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【世经研究】石墨烯行业发展加速 谨防陷入低端陷阱

 Lesley_cc 2018-06-08

作为前沿材料,石墨烯行业近年来在我国发展迅速,企业数量不断增加。与此同时,各地积极出台政策推动石墨烯行业发展。目前国内已建成或在建的石墨烯产业园、石墨烯创新中心、石墨烯研究院等已超过30家。然而我国石墨烯申请专利较为低端,虽有很多企业都声称已经实现石墨烯大规模生产,但是市场频繁遇冷,资本减退,企业盈利遥遥无期,产业系统规划不足,未来将会陷入产业低端陷阱,高端被欧美垄断的局面。

一、行业现状

(一)国家大力支持的新兴产业

石墨烯各方面优异的特性显示出巨大的应用潜力与商业化价值,各国政府先后发布政策投入人力物力,开展石墨烯的应用与研发。我国对石墨烯领域的研究与开发也较早就给予了关注。2007-2012年,中国国家自然科学基金委员会对石墨烯项目累计资助经费达到3.30亿元,科技部和中国科学院对石墨烯的累计资助经费分别达到了5915万元和4605万元。十二五规划、十三五规划等一系列文件都将石墨烯纳入大力发展的新材料领域。

截至2017年年底,我国在工商部门注册,营业范围包含石墨烯相关业务的企业数量达4800家。目前,中国已是石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。

(二)石墨烯专利多而不强

在国家战略指引下,石墨烯相关研发成果呈现出爆发式增长,2005 年至2014 年,全球关于石墨烯的专利共有25855 项,其中 2014 年有超过 9000 项申请。我国对石墨烯的研究和开发与国际一直保持同步,并在石墨烯技术研发方面处于国际前列,石墨烯研发和专利持有已在全球占据一席之地。2017年,全球石墨烯受理专利量58%来自中国。从重要专利申请人国别看,申请数量不少于60件的共有76个申请人,其中8个来自美国,3个来自日本,16个来自韩国,而来自中国的达49个,处于绝对领先地位。在2018年1月举行的国家科学技术奖励大会上,就有5个石墨烯相关项目获奖。

在专利上,虽然我国占据全球专利数量第一的位置,美国位居第二;但是美国的专利质量水平很高,且申请主体以IBM、英特尔等大型跨国公司为主。其专利布局重点在集成电路、晶体管、传感器、信息存储、增强复合材料等领域,同时注重对整个产业链的全面布局和保护。我国受制于科研考评体系和专利制作的不完善,很多时候是“为了专利而专利”,整体重数量轻质量。专利申请主体以高校科研院所为主,企业仅占30%左右,且以中小企业为主。布局领域近半数集中在复合材料,其次为储能、水处理器、传感器,缺乏系统性。

例如,在上述提到的49个中国申请人中,只有5个是企业,其余主要是高校和科研院所。这意味着创新主体多为中小企业,高校科研院所的专利技术转移转化程度则很低,导致国内石墨烯相关专利布局较为松散,尤其缺乏高端应用专利申请和布局。近年来,我国石墨烯专利国际布局有所加强,但仍缺少整体规划,目标申请国主要是美国。反观美日韩等发达国家,早已开始石墨烯高端应用专利布局。长此以往,石墨烯高端应用技术将会被国外垄断。

二、行业应用领域

(一)锂电池方面应用

石墨烯作为导电添加剂还可以解决钴酸锂等正极材料高压实比与电池性能之间的矛盾问题,采用石墨烯导电剂的钴酸锂电池容量高出3%,且具有明显更好的2C倍率放电性能。石墨烯还可涂覆在铝箔集流体上,形成石墨烯功能涂层铝箔有助于进一步提升锂电池的综合性能。随着宁波墨西科技有限公司石墨烯涂层铝箔试生产线的建成,此项新技术有望在锂离子电池中得到广泛应用。值得一提的是,作为添加剂,石墨烯仅仅增强了正极材料的导电性,并没有改变电极材料的比容量,因而不会大幅增加锂电池的能量密度。要想大幅增加锂电池能量密度,需选取具有更高比容量的电极材料。目前,多篇已发表论文称利用石墨烯-硫或石墨烯-硅作为锂电池的正负极可大大增加锂电池的能量密度,但此类电池目前还处于实验室阶段,距离产业化应用还需较长时间。

(二)石墨烯导热材料

石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数,同时比表面积巨大,因此作为辅助散热的表面涂层具有巨大的应用前景。利用石墨烯可制成具有高导热系数的石墨烯散热片/膜,应用于手机、电脑等电子产品以及高功率LED芯片中,以增强器件性能,延长其工作寿命。此外,作为添加剂还可利用石墨烯制成石墨烯改性的复合材料,如热导纤维和导热塑料等。该技术领域市场巨大,在我国的电子和工程领域有迫切的市场需求,技术难度小、工艺相对成熟,有快速进入市场的机会。

