石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景

作者:王本力 發(fā)布時(shí)間:2016-11-17   來(lái)源:中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院

石墨烯是21世紀(jì)最具顛覆性的新材料,具有強(qiáng)度最高、韌性最高、透光率最高、重量最輕、電子遷移率最快、導(dǎo)電性最佳的優(yōu)異特性,借助“石墨烯+”戰(zhàn)略平臺(tái),可以為一大批傳統(tǒng)材料的性能提升與應(yīng)用拓展提供有力支撐,目前,石墨烯行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時(shí)期,大規(guī)模應(yīng)用即將到來(lái)。

  本文是工信部賽迪研究院針對(duì)國(guó)內(nèi)外石墨烯行業(yè)相關(guān)政策、技術(shù)、專利、市場(chǎng)等全方位、多角度的深度分析,具有很高的參考價(jià)值,下面我們一起去看看。

  一、石墨烯技術(shù)突破

  世界主要國(guó)家不斷加大研發(fā)支持力度,爭(zhēng)搶產(chǎn)業(yè)化制高點(diǎn)。

  2010年石墨烯發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)后,全球科技界和工業(yè)界競(jìng)相關(guān)注,截止目前大約有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展石墨烯及其應(yīng)用研究。近兩年來(lái),石墨烯產(chǎn)業(yè)化方向逐漸清晰,石墨烯研發(fā)支持力度不斷加大。美國(guó)、歐盟及其成員國(guó)、日本和韓國(guó)等先后從國(guó)家戰(zhàn)略高度開(kāi)展相關(guān)部署,出臺(tái)多項(xiàng)支持政策和研究扶持計(jì)劃。隨著“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略的出臺(tái),石墨烯扶持力度加碼,國(guó)家、地方政府、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟通過(guò)多種手段支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  總體上,前期世界各國(guó)的支持政策主要集中在石墨烯基礎(chǔ)研究;目前大多集中在石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈中游,以石墨烯功能器件研發(fā)為主;預(yù)計(jì)未來(lái)5到10年,各國(guó)對(duì)石墨烯行業(yè)的支持仍將集中在石墨烯中游產(chǎn)業(yè)鏈,以進(jìn)一步加快石墨烯產(chǎn)業(yè)化。

表1 推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的政策措施

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

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石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

  眾多科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)紛紛進(jìn)入,但國(guó)內(nèi)外差異顯著。

  不完全統(tǒng)計(jì),全球有近300家公司涉足石墨烯研究,包括IBM、英特爾、美國(guó)晟碟、陶氏化學(xué)、通用、杜邦、施樂(lè)、洛克希德-馬丁、波音、諾基亞、三星、LG、日立、索尼、3M、東麗、東芝、華為、輝銳、深圳鴻海等。

  國(guó)外高校和企業(yè)掌握了大量核心專利,在石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中扮演著重要角色。韓國(guó)三星、美國(guó)IBM、韓國(guó)成均館大學(xué)、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究所、日本東芝公司、美國(guó)賴斯大學(xué)等具有較高的影響力。

  國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在高校和中科院,有80多所一流大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)涉足石墨烯,但在企業(yè)層面只有深圳鴻海具有一定優(yōu)勢(shì),且專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于三星、IBM等國(guó)外企業(yè),石墨烯研發(fā)過(guò)程中企業(yè)的主體作用亟待進(jìn)一步加強(qiáng)。另一方面,國(guó)內(nèi)研究多集中于bottom-up方法制備、在鋰離子電池電極中的應(yīng)用以石墨烯復(fù)合材料方面,在半導(dǎo)體器件方面實(shí)力弱,產(chǎn)業(yè)布局亟待進(jìn)一步優(yōu)化。

表2 國(guó)外部分知名研究機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

圖1 國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)分布

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  石墨烯技術(shù)突飛猛進(jìn),世界各國(guó)加快專利布局。

  2010年后,全球石墨烯相關(guān)論文和專利數(shù)量呈井噴式增長(zhǎng)。根據(jù)切薩布魯夫技術(shù)生命周期理論,石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處于技術(shù)成長(zhǎng)期,且技術(shù)演化趨勢(shì)正由石墨烯制備工藝向具體應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。從1991年開(kāi)始至今,全球共發(fā)表石墨烯相關(guān)SCI論文137690篇。

