核心观点：
在《基础化工行业前瞻研究》系列报告中，我们试图对基础化工行业发展的前沿领域进行跟踪研究。本篇报告是此系列报告的第一篇，阐释新型材料石墨烯的前世今生。
1、石墨烯：一种神奇的材料
石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块，其具有最薄、最大比表面积、最硬、最抗拉等诸多史上最强性质和高性能传感器功能、类似催化剂功能等独特性质。目前主要有4种制备石墨烯的方法：微机械剥离法、气相沉积法、外延生长法、氧化石墨还原法。
2、目前，质量较高的工业级石墨烯尚不能量产
3、应用领域广泛
由于其独特的物理化学性质，石墨烯在多个领域具备应用价值。其在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、显示器等传统行业和新兴行业的应用都将带来革命性进步。
4、石墨烯基础科研如火如荼
2010年之后，全球关于石墨烯的基础科研工作开展得如火如荼。目前处在研究最前沿的国家为中国、韩国、美国，主要机构为科研院所和企业。从研究领域分布看，国际上石墨烯研究热点主要在材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究、纳米材料研究等。
5、产业化路途漫长
由于技术障碍等因素的存在，石墨烯真正实现产业化还有很长的路要走。但是，包括中国在内的多个政府组织和科研机构仍在为实现石墨烯产业化应用持续投入，并在多领域加速布局。
6、上市公司石墨烯研究动态
我国一些上市公司已开始涉足石墨烯领域。我们根据公告进行了梳理，相关公司包括金路集团、中国宝安、烯碳新材、力合股份、中泰化学、华丽家族、乐通股份、悦达投资、康得新、方大碳素等。
7、风险提示
1、生产技术仍未突破;2、下游大规模应用尚需时日;3、石墨烯生产和应用成本仍然较高。
一、石墨烯定义、性质
(一)石墨烯定义
"中国石墨烯产业技术创新战略联盟"发布的1号标准文件中，对石墨烯的定义如下：石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯、和少层石墨烯的统称。
单层石墨烯是指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯是指由两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA'堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
少层石墨烯是指由3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯发展历史。石墨烯作为当下最热门的新材料之一，其经历了如下的发展历程：
(二)石墨烯性质
石墨烯的出现，有望在构造材料、电子器件功能性材料等诸多领域引发材料革命。由于其具有许多特殊性质，有日本的研究人员惊呼石墨烯是"神仙创造"的材料。许多学者称石墨烯为"改变21世纪的材料"，并预测"21世纪将是碳(C)的时代"。
相比于现有材料，石墨烯拥有众多"史上最强"性能。
最薄的材料：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，厚度大约为0.335nm，相当于一个头发的20万分之一，1毫米厚的石墨中有将近150万层左右的石墨烯。
最硬的材料：石墨是矿物质中最软的材料，其莫氏硬度只有1-2级。但是，如果石墨被分离成一个碳原子厚度的石墨烯时，其性能则发生突变，硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高。
超大比表面积：理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，普通的活性炭的比表面积仅为1500m2/g。超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。
