石墨烯是由一個碳原子以sp2雜化與三個相鄰碳原子鍵合形成的蜂窩狀結構的碳原子單層，它是許多碳納米材料的構建單元。石墨烯具有優異的化學和物理性能，但不容易制備，所以很多人又稱之為“黑金”。石墨烯于2004年被英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用微機械剝離法從石墨中剝離出來，并開始進入人們的視野，被嘗試性地應用到鋰電池、防腐涂料、加熱膜和導熱膜等行業中。
終端產品分為三種
石墨烯制備的方法有很多，包括微機械分離法、氧化還原法、取向附生法、化學氣相沉積法（CVD）、加熱SIC法、外延生長法和液相剝離法等。其中比較主流的制備方法為液相剝離法、氧化還原法和CVD法。機械剝離法和氧化還原法的原材料均為鱗片石墨，所以鱗片石墨對于石墨烯的制備很重要。我國是世界上最大的鱗片石墨生產國，2020年我國鱗片石墨產量為80萬~90萬噸，全年國內石墨烯行業對鱗片石墨的需求量約為1000噸，所以原材料在石墨烯行業并不會成為問題。目前主流的石墨烯制備工藝是以150目的鱗片石墨為原材料，但實際操作中還需要根據設備及工藝進行試機，從而挑選出最合適的目數。
目前，能應用到終端產品的石墨烯大體分為氧化石墨烯、石墨烯粉體和石墨烯薄膜三種。
根據國家標準《納米科技 術語 第13部分：石墨烯及相關二維材料》（GB/T30544.13-2018）的定義，氧化石墨烯（GO）是指對石墨進行氧化及剝離后所得到的化學改性石墨烯，是具有高氧含量的單層材料。從下游應用看，氧化石墨烯主要用于生產改性氧化石墨烯、石墨烯導熱膜、石墨烯纖維和石墨烯電纜等。其中，石墨烯導熱膜主要應用在手機等電子產品中，但由于技術和成本偏高等原因，只有部分型號手機中應用了石墨烯導熱膜。根據中國化工信息中心調查，2020年我國氧化石墨烯產能和產量分別約為1550噸/年和135噸，開工率為8.7%。
石墨烯粉體主要有兩種制備方式，即氧化還原法和物理/液相剝離法。石墨烯粉體由于具有優良的導電導熱性，可用于改善材料的導電和導熱等特性，多被用于生產石墨烯導電漿料、石墨烯防腐涂料、石墨烯加熱膜和石墨烯散熱器等產品。根據中國化工信息中心調查，2020年我國石墨烯粉體產能和產量分別約為5500噸/年和405噸。
從狹義上來說，石墨烯薄膜主要是指由CVD法或外延生產法生長的薄膜產品，即“生長膜”。制備石墨烯薄膜的工藝較為復雜，有一定的難度，所以石墨烯薄膜的性能可能會存在某些缺陷，技術有待進一步成熟和改進。根據中國化工信息中心調查，2020年我國石墨烯薄膜產能和產量分別為3800萬平方米/年和430萬平方米。
七成應用于新能源領域
根據中國化工信息中心調查，2020年石墨烯用量不超過500噸，下游應用領域可大致分為新能源汽車鋰電池、重防腐涂料、大健康產品、電子產品和其他實驗室初期產品五大類。其中新能源領域消費占比大約為72%；重防腐領域，石墨烯防腐涂料大約占12%；大健康產品領域，石墨烯纖維及石墨烯加熱膜大約占6%；電子產品領域，石墨烯導熱膜大約消費占比6%；其余產品如超級電容器、石墨烯晶圓芯片等都處于研究階段，暫時沒有批量應用。2020年石墨烯消費量分布詳見圖1。
1.新能源領域
石墨烯粉體加入到導電漿料中可制成石墨烯導電漿料，應用于新能源電車的電池中。根據正極材料的不同，目前國內的動力電池主要分為磷酸鐵鋰電池和三元材料（鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰）鋰電池，而石墨烯導電漿料更適配于磷酸鐵鋰電池。雖然近年來三元材料鋰電池占比上升，并超過磷酸鐵鋰成為動力鋰電池主流正極材料，但是比亞迪漢（鐵鋰版）Model 3的發布標志著磷酸鐵鋰電池在乘用車領域重新回歸，因此會繼續帶動石墨烯導電漿料的發展。目前鋰電池導電劑可以分為傳統導電劑（如炭黑、導電石墨、碳纖維等）和新型導電劑（如碳納米管、石墨烯及其混合導電漿料等）。當前，導電漿料還是以炭黑為主，但碳納米管導電劑占有率逐年上升，對傳統替代趨勢明顯。碳納米管和石墨烯復合導電劑具有一定的技術優勢。目前石墨烯導電漿料主要生產企業有鴻納科技、哈爾濱萬鑫等，主要用戶有比亞迪、寧德時代等。在鋰離子電池導電漿料中使用的石墨烯粉體售價約為40萬~50萬元/噸。
然而，石墨烯導電漿料在磷酸鐵鋰電池中的添加量也不宜過高，僅為2.8%~5%?？傮w來看，由于國家大力發展新能源汽車，未來石墨烯導電漿料有一定的發展空間。但是，在市場占有率和添加量都偏低的情況下，石墨烯使用量還有限。