  其中,中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)和日本發(fā)表論文數(shù)量位居全球前四名,占比分別是34.2%、18.9%、7.5%和5.4%。從1994年開(kāi)始至今,全球共有12518件石墨烯相關(guān)專利。從技術(shù)原創(chuàng)國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量看,中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、日本申請(qǐng)的專利量位居全球前四,占比分別是50%、14%、6%和6%,中國(guó)石墨烯相關(guān)專利量具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。從目標(biāo)申請(qǐng)國(guó)專利申請(qǐng)量看,中國(guó)是專利布局的重點(diǎn),其后依次是美國(guó)、韓國(guó)、WO、日本和歐專局。

  從各原創(chuàng)國(guó)的技術(shù)申請(qǐng)范圍看,韓國(guó)、美國(guó)和日本都在積極進(jìn)行專利全球布局,但我國(guó)專利海外布局薄弱,亟待進(jìn)一步加強(qiáng)。從石墨烯專利技術(shù)申請(qǐng)領(lǐng)域看,2013年之前,石墨烯相關(guān)研究主要集中在制備領(lǐng)域,2011年至2013年間制備技術(shù)專利占石墨烯專利申請(qǐng)比例達(dá)38%。隨著制備技術(shù)的完善與成熟,石墨烯專利申請(qǐng)不斷向下游應(yīng)用拓展,并開(kāi)拓出新的領(lǐng)域。2013年至2015年間,全球新增大量關(guān)于復(fù)合纖維、涂層、功能薄膜、水處理等新興領(lǐng)域的石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng),其中關(guān)于石墨烯基復(fù)合材料的專利申請(qǐng)幾乎翻翻,而制備技術(shù)專利的申請(qǐng)比例降至約29%。

表3 石墨烯相關(guān)標(biāo)志性事件和成果

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

  二、市場(chǎng)前景分析

  石墨烯產(chǎn)業(yè)化方向明確,相關(guān)制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)亟待突破。

  目前,石墨烯處于產(chǎn)業(yè)化初期,主要應(yīng)用在鋰電池導(dǎo)電添加劑、涂料、導(dǎo)熱膜等低端產(chǎn)品。全球各國(guó)根據(jù)本國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化資源制訂了不同的技術(shù)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)和路線圖,如歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃技術(shù)路線圖、韓國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)路線圖、《中國(guó)制造2025》石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖、中國(guó)臺(tái)灣石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖等,明確了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重點(diǎn)、方向和路徑,已解決當(dāng)前相關(guān)產(chǎn)品制備技術(shù)存在成本高、技術(shù)不成熟、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問(wèn)題,開(kāi)發(fā)針對(duì)特定場(chǎng)合的多形態(tài)和特性石墨烯基材料的制備和結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)。未來(lái)將重點(diǎn)突破以大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量、品質(zhì)均一可控和多尺度為特征的石墨烯制備技術(shù),大力發(fā)展石墨烯高精尖應(yīng)用技術(shù)以及下游產(chǎn)品開(kāi)發(fā),不斷拓展石墨烯相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

圖2 歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃技術(shù)路線圖

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

圖3 《中國(guó)制造2025》石墨烯材料技術(shù)路線圖

  石墨烯產(chǎn)業(yè)爆發(fā)點(diǎn)已經(jīng)形成,未來(lái)將爆發(fā)式增長(zhǎng)。石墨烯已經(jīng)過(guò)了炒作熱期,企業(yè)已經(jīng)將注意力從石墨烯制備轉(zhuǎn)移到應(yīng)用,產(chǎn)業(yè)爆發(fā)點(diǎn)已經(jīng)形成。當(dāng)前,一些公司已具備提供石墨烯的能力,但主要應(yīng)用于試驗(yàn)和應(yīng)用研究,真正實(shí)現(xiàn)高端應(yīng)用的較少,且相關(guān)企業(yè)的年產(chǎn)能大多不超過(guò)百噸級(jí)。隨著政策支持力度加大、資本投入以及宏量制備技術(shù)的突破,未來(lái)5~10年,多數(shù)企業(yè)年產(chǎn)能將達(dá)到千噸級(jí),少部分大型企業(yè)年產(chǎn)能有望達(dá)到萬(wàn)噸級(jí)。