强导电性：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，所以石墨烯拥有超强导电性。
除此之外，石墨烯还有众多"独特"的特点：
二、应用领域广泛
由于其独特的物理化学性质，石墨烯有望在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、显示器等传统行业和新兴行业带来革命性进步，一旦量产将成为下一个万亿级产业。
(一)锂电池电极材料
1.石墨烯可作为新型锂电池负极材料
石墨烯可作为新型的锂电池负极材料。根据高工锂电调研统计，2013年全球负极材料总产量达到5.85万吨。目前全球负极材料大多以石墨类为主，其中天然石墨占比为59%，人造石墨为30%，中间相炭微球为8%，其他类型为3%。新型的负极材料包括钛酸锂、不定型碳、硅碳复合材料、锡基合金、金属合金、石墨烯等。
石墨烯作为锂电极材料极具优势。主要体现在以下几个方面：(1)石墨烯具有极高的比表面积，因此化学反应速度和材料利用率更高;(2)石墨烯具有优良的导电和导热性。其本身具有良好的电子传输通道，导热性保证了其稳定性;(3)聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨，使得锂离子在石墨烯片层之间的扩散路径较短;且片层间距也大于结晶性良好的石墨，更有利于锂离子的扩散传输。
目前以特斯拉为代表的电动车正不断扩大对锂电池的需求，然而电动车充电时间长仍然是未能解决的难题。以特斯拉为例，行驶500公里后必须停下来充电5小时，而由于石墨烯的上述优势，其作为电极材料可能解决上述难题。韩国光州科学技术院的研究人员正在对一项新型石墨烯电池技术进行研究，研究表明这种新型电池可将电动汽车的充电时间缩短至16秒，并且不影响能量密度。
2.石墨烯在锂电池领域潜在需求空间巨大
石墨烯作为一种补充改性材料，对提高锂电池充放电性能具有不可替代的作用。因此，石墨烯在锂电池行业的应用前景非常广阔。
电动车用锂电池市场规模。2012年，全球电动车市场规模为21亿美元。2013年，在特斯拉、宝马、丰田等新能源汽车带动下电动车用锂电池的市场规模增速达到90%，预计这种高速增长会一直持续到2018年，2020年电动车用锂电池市场规模有望达到351亿美元。
智能电子设备领域锂电池市场规模。在智能电子设备行业，由于智能手机、相机、游戏机等电子产品的普及和更新换代，目前智能电子设备用锂电池市场规模为173亿美元，自2010年以来保持20%左右的增速。预计到2020年，智能电子设备对锂电池的需求量将达到541亿美元。
(二)超级电容器
1.石墨烯可应用于超级电容电极材料
超级电容器是一种靠极化电解液来存储电能的新型电化学装臵。它具有功率密度高、循环次数多的特点，在各类需要能源转化的领域有着巨大的应用价值。
目前，研究和应用最广泛的超级电容器电极材料主要是碳质材料，包括活性炭、活性碳纤维、碳纳米管等，其中最为成熟的是活性炭。
比较发现，石墨烯与其它碳材料相比，比表面积大、电导率高、化学稳定性好，这些优良的性能使石墨烯及石墨烯基材料成为超级电容器电极材料有力竞争者。
石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层。但是，在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，使得形成有效双电层的面积减少。如果其表面可以完全释放，则将获得远高于多孔炭的比容量。
在石墨烯片层叠加而形成宏观聚集体的过程中，通过控制条件使其形成的孔隙集中在2.0nm以上，有利于电解液的扩散。此外，石墨烯独特的二维结构使其不需要添加剂或黏结剂就能够通过控制微观结构自组装成三维宏观结构而直接用于超级电容器。
