石墨烯产业应用前景广阔核心提示：由于石墨烯所具备的优异性能，未来在能源、电子材料、生物医学以及环境保护等诸多领域有着广阔的应用前景。由于石墨烯所具备的优异性能，未来在能源、电子材料、生物医学以及环境保护等诸多领域有着广阔的应用前景。能源领域作为锂电电池负极材料：大幅提升续航能力负极材料是锂离子电池的四大关键材料之一，约占整个电芯成本的 15%。锂电池负极材料的主要种类有天然石墨，人造石墨，中间相炭微球及其他类型。石墨类负极材料仍然占据锂电负极材料的主流地位，但新型负极材料等的研发与应用也在迅速发展。石墨烯具备高理论比容量。石墨具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构、在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，但石墨的理论比容量只有372mAh/g，因此要实现锂离子电池高比能量化，单纯的石墨显然不能满足要求，必须研究开发高容量的负极材料。石墨烯大的比表面积及其良好的电学性能决定了其在锂离子电池领域的巨大潜力。由于石墨烯是由单层碳原子紧密排列构成，锂离子不仅可以存储在石墨烯片层的两侧，还可以在石墨烯片层的边缘和孔穴中存储，其理论比容量为740780mAh/g，约为传统石墨材料的 2 倍多。石墨烯可大幅提升锂电池性能。用石墨烯作为锂离子电池负极材料将极大提高电池储锂容量，进而提高能量密度。此外，用石墨烯作为锂离子电池负极材料时，锂离子在石墨烯材料中的扩散路径比较短，且电导率较高，可以很大程度提高其倍率性能。因此，石墨烯作为锂离子电池负极材料具有良好的应用前景。政策助推锂电池产业发展。国家十二五规划提出要大力发展新能源产业，对相关行业或企业给予政策支持和财政补贴。近两年，新能源汽车行业得到了迅速的发展。特斯拉进入中国引起了一番新能源汽车的热潮。同时，也极大刺激了对锂电池的需求，推动了负极材料市场的发展。负极材料市场规模保持高速增长。以 2013 年 CCID 数据为例，中国负极材料总体出货量约 3.6 万吨，整体市场规模约为 26 亿元，而且近几年都保持了至少 20%的增长率。预计到 2015 年，中国负极材料总体出货量超过 5.5 万吨，而全球的负极材料出货量则将达到近 12 万吨。作为电容器电极材料：助推超级电容器发展超级电容具备法拉级静电容量。超级电容器，又名电化学电容器，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，超级电容器电荷距离远比传统电容器所能实现的距离更小，活性炭电极表面积成数量级增大，使得超级电容较传统电容器而言有超级大的静电容量，这也是其超级所在。超级电容能量密度低于锂电池。超级电容器充电时间极短，这是相对于电池的优势。然而超级电容的低能量密度，限制了其作为主动力源(行情 ,问诊)的应用。目前超级电容器的能量密度普遍低于 20wh/kg，而锂电池的能量密度平均水平在 100wh/kg 以上。在新能源领域超级电容一般作为锂电池的辅助电源，制动时回收能量，爬坡，加速时提供峰值高功率，减少高倍率放电、频繁启动对锂电池的损伤。石墨烯将影响未来电池格局。超级电容受到电极材料的制约，最大的性能缺陷在于其能量密度过低，难以作为单一储能能源提供长效功率输出，而石墨烯的出现可望改变这一现状。超级电容的负极材料主要是活性炭，活性炭具有高比表面积、多孔径等特点。而石墨烯却有着更高的比表面积和更好的导电性能，同时石墨烯自身的独特褶皱以及叠加效果，可以形成纳米孔道，保证了电极的多孔性能。石墨烯可使超级电容能量密度接近锂电池。从目前看到技术进展看，石墨烯有望提升超级电容能量密度达到 10 倍以上。将可以大大改变目前超级电容性能上的不足。目前世界石墨烯超级电容器最先进水平大约可以达到 90Wh/kg，已经接近普通的锂电池。一旦超级电容器突破了能源密度瓶颈，同时具备了高功率密度与高能量密度，必将在电池能源领域占据主导地位。超级电容市场规模迅速扩大。