中国在石墨烯产业化方面是具备一定优势的，应用于电池材料、功能涂料、导电油墨和散热膜的石墨烯产品均已经实现量产。我国石墨烯导电浆液、功能涂料等具备一定的产能，但存在下游市场尚未完全打开的问题：产品需求不足，生产线效益有限。目前能够量产的石墨烯触控屏为5.5英寸，适用于手机屏幕，江南设计院称其有约10万片/年的产能，而全年手机产量在十亿台数量级。此外，目前我国石墨烯产品大部分为少层或多层石墨烯混合产品，高质量的单层石墨烯膜产品研发制备不足，主要依靠进口，石墨烯复合材料、石墨烯二次电池和石墨烯电子元件的应用研发也尚处技术攻关阶段。综上，石墨烯产业发展需要资金的支持和方向性的引导，以防错失先发优势。

 

    随着石墨烯制备水平的发展和石墨烯应用技术水平的发展，石墨烯材料能够应用在更多的下游产品和领域中。中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件，光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。石墨烯制备水平和应用技术水平的发展是相辅相成的，以目前的发展水平看，电子元件领域的应用对石墨烯的质量和技术要求最高，也最难以实现，我们预计其应用在10年左右。石墨烯在消费电子类的应用主要需克服制备技术的难关，这也是目前石墨烯研究中最热点的方向，我们预计制备技术在未来1-2年内会有所突破。石墨烯复合材料和石墨烯能源类产品对石墨烯质量和应用技术均有一定要求，我们预计其在3-5年内会有所突破。

石墨烯产业发展趋势示意图

 

不同尺寸石墨烯的应用

    石墨烯在能源领域应用

 

    石墨烯在锂电池、燃料电池等二次电池中主要有以下方向的应用研究。在锂电池方面有两个研究方向，一是基于石墨烯优良的电学和化学特性对锂电池材料进行改进，通过使用石墨烯或石墨烯复合材料提升电池的能量密度、功率密度或缩短充电时间。二是利用石墨烯的力学性能制作柔性基体使得锂电池具备弯折、拉伸、甚至扭曲、折叠等功能。在燃料电池方面，部分研究证实掺氮石墨烯具备催化燃料电池反应的潜力，如果能够替代铂，就可以有效降低电池成本。最后，研究人员希望利用石墨烯高能量密度等特性制成应用于电力能源汽车的储能量大、充电快的石墨烯“超级电池”，以及超级电容器。

 

    1）应用于锂电池石墨烯在锂电池中可以改善电池的容量、重量等性能。锂电池是目前最为常见的充电电池，具有电压高、比能量高、无记忆效应、循环寿命长等特点，被广泛应用于手机、笔记本电脑等便携设备中。

 

    石墨烯负极材料能够提高锂电池理论比容量和倍率性能。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，其成本约占电芯成本的15%。石墨具有结晶的层状结构，易于锂离子在其中的嵌入/脱嵌，形成层间化合物LiC6，是一种性能稳定的负极材料，但其理论比容量仅为372mAh/g。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740~780mAh/g，为传统石墨材料的2倍多。此外，石墨烯的孔道结构使得锂离子在负极材料中的扩散路径比较短，有效提高了电导率，可以很大程度提高锂电池倍率性能。

 

    石墨烯电池材料能够提高电子传导性和循环稳定性。石墨烯作为二维碳材料，其原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格结构，具有高比表面积、优异的导电性能和化学稳定性。研究表明，对锂电池进行石墨烯包覆和金属离子掺杂可以提高材料的导电率，易于电子在集流体和正极材料的颗粒之间迁移，从而降低电池内部电阻，提高输出功率；石墨烯优异的机械性能和化学性能使得其复合电极材料具备结构稳定性，能够有效提高电极材料循环稳定性；石墨烯的二维结构能有效控制晶粒增长，使得到的颗粒尺寸控制在纳米级，改善锂离子传输通道。

 