2.超级电容市场规模
美国IDTechEx公司报告显示，全球超级电容器市场将从2013年的8亿美元增长到2018年的31.3亿美元，预计年复合增长率将达到30.2%。
(三)电子显示器件
1.石墨烯可应用于电子显示器件
目前，主要的电子显示器件都由氧化铟锡材料(ITO)构成，主要因其优异的导电和透光性能。这种材料主要源自稀土，不仅价格高，易碎，而且有毒。目前越来越多的厂商开始采用石墨烯、纳米银、碳纳米管等新兴材料来取代传统的氧化铟锡。
石墨烯取代ITO主要有几点优势：
第一，石墨烯原材料易得。ITO的原料为稀有金属铟，这种金属在全球储量很低。美国矿业协会2008年公布的数据显示，已发现的铟矿储量仅能使用到2028年，而2010年以来铟的使用量更是在快速放大。随着各国对稀土资源的保护加强，其成本不断飚升，从02年92美元/千克到现在的930美元/千克。相比而言，石墨烯的原材料主要是石墨和金属基底材料，从原材料成本和可得性来看，石墨烯远优于ITO;
第二，石墨烯透光率好。石墨烯具有透光率好的优点，只吸收2.3%的光，几乎完全透明。
第三，石墨烯的柔韧性极佳。其能够拉伸20%而不断裂，还能够制作可折叠、伸缩的柔性显示器件。
第四，石墨烯具备耐高温、防水、防碱盐腐蚀等多种优异性能。虽然目前制作大面积石墨烯时，会混入很多杂质，也会产生很多缺陷，导致大多数石墨烯制品的导电性及透明性都尚未达到ITO的水平，但是石墨烯应用于触摸面板领域将会是大势所趋。
2013年中国科学院重庆绿色智能技术研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯;此前，韩国三星和成均馆大学也宣布制成了石墨烯可折叠式显示器。
2.电子显示器件市场空间
电子显示器件在液晶显示屏、手机显示屏等领域有广泛应用，其市场空间巨大。在液晶显示屏方面，2013年全球液晶显示器出货量达1.4亿台，中国2013年液晶显示器面板出货量为1.6亿片。
在手机触控屏幕领域，2013年全球手机触控屏幕出货量超过11亿片，中国市场2013年全年出货量为4.3亿片，并还有上升的趋势。
基于电子显示器件行业的广阔市场容量，石墨烯替代部分ITO导电玻璃前景乐观。
(四)半导体材料
1.石墨烯可应用于半导体
石墨烯是一种性能优异的半导体材料，被誉为21世纪取代硅的材料。理论上而言，石墨烯的电子迁移率和空穴移动率相等，其n形场效应晶体管和p型场效应晶体管是对称的;此外，石墨烯还具有零禁带特性，在室温下，载流子在石墨烯中平均自由程和相干长度可以达到微米级别。因此，采用石墨烯器件的计算机芯片运行速度可以比目前的计算机快500-1000倍。此外，由于电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，产生的热量较少，所以石墨烯还可以解决目前笔记本电脑散热困难的问题。
在实际应用中，2011年，IBM沃森研究中心的科学家在《Science》上发文宣布，他们成功研制出了首款由石墨烯圆片制成的集成电路，这一成果也被评为了2011年全球十大科学新闻之一，它标志着石墨烯在计算机芯片上的应用前进了一大步。这块集成电路建立在一块碳化硅上，由一些石墨烯场效应晶体管组成，它还可以运行得更快，未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片。届时，由这类集成电路制成的芯片可以改进手机和无线电收发机的信号，或许可以使手机能在通常认为无法接收信号的地方工作。
2.半导体市场空间
目前全球硅片的出货量已经超过90亿平方英寸，石墨烯材料替代硅晶片带来的市场空间可观。
在其他半导体设备方面，2013年传感器全球销售额达到80亿美元，在2011年后，其增速保持平稳状态。2013年全球集成电路销售额为2506亿美元，市场空间巨大。如果假定石墨烯将替换10%的硅材料市场份额，则石墨烯在半导体材料领域的市场空间将超过300亿美元。
