石墨烯产业发展调研报告

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石墨烯产业发展调研报告

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元，就是石墨的单层薄片。它是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》曾将石墨烯列为2008年10大新兴技术之一。在2009年12月18日出版的《科学》杂志中，“石墨烯研究取得新进展”被列为2009年10大科技进展之一。2010年10月5日，英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯（graphene）研究方面的杰出成就而荣获2010年诺贝尔物理学奖。

1.1石墨烯结构及性质

石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。

（1）导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。

（2）超高强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。

(3)超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630 m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500 m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。

1.2石墨烯的应用及市场潜力

(1)代替硅生产电子产品

硅让我们迈入了数字化时代,但研究人员仍然渴望找到一些新材料,让集成电路更小、更快、更便宜。在众多的备选材料中,石墨烯最引人瞩目。石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率（即载流子在电场作用下运动速度快慢的量度），是一种性能非常优异的半导体材料，电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的1/300，要比在其他介质中的运行速度高很多，而且只会产生很少的热量。使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到1THz（即1000GHz）。

全球半导体晶硅的市场发展稳定，根据IEK的预测，石墨烯可替代晶硅应用在芯片领域，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路，市场容量至少在5000亿元以上。

(2)石墨烯锂离子电池开启储能技术新纪元

铅酸电池具有技术成熟、价格较低等优点，但是存在严重铅污染，将被更先进的产品替代。镍氢电池具有可大电流快速充放电、耐过充过放、低温性能好等优点，但能量密度较低使其不能用于纯电动车。锂离子电池能量密度大，循环寿命长，是目前在消费电子领域应用最广泛的电池，但是其功率密度还不够大，电池满充时间需要几个小时，在纯电动车领域的应用碰到了充电难题。超级电容器功率密度高而能量密度低，无法满足续航要求，不能单独用于电动车或其他储能设备。石墨烯锂离子电池解决了“鱼和熊掌不可兼得”的难题，同时满足了能量密度和功率密度要求，开启了储能技术新纪元。

石墨烯锂离子电池可以被应用到消费电子、电动工具、电动自行车、电动汽车和储能等领域。特别是在电动汽车和储能领域，石墨烯锂离子电池具有非常强的竞争力。石墨烯锂离子电池可在几分钟内满充，将加快电动汽车产业化进程。目前的电动汽车，因为充电时间长达几个小时，在市场推广过程中遇到了充电站配套建设成本高和普通消费者对其接受度较低的问题。石墨烯锂离石墨烯能够大幅提升锂离子电池性能，未来将在负极材料领域有广阔的市场前景。根据IEK的预测，石墨烯作为负极材料应用在十分之一的锂离子电池中，其需求量在2500吨以上。更重要的是一分钟充电技术，锂离子可再石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备—石墨烯电池。它的功率密度比锂电池高100倍，能量储存密度比传统超级电容高30倍。2008-2013年全球的负极材料的需求量将保持年均20%的增长率，到2013年全球的负极材料需求量将达到3.7万吨以上。未来有1%的锂离子电池由使用石墨烯负极材料的需求，那每年对于石墨烯的需求就在250吨以上。

（3）石墨烯促进超级电容器发展

超级电容器超级电容器又称超大容量电容器、金电容、黄金电容、储能电容、法拉电容、电化学电容器或双电层电容器（英文名称为EDLC，即Electric Double Layer Capacitors），是靠极化电解液来存储电能的新型电化学装置。它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件，其批量生产不过几年时间。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。美国《探索》杂志2007年1月号，将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。

碳质材料是目前研究和应用很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中在活性炭（AC）、活性碳纤维（ACF）、炭气凝胶、他纳米管和模板炭等。而自从石墨烯被成功制备以来，人们开始探索这种碳质材料在超级电容器中的应用。

由于石墨烯具有极高的理论比表面积，结构上属于独立存在的单层石墨晶体材料，故石墨烯片层的两边均可以负极电荷形成双电层。且石墨烯片层所特有的褶皱以及叠加效果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，因此石墨烯基的超级电容器具有良好的功率特性。

目前中国市场的超级电容器年需求量可达2150万只，约1.2亿瓦时，且每年都在以约50%的速度增长，2011年全球超级电容的市场规模将达到50亿元以上，并保持着20%的增长速率。