    石墨烯柔性基体能够进一步提升能量密度，并提高电池弯曲、拉伸等力学特性。电子设备对电池产品的需求不仅局限于更轻更薄，更要求其具备一定的可扭曲和可弯折性。基于此，科学家研发了柔性锂电池，通过加入可以承载活性物质的柔性基体，实现锂电池的可弯曲性。柔性基体主要有非导电性柔性基体和导电性柔性集体两种，2012年科学家Koo、Park和Lee等人使用非导电性高分子聚合物作为正极材料的“骨架”获得全电池。2010年起中国科学家应用导电性基体石墨烯或碳纳米管作为构建导电网络的基元，制作柔性锂电池并发表了数篇论文成果。相比于高分子柔性基体电极，石墨烯或碳纳米管薄膜基体具有较强的导电性，有利于提高柔性电池快速充电性能；石墨烯复合材料能够增加电池容量，提高使用效率；石墨烯复合材料的高能量密度还使得其产品在质量和厚度方面均具有明显优势。因此，石墨烯基柔性电池是未来柔性电池高能量密度、轻量化的主流发展方向。

 

    2）应用于太阳能电池太阳能电池通过光电效应直接把光能转化成电能。太阳能电池的原理就是太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。从太阳能电池的结构可以发现，太阳光需要穿过p-n结上方的金属电极，照射到p-n结上引发光电效应，放出电子。这样的话，上方电极需要同时兼具导电性和透光性，受光反应面需要较好的导电性和相对较大的比表面积。而零带隙二维石墨烯材料具有高载流子迁移率、较好的电子传输能力、大比表面积以及高透光等特性，这意味石墨烯可以在诸多方面促进太阳能电池性能的提升。

    石墨烯同时兼具高透过性和高导电性使其可能成为透明电极应用于太阳能电池。如果说使用石墨烯替代触控屏上的氧化铟锡（ITO）是由于其具备导电性和力学特性，那么替代ITO作为透明电极更多的是利用了其导电性和光学特性——其对于包括中远红外线在内的所有红

    外线都具备高透明性。红外线占据了相当一部分的太阳辐射能量，但ITO、FTO和AZO等氧化物透明电极对红外线的透射率比较低。实际上，一般情况下载流子密度低的材料的透过率高，较容易穿过更大波长范围的光，但较高的透过率也意味着较低的导电率，最常见的例子就是玻璃——一种具有极佳透光性的绝缘体。石墨烯的颠覆意义在于其具有非常高的载流子迁移率，使得其在具有较高的透过率的同时也兼具相对较高的导电率，因而石墨烯作为太阳能电池电极材料将大大改善电池性能。

    石墨烯具有高迁移率、高电导率的特性，蜂窝状的石墨烯与有机聚合物材料复合可以形成大的给体受体界面，有利于电池中激子的扩散速率及载流子迁移率的提高，消除由于电荷传输路径被破坏产生二次聚集。而且石墨烯具有一维尖锐的刀口状边缘，具有大的电场增强系数，同时由于石墨烯自身的良好导电能力，可以作为场致发射器件中的电子传导与电场发射材料。因此石墨烯将是有机太阳能电池电子受体材料的很好选择。

    石墨烯具有独特的机械弯曲性能，可以作为太阳能电池、有机发光器件的柔性电极。这将是太阳能电池应用于更多的领域，比如为可穿戴设备供电等等。

    尽管光伏产业在过去几年经历了大起大落，但随着国家对新能源开发利用的重视程度增加，太阳能电池的产销具备持续增长能力，而石墨烯太阳能电池的研发生产也能有力助长这一趋势。

 

    3）应用于燃料电池

    燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装臵，与其他电池相比，具有能量转化效率高、无环境污染等优点。鉴于燃料电池技术尚不成熟，大部分石墨烯在燃料电池的应用尚停留在理论和实验室阶段。

    利用石墨烯类膜材料输运特性有望解决燃料电池核心部件“质子传导膜”的燃料渗透难题。中外学者发现石墨烯以及氮化硼等具有单原子层厚度的二维纳米材料可以作为良好的“质子传导膜”，其他物质很难穿越，从而解决了燃料渗透的问题。此外，升高温度或加入催化剂可显著促进质子穿越的过程3。美国麻省理工学院教授Karnik评论认为，本项研究取得的突破性进展，在理论上已经达到美国能源部设定的2020年质子交换膜输运性能目标。