三、制备原理及方法
目前制备石墨烯的方法主要有4种：微机械剥离法、气相沉积法、外延生长法、氧化石墨还原法。
到目前为止，还没有形成一种成熟的方法大规模地生产质量较高的工业级石墨烯。下面列出以上四种基本制备方法的对比。
上述各种制备方法各有优劣。从产业化的角度来看，目前适合大规模量产的生产方法仅有气相沉积法和氧化石墨还原法。
(一)微机械剥离法
微机械剥离法是直接将石墨烯薄片从较大的石墨晶体上剥离下来的方法。2010年曼彻斯特大学Geim教授和Novoselov博士就是使用该方法分离出石墨烯。
该方法的优点在于操作相对简单，且可以获得其他方法无法实现的极高品质的石墨烯片;缺点在于难以控制所获得的石墨烯的大小和层数，并且不适宜大规模量产。
(二)气相沉积法
化学气相沉积(CVD)是一种能够规模化沉积半导体薄膜的制备技术，目前在工业上应用最为广泛。该方法是在真空中将甲烷等碳素源加热到1000℃，使其分解，然后在Ni及Cu等金属箔上形成石墨烯膜。2010年6月韩国成均馆大学与三星电子研究所宣布，通过该方法开发出可制得30英寸单层石墨烯的制造工艺以及采用这种石墨烯膜的触摸面板。
该方法优点在于工艺简单，能够制备大面积石墨烯薄膜。缺点在于：(1)在1000℃高温下采用的工艺只能以分批处理的方式推进;(2)存在反复转印过程中容易混入杂质的问题;(3)理想的基片材料单晶Ni的价格昂贵，使得综合制造成本偏高。
(三)外延生长法
外延生长法又叫做热分解法，是以单晶碳化硅(SiC)为原料，将SiC基板加热到1300℃左右去除表面的Si，剩下的碳原子自发性重新组合形成单层或者多层石墨烯片。IBM公司在2010年1月将原来的机械剥离法改为此方法制成了石墨烯FET。
该方法的优点在于可以得到尺寸较大、质量较高的单晶石墨烯;缺点包括：(1)石墨烯片很难转印到其他基板上，只能使用昂贵的SiC基板;(2)工艺条件苛刻，必须在高温和超高真空条件下实现。
(四)氧化石墨还原法
氧化石墨还原法是日本三菱化学开发的氧化石墨烯法。这种方法首先使石墨烯氧化，之后放入溶液内融化，最后在基板上对齐还原。
该方法优点在于需要温度较低、简单且成本低廉，可大面积制造透明导电膜及以及采用涂布工艺制作的TFT，是目前公认最容易实现工业化生产的方法。缺点在于，在氧化还原的过程中，石墨烯的电子结构及晶体完整性容易受到强氧化剂的破坏。因此，由此方法制备的石墨烯很难保证具有充分的导电性和透明性。
四、基础科研现状
石墨烯从其诞生至今不过10年光景。2004年为石墨烯科学研究的萌芽阶段，随后即进入快速成长阶段;从2008年开始，尤其是在2010年石墨烯发明者获得了诺贝尔奖之后，关于石墨烯的基础科研工作开展得如火如荼。
下文从专利分布、研究机构分布、研究领域分布和主要研究成果等方面梳理目前石墨烯的基础科研动向。
(一)专利分布
目前全球共有超过200个机构和1000多名研究人员从事石墨烯技术的开发和研究，其中包括三星、IBM等科技巨头。我们通过最近几年的专利申请情况对目前石墨烯的研究进展进行概览。
从专利申请总量来看，2010年以来全球石墨烯专利申请总量呈爆发式增长;2012年全球石墨烯专利申请量已经达到3500个，可见目前全球范围内正在掀起石墨烯研究与开发的高潮。
从石墨烯专利申请国别分布来看，2013年全球石墨烯专利申请量最大的是中国，其次为美国、韩国和日本。在石墨烯相关论文方面，欧盟排名第一，2013年共发表了7800篇论文;就国别而论，依然是中国排名第一，共发表了6649篇论文。
总体而言，目前中国已经处在石墨烯研究的前沿阵地;但是，从研究深度和创新性而言，非常核心的技术和创新性技术中国仍未掌握。
(二)研究机构分布
