重影響了產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。這些都需要逐步去規(guī)范。另外，目前的石墨烯電加熱類產(chǎn)品也有如功率衰減、能耗不可控、存在一定安全隱患等問題，這些都需要在產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進步中逐漸去克服。

      石墨烯防腐涂料，任重而道遠(yuǎn)

      對新興海洋工程、現(xiàn)代交通運輸、能源工業(yè)、石油工業(yè)、大型化工企業(yè)、海島工程等領(lǐng)域的裝備和設(shè)施而言，腐蝕是其安全性和服役壽命的重要影響因素之一。防腐涂料是保護這些領(lǐng)域的裝備和設(shè)備免于腐蝕的“安全外殼”，具有非常重要的意義和價值。

　　石墨烯穩(wěn)定的sp2雜化結(jié)構(gòu)使其在金屬與腐蝕介質(zhì)間形成物理阻隔層，可以阻止介質(zhì)擴散和滲透, 被認(rèn)為是已知最薄的防腐層。為了利用石墨烯的這一優(yōu)異性能，將石墨烯應(yīng)用到防腐涂料中，自2009年起，中科院寧波材料所薛群基院士和王立平研究員團隊就開始了不懈的攻關(guān)和努力，截止目前，他們已經(jīng)成功開發(fā)出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型石墨烯改性重防腐涂料。該成果通過鑒定，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)鹽霧壽命超過6000小時，處于國際領(lǐng)先水平，并成功應(yīng)用于國家電網(wǎng)、石油化工、海洋工程與裝備等領(lǐng)域。

　　與此同時，國內(nèi)涂料企業(yè)也在逐步加大石墨烯防腐涂料的布局，目前已經(jīng)公開報道的石墨烯防腐涂料項目有：天津漢堯石墨烯有限公司投資1億元建設(shè)石墨烯水性涂料項目;福建宏宇石墨烯公司投資年產(chǎn)1萬噸石墨烯涂料項目;江蘇道蓬有限公司投資4.05億元建設(shè)年產(chǎn)5萬噸石墨烯防腐涂料項目;綿陽麥思威爾公司投資2.8億元年產(chǎn)5萬噸石墨烯水性涂料項目;成都渝三峽油漆公司投資2億元年產(chǎn)3萬噸石墨烯工業(yè)涂料項目;濟寧利特納米技術(shù)有限公司投資3.6億元建設(shè)5萬噸石墨烯防腐涂料項目等。

　　在應(yīng)用方面，浙江舟山國網(wǎng)輸電380米鐵塔防腐工程、中科院廣州能源研究所“先導(dǎo)一號”波浪發(fā)電裝置、嘉興乍浦閘橋防腐工程、浙江舟山金塘大橋等工程中均已實現(xiàn)了石墨烯防腐涂料的示范應(yīng)用。

　　但是，目前國內(nèi)石墨烯改性重防腐涂料的整體應(yīng)用水平并不高。主要問題有四個：

　  （1）石墨烯改性防腐涂料的很多科學(xué)機理比如分散問題、介面問題、失效演化機制等基礎(chǔ)研究不透徹，基礎(chǔ)研究不扎實;

　 （2）缺少性能全面考核和實際工況長期服役評估;

　 （3）缺乏各種環(huán)境下的腐蝕數(shù)據(jù)積累和專用數(shù)據(jù)庫;

　 （4）石墨烯材料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)匱乏。

　　重防腐涂料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需要一整套成熟的科研和工業(yè)體系，投入大、周期長，短時間內(nèi)很難看到實際的使用效果。石墨烯重防腐涂料的研發(fā)還具有巨大的戰(zhàn)略意義。其在軍艦、海上鉆井平臺上的應(yīng)用是非常重要的，目前我國正在大力開發(fā)南海，如何利用好石墨烯這種涂料，填補國內(nèi)高端重防腐涂料的空白是值得我們?nèi)ニ伎己脱芯康膯栴}。

      石墨烯柔性顯示類產(chǎn)品仍待進步

       石墨烯由于極佳的柔性、導(dǎo)電性和非常高的透光率，是制備柔性觸摸屏的理想材料，目前國內(nèi)主要從事石墨烯觸摸屏相關(guān)產(chǎn)品的企業(yè)主要有重慶墨希、二維碳素和無錫格非三家企業(yè)。

　　國內(nèi)石墨烯透明導(dǎo)電膜的制備和應(yīng)用在最近幾年來取得了較大的進展，例如制備和轉(zhuǎn)移技術(shù)、結(jié)構(gòu)化技術(shù)、功能一體化集成等問題都得到了一定程度的解決，展現(xiàn)出很好的潛力。然而在商業(yè)化過程中還存在諸多挑戰(zhàn)，例如多晶石墨烯的方塊電阻還不夠低，石墨烯與襯底的附著力偏差，石墨烯尚不能在低溫下原位沉積、成本還比較偏高等。

　　目前，市場上也出現(xiàn)了一些石墨烯柔性顯示類的產(chǎn)品，如重慶墨希推出的石墨烯柔性手機、石墨烯墨水屏的kandle閱讀器，第六元素推出了石墨烯顯示屏的健康手表等，這些產(chǎn)品在前瞻性和技術(shù)性上取得了一些突破，但是在實用性和性價比方面離人們的日常生活還非常遙遠(yuǎn)。

　　雖然石墨烯透明導(dǎo)電膜的制備和應(yīng)用取得了一定的進展，但該領(lǐng)域總體上尚處于產(chǎn)業(yè)化的初期。這主要是由于石墨烯薄膜材料發(fā)展的時間較短，正處于從實驗室到工業(yè)化的過渡階段，因此其產(chǎn)品應(yīng)用較為單一，市場規(guī)模不大。根據(jù)最新的統(tǒng)計與企業(yè)公開報表顯示大部分企業(yè)仍在虧損經(jīng)營，一些公司逐漸開始尋求在公開市場籌募資金，以期獲得技術(shù)、產(chǎn)品和市場的突破。

　　在柔性器件領(lǐng)域，石墨烯可以實現(xiàn)傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的功能，打開全新的市場，發(fā)展空間巨大。相信隨著技術(shù)的進步，未來基于石墨烯的透明導(dǎo)電膜將在光電子領(lǐng)域開拓出一席之地。