  美國(guó)擁有IBM、英特爾、波音等眾多大型企業(yè),良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境催生了眾多小型石墨烯企業(yè),產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)展較快,產(chǎn)業(yè)布局呈多元化,已形成相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈,覆蓋從制備及應(yīng)用研究到石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)直至下游應(yīng)用全環(huán)節(jié)。歐盟擁有諾基亞等大型企業(yè)以及眾多小型專業(yè)化石墨烯企業(yè),主要從事石墨烯粉體、石墨烯薄膜、石墨烯復(fù)合材料制備,較少涉足下游應(yīng)用,未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

  英國(guó)有多家大型企業(yè)從事石墨烯開(kāi)發(fā)及商業(yè)化推廣,同時(shí)涌現(xiàn)出眾多專業(yè)從事石墨烯研發(fā)的新興企業(yè),來(lái)自政府的支持力度很大,其產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程加快,產(chǎn)業(yè)格局與歐洲整體相似。

  韓國(guó)和日本石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中CVD石墨烯薄膜制備及其在電子器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。

  國(guó)內(nèi)石墨烯企業(yè)多為處于成長(zhǎng)期的中小企業(yè),企業(yè)數(shù)量初具規(guī)模,但龍頭企業(yè)數(shù)量不多、規(guī)模相對(duì)較小,制約著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和完善。

表4 國(guó)外主要企業(yè)情況

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

表6 國(guó)內(nèi)主要企業(yè)分布

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

  石墨烯市場(chǎng)前景廣闊,有望產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。全球各大研究機(jī)構(gòu)紛紛對(duì)石墨烯市場(chǎng)前景和規(guī)模進(jìn)行了預(yù)測(cè)。綜合國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的分析結(jié)果,未來(lái)5~10年將是全球石墨烯產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期,各行業(yè)對(duì)石墨烯的需求量將不斷增加。對(duì)石墨烯的近期需求主要來(lái)自復(fù)合材料和涂層,集中在汽車、塑料、涂層、建筑、金屬、電池、航空以及能源和儲(chǔ)能領(lǐng)域。對(duì)石墨烯的中長(zhǎng)期需求主要集中在電子和光電領(lǐng)域及儲(chǔ)能領(lǐng)域。隨著石墨烯行業(yè)的深入發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?/p>

表7 石墨烯市場(chǎng)預(yù)測(cè)

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

圖4 2023年石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域分布

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

石墨烯技術(shù)突破與市場(chǎng)前景分析

  三、加快我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展

  石墨烯研究是我國(guó)少數(shù)位于世界前列的科技領(lǐng)域之一,與國(guó)際先進(jìn)水平相比具有發(fā)展快速、水平相當(dāng)、國(guó)際同步、部分領(lǐng)先的特點(diǎn)。但國(guó)內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈不成熟、下游應(yīng)用環(huán)節(jié)未打通、市場(chǎng)需求有待培育、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)有待加強(qiáng)等制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題突出。為此,

  制定國(guó)家級(jí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。當(dāng)前,我國(guó)在石墨烯領(lǐng)域尚缺乏國(guó)家層面的宏觀規(guī)劃,與國(guó)外相比仍有較大差距。建議盡早制定國(guó)家層面的石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化路線,明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展的階段目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)、重大工程、資金來(lái)源及政策措施等,確定合理的組織框架,推動(dòng)材料、設(shè)備、工藝和應(yīng)用并行發(fā)展,促進(jìn)上下游的協(xié)調(diào)發(fā)展。

  提升企業(yè)創(chuàng)新能力。

  一是以企業(yè)為主體,實(shí)施“政產(chǎn)學(xué)研用融”協(xié)同創(chuàng)新,建立石墨烯國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室或工程中心,鼓勵(lì)生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)交叉持股、戰(zhàn)略合作,設(shè)立聯(lián)合研發(fā)平臺(tái),支持生產(chǎn)企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)和應(yīng)用企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)研發(fā)項(xiàng)目和科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目,突破石墨烯制備、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)瓶頸,加快科技成果轉(zhuǎn)化,打通石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈。二是石墨烯產(chǎn)業(yè)作為引領(lǐng)整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的材料革命的新興產(chǎn)業(yè),不能遵循傳統(tǒng)內(nèi)生式產(chǎn)業(yè)發(fā)展軌跡,引導(dǎo)企業(yè)開(kāi)展產(chǎn)業(yè)組織創(chuàng)新,加快發(fā)展“企業(yè)+研發(fā)機(jī)構(gòu)+孵化器+加速器”的發(fā)展模式。三是依托龍頭企業(yè)、科研院所等,加快建成一批石墨烯材料及器件技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化平臺(tái)及專利和標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái),提高石墨烯產(chǎn)業(yè)高端服務(wù)能力。