从事石墨烯研究的机构比较广泛，包括学术研究机构、企业、个人和政府层面。比较普遍的研究模式是学术研究机构与企业的合作，例如韩国三星与韩国成均馆大学合作对石墨烯的制备基础方法和应用开展研究。
从研究机构专利数量口径看，在前十名中，有4家机构来自韩国，4家来自中国，2家来自美国。并且，6家机构都是科研院所或独立科研机构，4家为企业。其中，专利数量最多的是韩国三星电子，其专利申请数量为210个，占全球总量的7.3%，其研究范围涵盖了石墨烯制备方法和在显示屏、锂电池领域的应用;其次为韩国成均馆大学、浙江大学、IBM、清华大学等。
(三)研究领域分布
从石墨烯研究领域分布看，全球研究热点主要在材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究、纳米材料研究等。
中国石墨烯研究热点主要分布石墨烯纳米复合材料、石墨烯制备、石墨烯电极等方向。
我们统计了前20位主要研究机构的重点研究领域，发现研究热点分布于：(1)复合材料;(2)碳纳米管;(3)电容器;(4)传感器;(5)晶体管;(6)透明电极;(7)锂电池;(8)燃料电池。上述研究大多属于石墨烯应用，而关于石墨烯的制备改进工艺或者大规模量产石墨烯的基础研究非常少。
(四)最新研究成果
在石墨烯制备方面，最新的研究成果是在生成单晶石墨烯的方法上，目前有两种方法已经能获得直径约为1mm的单晶石墨烯和直径为25px的单晶石墨烯，但是这两种方法各有优劣。
在石墨烯应用方面，最新的研究成果包括把作为光敏元件(PD)的光增益提高到了原来的约1000倍、提高柔性湿度传感器的响应时间等。在锂电池、半导体、传感器、无线通讯、电容器、电子元件、海水淡化等多个领域都有重大突破。
在众多最新研究成果中，属于中国研究机构的成果依然稀少，印证了前文中我们提到的，虽然中国在专利申请和论文发表方面在国际领先，但是在真正的研究前沿方面距离美国、日本和韩国等国家仍有一定差距。
五、产业化前景展望
(一)石墨烯产业化蓝图
欧盟就石墨烯在光子和电子领域的项目开发提出了未来的蓝图，其预计透明导电膜将最先实现。实际上，2013年三星就开发出了采用石墨烯试制的可以用于实用化水平的触摸面板。
上面蓝图主要描绘的是电子和光子领域的应用，实际上石墨烯的应用远不止光子和电子。但是，所有的蓝图规划都必须依托于石墨烯量产，目前石墨烯的生产还仅仅局限于实验用层面，并未大规模量产用于商业用途。
(二)产业化障碍
阻碍石墨烯产业化的因素主要包括：(1)技术障碍;(2)石墨烯下游市场能否打开;(3)石墨烯制备成本问题。
1、技术障碍
在技术方面，目前石墨烯面临两方面障碍：第一，目前没有找到获得大面积单晶石墨烯的工业合成法;第二，未确立获得带隙的方法。
2、市场问题
石墨烯下游产业链尚未形成，目前还处于前期专利布局期，对石墨烯需求最大的也仅仅是各大科研院所和实验室，并没有大量石墨烯投入产业化运营。
总体而言，目前石墨烯产量、质量及成本问题并未获得下游应用市场的认可，市场化应用推进困难重重。
3、价格问题
由于无法量产，石墨烯制备成本一直居高不下。此前石墨烯价格高达5000元/克，比黄金还贵10几倍。
成本昂贵阻碍了下游产业化。因此，未来的突破点是如何找到更便捷的制造石墨烯的工艺手段，降低成本。
(三)中国产业化现状
中国石墨资源丰富，石墨储量和产量均为全球第一，具备开展石墨烯产业化研究的天然条件。
工信部在2012年印发的《新材料产业"十二五"规划》中提出，加强纳米技术研究，重点突破纳米材料及制品的制备与应用关键技术，积极开发纳米粉体、纳米碳管、富勒烯、石墨烯等材料，这对石墨烯行业的发展奠定了坚实的政策基础。同时，国内各省也都积极地对石墨烯研究和产业化应用进行布局。
六、上市公司石墨烯研发动态
面对石墨烯的开发热潮和无限前景，国内部分上市公司也开始涉足这一领域。以下为根据公司公告整理的研发动态。
(一)金路集团