    掺氮石墨烯可能成为燃料电池中性能更优的储能材料和电池阴极催化剂。燃料电池阴极通常是一个氧气接受电子和质子生成（ORR）的过程。研究者发现氮元素的掺杂改变了碳材料的电负性，使得氮原子周围的碳原子带有更多的正电荷，从而有利于氧气的吸附活化，进而促进氧气的还原，因此掺氮石墨烯可以直接作为燃料电池阴极催化剂。用掺氮石墨烯（NG）取代传统的铂/碳（Pt/C）催化剂显然可大大降低燃料电池成本。Geng等发现掺氮石墨烯在碱性条件下具有很高的氧还原活性，其性能接近商用Pt/C（4.85μg/cm2）。Dai等在对碱性燃料电池测试中发现：在较大电压范围内氮掺杂石墨烯电极的稳态催化电流为传统Pt/C电极的3倍,且具有更长时间的稳定性。Liu等采用尿素作为氮源，运用液相混合法制备氧化石墨烯与氮的前驱体，加压条件下蒸发水后，在惰性气体气氛下热处理得到Fe/NG/C，该方法获得的催化剂在碱性条件下的催化能力与Pt/C相当，在酸性条件下，其催化性能虽然不及Pt/C，但半波电势大约为0.72V，是目前报道的非贵金属催化剂中最好的ORR性能之一。Xin等发现在氨气氛围下微波加热氧化石墨烯获得NG,分别用NG和石墨烯载铂后,发现在0.5mol/L硫酸溶液中Pt/NG的电流密度为24.94mA/cm2，是Pt/NG电流密度的2倍。进一步的分析认为，碳网结构中的氮原子可以作为铂的载体，从而使铂颗粒分散的更均匀；同时，由微波加热法制备的NG产生了较少的缺陷位点，从而提高了载体的电导率。以上两者的共同作用决定了Pt/NG具有更为优异的ORR性能。在未来Pt等贵金属资源匮乏尧能源紧缺的情况下掺氮石墨烯很有可能取代稀有贵金属催化剂在燃料电池中得到广泛应用。

 

    4）应用于“超级电池”和超级电容器

    西班牙Graphenano公司宣布和西班牙科尔瓦多大学合作研发成功石墨烯“超级电池”。该一次充电时间只需8分钟，即可供电力新能源汽车行驶1000千米，而1000千米的续航里程远超过传统汽车一箱油的行驶路程，几乎接近北京与上海的直线距离。因其性能上的颠覆性而被冠以“超级电池”之称。从主要参数看，“超级电池”的其能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍；电池重量只是锂离子电池的一半；使用寿命是目前锂电池2倍，是传统氢化电池的4倍；其成本将比目前锂电池降低77%。

    超级电容器是一种新型储能装臵，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，曾被认为是可以替代化学电池的下一代储能工具。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层。随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

    石墨烯为超级电容器的发展带来转机。超级电容器的研究重点是提高能量密度和功率密度，发展具有高比表面积、电导率和结构稳定性的电极材料是关键。但由于之前缺乏合适的材料，超级电容器的发展速度不是很快。而石墨烯因具有比表面积大、电子导电性高、力学性能好的特点，符合高能量密度和高功率密度的超级电容器对电极材料的要求，被科学界广泛认为有希望成为理想的超级电容器极板材料。近日，青岛储能产业技术研究院采用石墨烯基复合电极材料路线，开发出容量可控的锂离子电容器器件，并尝试应用于电动自行车上。铅酸电池需要10小时左右方可充满电，锂离子电容器的充电时间约为1~3个小时。

    石墨烯电容器的不足。石墨烯存在着一些问题，比如其理论容量不高，在石墨烯基电极制备过程中容易发生堆叠现象，导致材料比表面积和离子电导率下降。为了解决这些问题，世界各国科研机构也在努力发展合适的制备方法，并通过对石墨烯进行修饰或与其他材料形成复合电极材料来努力克服石墨烯的缺点，使之成为促进超级电容器进一步发展的合适材料。

 

附件下载：石墨烯行业分析报告