  推動(dòng)石墨烯應(yīng)用發(fā)展。

  石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于沒(méi)有形成完整成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,研發(fā)制備企業(yè)和下游應(yīng)用企業(yè)脫節(jié),市場(chǎng)需求尚未全面打開(kāi)。一是加快應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā),鼓勵(lì)企業(yè)聯(lián)合科研院所、高校開(kāi)展相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā),擴(kuò)大石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)。二是推進(jìn)首批次產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范,扶持一批具有行業(yè)帶動(dòng)作用的企業(yè)實(shí)現(xiàn)在重點(diǎn)需求領(lǐng)域的率先應(yīng)用,構(gòu)建與各類應(yīng)用相適應(yīng)的市場(chǎng)化運(yùn)作機(jī)制,建成一批高水平示范項(xiàng)目。三是依托有關(guān)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)、行業(yè)聯(lián)盟或企業(yè),加快制定工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等,積極參與制定石墨烯國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),加快石墨烯標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化進(jìn)程,將石墨烯研發(fā)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢(shì),掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展的話語(yǔ)權(quán)。四是石墨烯應(yīng)用技術(shù)多處于中試階段,市場(chǎng)前景不確定,一旦量產(chǎn)將引起價(jià)格下降,甚至技術(shù)擴(kuò)散導(dǎo)致行業(yè)惡性競(jìng)爭(zhēng),必須建立健全行業(yè)規(guī)范,實(shí)現(xiàn)研發(fā)生產(chǎn)和商業(yè)化的有機(jī)融合。

  加大資金支持力度。

  國(guó)外在石墨烯發(fā)展過(guò)程中給予了持續(xù)的資金支持,我國(guó)雖然通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金已經(jīng)陸續(xù)資助超過(guò)3億元用以石墨烯相關(guān)項(xiàng)目,但資助體量相比國(guó)外仍有提升空間,特別是在歐盟10年10億歐元支持石墨烯產(chǎn)業(yè)和國(guó)內(nèi)石墨烯企業(yè)仍顯弱小的大背景下,我國(guó)應(yīng)進(jìn)一步加大資金扶持力度。一是在國(guó)家層面設(shè)立重大科技專項(xiàng),出臺(tái)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃,進(jìn)一步加大對(duì)石墨烯技術(shù)創(chuàng)新的支持力度;二是盡快出臺(tái)后續(xù)補(bǔ)貼和激勵(lì)政策,充分激發(fā)企業(yè)和市場(chǎng)積極性;三是大力發(fā)展符合石墨烯產(chǎn)業(yè)特征的金融產(chǎn)品和服務(wù),支持天使投資、科技支行、科技保險(xiǎn)、科技小貸等新型金融業(yè)態(tài),制定和完善風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償、基金扶持等政策;四是落實(shí)首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備保險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制,推動(dòng)石墨烯生產(chǎn)首臺(tái)套裝備和首批次石墨烯的推廣應(yīng)用。

  加強(qiáng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)建設(shè)。

  一是加強(qiáng)石墨烯專利分析與戰(zhàn)略研究、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制研究,構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)向的石墨烯專利池。二是支持具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā),鼓勵(lì)相關(guān)機(jī)構(gòu)通過(guò)PCT途徑申請(qǐng)國(guó)際專利,加強(qiáng)海外專利布局。三是加強(qiáng)在Bottom-up途徑制備石墨烯、半導(dǎo)體器件應(yīng)用、以及設(shè)備等技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作和技術(shù)轉(zhuǎn)移,引導(dǎo)和支持設(shè)備專利和應(yīng)用專利申請(qǐng),形成規(guī)模化專利申請(qǐng)布局。

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