超级电容可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、风光发电、交通工具、智能三表、电动工具、军工等领域具有非常广泛的应用前景。根据美国能源局测算，超级电容的市场容量从 2007 年的 40 亿美元，增长到 2013 年的 120 亿美元。而中国市场超级电容 2013年则达到了 19.2 亿元人民币，随着新能源汽车在中国市场的快速发展，将进一步推动对超级电容的需求，预计到 2016 年，中国超级电容市场规模将达到 33 亿元，年增长率保持在20%以上。作为太阳能电池透明电极：提高光电转化效率是关键太阳能电池用透明导电膜，对透光度和导电性都有很高的要求。目前透明电极的主流材料是氧化铟锡，但 ITO 里的金属离子容易自发扩散，且热稳定性较差。另外，ITO 在作为太阳能电池对电极的时候，需在其表面镀一层铂，来增强其导电性，这大大增加了制备成本。石墨烯具备全光线透过性能。石墨烯是一种超薄、透光性良好且电性能优异的导体材料，且石墨烯对所有红外线具有高透明性，有利于提升光能利用率，这是 ITO 所不具备的。透光率升高会导致载流子密度的降低，但由于石墨烯具有非常高的载流子迁移率，即使载流子密度非常小，也能确保一定的导电率。这使得石墨烯成为替代 ITO 作为太阳能电池透明电极的理想材料。石墨烯有望大幅提升太阳能电池转换效率。目前市场上量产的单晶与多晶硅太阳电池太阳能电池的转换效率在 15%左右，仍是一个比较低的水平。用石墨烯作为透明电极材料，有望大幅提升转化率，充分利用太阳能。最近有些研究机构正在积极进行光电转换层材料的开发，一些红外线高效转换技术也相继面世。这样一来，如果可以利用对红外线透过度也较高的透明导电膜如石墨烯，那么就可期待实现远远超过现有太阳能电池的转换效率。电子材料领域作为透明电极：替代 ITO 广泛应用于触摸屏，显示器等石墨烯能很好的满足透明导电膜的要求。石墨烯具有高透明性，强韧性以及优良的导电性能。可以用于制作柔性材料，生产用于电容触摸屏，柔性 LCD 面板，柔性 OLED 显示器等，是替代 ITO 作为新型透明导电膜的理想材料。石墨烯更具备 ITO 不具有的柔性特征。与 ITO 相比，石墨烯除了具备作为透明导电膜所必须的良好的透明性和导电性，更具备了强韧性这一 ITO 不具备的性能，这使得石墨烯在柔性屏方面有着 ITO 不能企及的应用优势。美国纽约时间 2013 年 5 月 15 日，全球石墨烯材料开发技术领导者蓝石科技展示了其突破性的多点触控柔性触摸屏，这项技术可运用于智能手机、平板电脑及笔记本电脑上。以石墨稀材料技术制作的柔性触摸屏可让不规则或弧形的移动设备实现先进的多点触控功能。石墨烯触摸屏触控原理。石墨烯触摸屏由上下两层粘在 PET 薄膜上的石墨烯构成，没有接触的情况下，两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候，PET 薄膜和石墨烯在压力下发生形变，这样上下两层石墨烯就发生接触，电路连通。接触的位置不同，器件边缘电极收集到的电信号也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触。平板电脑需求的增加以及智能手机普及率的不断提升给石墨烯触摸屏的发展应用提供的广阔的空间。根据 NPDDisplaySearch 的预测，平板电脑的出货量不断攀升，预计将从2014 年开始完全超越笔记本电脑的出货量。2014 年全球平板电脑出货量将增至 3.15 亿台，到 2017 年，平板电脑出货量将攀升至 4.55 亿台，占到所有移动电脑出货近 75%的市场份额。NPDDisplaySearch 预测，2017 年全球智能手机出货量将达到 18 亿部，未来五年智能手机的复合年均增长率将达到 21%。智能机出货的增长将主要来自于亚太地区，特别是中国。中国智能手机出货量预计在 2013 年增长 63%，至 2017 年将占到全球智能手机市场的 30%，达到 5.4 亿部。可穿戴设备市场的飞跃给石墨烯带来了巨大的机遇。由于可穿戴设备对屏幕柔性要求较高，特别是要求达到可折叠，可大幅度弯曲，拥有高韧性的石墨烯是解决这一问题的理想材料。