2011年金路集团与中国科学院金属所达成协议，出资1500万元用于石墨烯及产业化的研发，主要方向是石墨烯透明导电薄膜、三维网络散热材料以及动力电池电极材料三个方面。公司与中科院金属所共同完成的"石墨烯材料的规模化制备技术"于2012年11月11日通过四川省科技厅的成果鉴定。
2014年5月，公司下属全资子公司金路树脂有限公司获得乳液原位聚合制备石墨烯-聚氯乙烯纳米复合材料的方法和原位悬浮聚合制备石墨烯-聚氯乙烯纳米复合树脂的方法两项发明专利。
从2014年起，公司与中国科学院金属研究所合作的石墨烯研发应用项目产生的研究成果和知识产权，由德阳旌华资产投资经营有限公司代表高新区管委会享有该合作成果总权益的10%;高新区管委会每年给予公司500万元资金支持石墨烯研究开发和应用，时间为5年(从2014年到2018年)。
(二)中国宝安
中国宝安石墨烯的应用开发主要集中于石墨烯导电添加剂及其复合电池材料和石墨烯透明导电薄膜，如磷酸铁锂-石墨烯复合材料、硅-石墨烯复合材料都在持续测试中。
专利技术方面，2013年8月，公司收到"带状石墨烯制备方法"的发明专利书。2014年5月，全资子公司贝特瑞纳米科技有限公司收到"一种石墨烯透明薄膜的制备和转移方法"的发明专利书
2014年6月，贝特瑞与中铁资源集团有限公司签署合作协议，以中铁资源拥有的石墨矿权和贝特瑞拥有的石墨加工技术和市场为依托，在石墨采选和深加工方面展开合作，从而实现互利共赢。
(三)烯碳新材
2013年12月，公司与清华大学核能与新能源研究院签署了《关于新能源用烯碳新材料研发的合作协议》。协议内容包括石墨烯纸的制备工艺和应用研究等。
公司2014年起变更主营业务，石墨类产品、石墨烯及纳米碳、碳素类等烯碳新材料产品等纳入主营业务范围。
(四)力合股份
力合股份间接持有江苏常州二维碳素科技有限公司1.679%股权。2013年5月，二维碳素年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线建成投产，石墨烯触控手机新品也随之发布，石墨烯产品正式形成市场销售;公司预计在2014年达到20万平方米石墨烯薄膜材料生产能力。
(五)中泰化学
中泰化学持有厦门凯纳石墨烯科技有限公司35%股权。厦门凯纳共向国家知识产权局申请了17项发明专利，其中被授予4项发明专利权;1项实用新型专利权。公司与厦门凯纳主要进行石墨烯与PVC项目的研发合作，目前处于试验阶段。
(六)华丽家族
公司第一大股东南江集团旗下控股的宁波墨西科技有限公司于2012年4月组建，专注于石墨烯材料的生产和应用技术开发，通过引进中国科学院宁波材料技术与工程研究所的石墨烯产业化技术，于2013年底在慈禧建成了全球首条年产300吨石墨烯生产线，公司将根据市场需求适时启动二期扩产工程，将产能提升至1000吨。
(七)乐通股份
公司出资2400万元与宁波墨西科技签订合作协议，设立合资公司共同研发和生产石墨烯油墨产品，可用于打印可折叠设备的高导电柔性电极，公司持有合资公司80%股权。
(八)悦达投资
公司2012年将石墨烯新材料纳入主营业务。2013年10月，公司出资2000万全资设立江苏悦达新材料科技有限公司。新材料公司设立后，公司将持有的江苏悦达墨特瑞新材料公司70%的股份转至新材料公司。目前，该公司研发的石墨烯导热膜已引进两条生产线，其中第一条已建设完成，进入工艺调试阶段。新材料公司计划2014年生产石墨烯导热膜8万平方米，销售石墨烯导热膜7.2万平方米。
(九)康得新
公司2014年8月公告拟在江苏省张家港市设立全资子公司张家港康得新石墨烯应用科技有限公司，经营范围拟定为石墨烯新材料技术的研发及应用、石墨烯相关产品的研发、生产及销售等。
(十)方大碳素
公司2013年5月获得发明专利证书，发明名称为以石灰石为原料制备石墨烯的方法。
七、风险提示
1、生产技术仍未突破;
2、下游大规模应用尚需时日;
3、石墨烯生产和应用成本仍然较高。
原标题：深度报告：解密“黑金子”石墨烯的前世今生（附股）