2.大健康領域
石墨烯應用較為廣泛，如石墨烯加熱膜（圖2）和石墨烯纖維。石墨烯加熱膜市場的應用大多數還是在地暖方向，同時在地毯、墻暖畫、暖腳墊、加熱服裝、智能理療產品等也有少數應用。
長遠來看，電地暖市場可能有一定的發展空間。首先，南方地區暖氣需求量日益增多，以杭州和上海為例，2017—2018年杭州地暖市場增量約為15%，上海約為25%。其次，北方煤改電政策的大力實施也會積極帶動電地暖市場。電地暖市場的發展會間接帶動石墨烯加熱膜的發展。
但是，石墨烯加熱膜在地暖中的平均添加量僅為千分之三，用量同樣很小。而且，石墨烯大健康整體市場魚龍混雜，真假石墨烯難以辨別，某些產品售價偏高但效果不盡人意，擾亂整體市場。同時，北方市場絕大部分使用水暖，所以電地暖整體行業目前過分依賴南方的上海、杭州等市場，市場總體份額不大，短期內發展速度較為緩慢。地暖行業的質量和效果檢測在時間上有一定的滯后性，所以預計石墨烯地暖在未來5—10年可能會出現一個爆發期。
目前國內商用石墨烯纖維主要以生物質石墨烯為原料，代表企業為濟南圣泉股份有限公司。其主要產品是生物質石墨烯，以秸稈碳化制備，產能100噸/年，終端產品是石墨烯面膜、石墨烯內衣和石墨烯口罩等。生物質石墨烯成本低、產量大，市場暫未完全打開，石墨烯面膜等快消品需要拓展渠道，石墨烯口罩疫情期間銷量尚可?；瘜W法制備的石墨烯復合尼龍、石墨烯復合滌綸競爭力不如生物質石墨烯纖維。目前來看，石墨烯纖維方面未來的不確定因素較多。
總體來看，石墨烯在大健康領域的應用短期內可能不會有太大的起色，仍然需要等待市場的進一步發展和認可。
3.電子產品領域
在電子產品領域，目前發展前景較好的為石墨烯導熱膜（圖3）。石墨烯導熱膜比天然石墨的導熱性能好，在手機散熱市場有強烈的競爭性。
5G手機的發展使手機對導熱膜的要求越來越高，會直接帶動導熱膜產業。國內華為和小米在自己的產品中已經在嘗試性地使用石墨烯手機導熱膜，2019年華為在Mate20X、Mate30系列手機中使用了石墨烯手機導熱膜，2020年在P40系列手機中繼續采用石墨烯導熱膜；小米在小米10系列、Redmi K30Pro手機中采用石墨烯導熱膜。作為新一代產品，石墨烯導熱膜的散熱效果仍有待進一步認證，如果確實擁有高性價比，未來將有機會占據大部分手機導熱膜市場份額。但是，5G手機石墨烯導熱膜中石墨烯的用量仍較小，難以成為消耗石墨烯的主力軍。
4.重防腐領域及其他
目前，在重防腐領域，石墨烯一般作為添加劑添加到富鋅底漆作為重防腐涂料，可延長防腐時間，提升防腐效果。但是，石墨烯防腐涂料對石墨烯添加量精度要求較高，添加量過高會適得其反，對技術要求也較高。所以，目前仍需技術上的突破和時間上的驗證。
在其他領域中，目前石墨烯都有嘗試性的應用，如石墨烯超級電容和石墨烯電纜等，暫時都未有一定的市場規模。未來隨著技術的進一步突破，這些新興產業完全有可能迅速崛起并帶動石墨烯下游領域的快速發展。
在三大領域前景看好
政策方面，國家支持石墨烯產業的發展。2019年12月，石墨烯散熱材料和石墨烯改性電池等9中材料入選工信部發布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019版）》中。但就目前來看，石墨烯在未來較有發展前景的領域主要集中在新能源、石墨烯導熱膜和重防腐行業。
預測2025年石墨烯總體消費量約為1700噸，2020—2025年CAGR可達30.5%。在應用領域方面，隨著新能源汽車的迅速崛起，石墨烯導電漿料可能仍是未來石墨烯的主流下游應用，占比為78%；石墨烯導熱膜憑借著5G手機未來的快速發展，也成為消耗石墨烯的部分力量，占比6%；重防腐涂料和石墨烯加熱膜的占比都有不同程度的下降，分別占比7%和5%（圖4）。
總體來說，石墨烯行業仍處在成長期，還需要較長時間的積累和發展。相信隨著技術難關的突破，“黑金”石墨烯將釋放多的發展能量。
任嘉正 中國化工信息中心咨詢事業部咨詢顧問。2019年畢業于霍夫斯特拉大學，金融碩士學位。在校期間被選為投資組合分析師，對國際新產業方向有一定的研究，通過分析產業趨勢和具體公司的內部經營情況為大學進行股市投資。其專長領域包括新材料（金屬材料）、合金材料、電子化學品等行業。曾在《中國金屬行業市場研究》《貴金屬納米銀投資機會分析報告》《中國新材料行業投資機會分析及下游市場研究》等10余個咨詢項目中擔任咨詢顧問的角色。