(三)石墨烯导电塑料和油墨

石墨烯可作为新型导电油墨和塑料的主填充料,也可与纳米银粉等混合配制成新型导电浆料或油墨,通过改变石墨烯的填充比例,可调节导电油墨的电阻率和附着性能。美国Vorbek材料公司的石墨烯导电油墨已经在物联网隐形条形码技术中开始应用。我国物联网市场巨大,前景诱人,以添加石墨烯为主的导电塑料可以在防静电应用领域得到大力推广,工艺简便、成本低廉、效果明显。

(四)石墨烯防腐涂料

石墨烯独特的二维结构使得它既可以在涂层中构建导电导热通道,又可以互相拼接形成严密的迷宫式物理屏障,隔绝腐蚀因子。因此,石墨烯涂料具有导电、导热、防腐、电磁屏蔽等多种功能。另外,石墨烯微片可以增强涂层的附着力,使涂层具有优良的耐磨和耐刮擦性能。因此,石墨烯涂料在飞机、船舶、车辆、桥梁、建筑物、集装箱、油罐、等领域具有应用前景。

(五)石墨烯电容屏

石墨烯薄膜最先实现商业化应用的领域是触摸屏领域,用于替代传统的ITO(氧化铟锡)薄膜。2012年1月8日,江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技公司联合相关企业通过研究实现了石墨烯薄膜材料和现有ITO模组工艺线的对接,全球首次成功制成石墨烯电容屏手机样机。2015年3月2日,重庆墨希科技有限公司与嘉乐派科技有限公司联合发布了全球首批3万部石墨烯手机,该款手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜,开启了石墨烯产业化应用的新时代。

三、行业主要风险

(一)原材料风险

石墨是制备石墨烯的重要原料,中国具有较大的石墨储量,但同时也有190多家石墨开采企业,每年开采晶质石墨和隐晶质石墨过百万吨。由于各种原因,一些企业滥采乱掘、采富弃贫,导致大量石墨资源浪费。

按照目前的开采方式和速度,最多20年,国内已探明的石墨资源将消耗殆尽,届时中国将要从国外高价进口石墨,由石墨大国变成石墨贫国。这给中国石墨烯产业的后续可持续发展带来严重隐患。

(二)市场风险

中国的石墨烯从业企业超过千家,但与海外三星、IBM、诺基亚、英特尔、陶氏化学等大公司推动石墨烯材料产业化应用不同,中国的从业企业主要将石墨烯材料作为添加剂使用,是对传统产业进行修补。

目前,国内真正能规模化量产单层石墨烯的企业不到10家,一些企业和机构出于通过资本炒作获得收益的投机心理,一味夸大行业的产能和产值,造成市场盲目跟风。

另有一些企业将单层和多层混为一谈,把厚度远远超过10个原子层的石墨烯微片或石墨烯纳米片产品也混称为石墨烯,造成业界认识的混乱。

一些地方政府也推波助澜,不管是否具备条件,都急于上马建设石墨烯产业园区。初步统计,目前全国有将近20个石墨烯产业园已经建成或正在建设之中,但其功能性都差不多,未来必定会出现严重的同质化竞争,低价格局将导致企业盈利能力下降,不利于行业的发展。

(三)融资风险

目前中国的石墨烯从业企业以中小企业和初创企业为主,骨干大部分是科研院校出来的研究人员,市场开发和维护能力不强,导致企业的盈利能力很低,风险系数较高。而金融机构据此多数持观望态度,企业普遍存在融资难问题。如果后续还是缺乏外来资本的介入,中国这些中小石墨烯从业企业最终会因财务危机而退出市场。

(四)技术风险

目前国内研究多集中在基础研究领域,如bottom-up方法制备、石墨烯在锂离子电池电极中的应用、石墨烯复合材料等;而欧美发达经济体的研究则主要集中在光电器件、传感器、医药和环保材料等高端应用领域。相比之下,中国石墨烯技术研发成果的未来经济可期性较差。

四、行业风险防范

石墨烯行业未来发展较好,预计2018年全球石墨烯市场规模可能高达1.95亿美元,之后将加速发展,于2023年超过13亿美元,复合增长率高达47%。2023年石墨烯下游主要市场领域包括超级电容、显示、结构材料等。随着导电添加剂、防腐涂料、触摸屏等低端应用领域的产业化将趋于成熟,超级电容、传感器、电子芯片等中高端领域也将逐渐进入产业化,石墨烯产业将进入快速成长期,市场空间将快速扩大。但是在此形势下依然要谨慎防范产业低端陷阱,建议介入技术较好,具备市场竞争力的企业,对于盲目扩大生产,技术水平较为低端的企业谨慎介入。此外,也要关注行业并购情况,对于专利技术较好的企业进行择优支持,加强对竞争力较差企业的融资风险管控。



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