石墨烯助力可穿戴设备发展。石墨烯不仅可以满足可穿戴设备屏幕柔性的要求，还可以直接用于可穿戴设备的传感器，据相关媒体报道，美国科学家日前用石墨烯开发出一种只有指甲盖大小的红外线图像传感器。不同于目前常见的中红外和远红外图像传感器，新技术无需笨重的冷却装置就能运行，首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。不仅如此，由于体积小、重量轻，它甚至能够集成到隐形眼镜或手机中，未来还有望在军事、安保、医学等多个领域获得应用。可穿戴设备市场空间巨大。根据 NPDDisplaySearch 可穿戴式设备市场及预测报告显示，可穿戴式设备市场如移动追踪器、通知装置、智能手表及头戴式显示器等，在 2013年开始起飞。市场成长动能可望拉升今年出货量达 4800 万台，随着各厂商陆续推出以及消费者的采用知觉提高，预计于 2015 年可穿戴式设备市场将达到全球 9200 万台。且同时有别于 2013 年为止的市场成长动能， 2014 年起中国大陆将成为全球最大的市场，预计到2020 年全球可穿戴式设备市场将达 1.53 亿台。透明导电膜之争：石墨烯 vsITO透明导电膜是光电器件的核心部件。透明导电膜是在可见光范围内具有高透明率且具有导电特性的一种薄膜，为晶粒尺寸数百纳米的多晶层，主要用于光电器件如 OLED 的透明电极、触摸屏透明导电膜、薄膜太阳能电池的透明电极等。透明导电膜的性能指标主要有两个：透光度和导电性，理想的透明导电膜要求在透光度和导电性两个方面都达到较高的水平。透明导电膜应用主要以 ITO 材料为主。ITO 导电膜导电性能好，电阻率可达 10-4？cm ，可见光透光率高，可达 85%以上。高的可见光透光率与相当低的电阻率结合在一起，使 ITO 薄膜成为目前综合性能最优异的透明导电材料之一。在制程上，ITO 以磁控溅镀工艺为主，即用高能粒子轰击靶材，使靶材中的原子溅射出来，沉积在基底表面形成薄膜的方法。透光度和导电性二者存在矛盾。透明导电膜的两个性能指标指标存在着此消彼长的关系，透光度越高往往导电性就比较差，反之亦然。一般来讲，在电阻率一定的情况下，要使导电性增加，就必须增加导电膜层数，这使得透光度下降。影响电阻率大小的因素主要包括载流子浓度、载流子迁移率等，载流子浓度或载流子迁移率越大，薄膜的电阻率就越小。石墨烯是理想的透明导电膜。从图中可以看出，ITO 正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长关系的边缘线上。这也是超越 ITO 的替代材料迟迟没有出现的原因。而石墨烯却能满足这一关系成为理想的透明导电膜。其原因是，由于载流子迁移率非常高，即使载流子密度较低，导电性也不容易下降，而通过叠加多层石墨烯可以明显提升载流子密度，与此同时透光度仍能满足要求。ITO 透明导电膜存在短板。ITO 透明导电膜仍是当前触控面板最主要的应用材料，但其却又诸多不足：主要原料铟有剧毒，且是稀土元素，蕴藏量日益减少、铟价持续走高导致原料成本偏高、过度集中单一技术。ITO 机械性能很差，经不住折绕，无法应用于柔性电子器件，需刻蚀和久用后会泛淡黄光，不装防反射膜难以提高透光率等等。特别是机械性能的短板，限制了其在柔性触摸屏、曲面屏等具有巨大发展潜力的市场上的应用。而石墨烯能很好的解决 ITO 导电膜当前的一系列不足，石墨烯能满足透明性与导电性的要求，强韧性能拓展柔性电极应用领域。同时，石墨烯能透过红外光，这对于提升光能转换效率十分关键。石墨烯取代 ITO 还需自身制作工艺。与已经产业化生产的 ITO 导电膜相比，石墨烯目前还存在许多问题，由于制作大面积石墨烯时会混入很多杂质及缺陷，因此大多数试制品的导电性及透明性都未达到 ITO 的水平，要真正的取代 ITO，石墨烯在制作工艺上还需要大幅改进。作为芯片材料：新一代的晶体管、电子元件石墨烯具备高载流子迁移率。石墨烯电子迁移速度极快，是硅的 100 倍，是被认为载流子迁移率最大的锑化锢的 2 倍多