石墨烯是21世紀(jì)最具顛覆性的新材料，具有強(qiáng)度最高、韌性最高、透光率最高、重量最輕、電子遷移率最快、導(dǎo)電性最佳的優(yōu)異特性，借助“石墨烯+”戰(zhàn)略平臺(tái)，可以為一大批傳統(tǒng)材料的性能提升與應(yīng)用拓展提供有力支撐，目前，石墨烯行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時(shí)期，大規(guī)模應(yīng)用即將到來。
本文是工信部賽迪研究院針對(duì)國內(nèi)外石墨烯行業(yè)相關(guān)政策、技術(shù)、專利、市場(chǎng)等全方位、多角度的深度分析，具有很高的參考價(jià)值，下面我們一起去看看。
一、石墨烯技術(shù)突破
世界主要國家不斷加大研發(fā)支持力度，爭(zhēng)搶產(chǎn)業(yè)化制高點(diǎn)。
2010年石墨烯發(fā)現(xiàn)者獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)后，全球科技界和工業(yè)界競(jìng)相關(guān)注，截止目前大約有80多個(gè)國家和地區(qū)開展石墨烯及其應(yīng)用研究。近兩年來，石墨烯產(chǎn)業(yè)化方向逐漸清晰，石墨烯研發(fā)支持力度不斷加大。美國、歐盟及其成員國、日本和韓國等先后從國家戰(zhàn)略高度開展相關(guān)部署，出臺(tái)多項(xiàng)支持政策和研究扶持計(jì)劃。隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的出臺(tái)，石墨烯扶持力度加碼，國家、地方政府、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟通過多種手段支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
總體上，前期世界各國的支持政策主要集中在石墨烯基礎(chǔ)研究；目前大多集中在石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈中游，以石墨烯功能器件研發(fā)為主；預(yù)計(jì)未來5到10年，各國對(duì)石墨烯行業(yè)的支持仍將集中在石墨烯中游產(chǎn)業(yè)鏈，以進(jìn)一步加快石墨烯產(chǎn)業(yè)化。
表1 推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的政策措施
眾多科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)紛紛進(jìn)入，但國內(nèi)外差異顯著。
不完全統(tǒng)計(jì)，全球有近300家公司涉足石墨烯研究，包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學(xué)、通用、杜邦、施樂、洛克希德-馬丁、波音、諾基亞、三星、LG、日立、索尼、3M、東麗、東芝、華為、輝銳、深圳鴻海等。
國外高校和企業(yè)掌握了大量核心專利，在石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中扮演著重要角色。韓國三星、美國IBM、韓國成均館大學(xué)、韓國科學(xué)技術(shù)研究所、日本東芝公司、美國賴斯大學(xué)等具有較高的影響力。
國內(nèi)相關(guān)研究主要集中在高校和中科院，有80多所一流大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)涉足石墨烯，但在企業(yè)層面只有深圳鴻海具有一定優(yōu)勢(shì)，且專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于三星、IBM等國外企業(yè)，石墨烯研發(fā)過程中企業(yè)的主體作用亟待進(jìn)一步加強(qiáng)。另一方面，國內(nèi)研究多集中于bottom-up方法制備、在鋰離子電池電極中的應(yīng)用以石墨烯復(fù)合材料方面，在半導(dǎo)體器件方面實(shí)力弱，產(chǎn)業(yè)布局亟待進(jìn)一步優(yōu)化。
表2 國外部分知名研究機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介
圖1 國內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)分布
石墨烯技術(shù)突飛猛進(jìn)，世界各國加快專利布局。
2010年后，全球石墨烯相關(guān)論文和專利數(shù)量呈井噴式增長(zhǎng)。根據(jù)切薩布魯夫技術(shù)生命周期理論，石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處于技術(shù)成長(zhǎng)期，且技術(shù)演化趨勢(shì)正由石墨烯制備工藝向具體應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。從1991年開始至今，全球共發(fā)表石墨烯相關(guān)SCI論文137690篇。
其中，中國、美國、韓國和日本發(fā)表論文數(shù)量位居全球前四名，占比分別是34.2%、18.9%、7.5%和5.4%。從1994年開始至今，全球共有12518件石墨烯相關(guān)專利。從技術(shù)原創(chuàng)國專利申請(qǐng)數(shù)量看，中國、韓國、美國、日本申請(qǐng)的專利量位居全球前四，占比分別是50%、14%、6%和6%，中國石墨烯相關(guān)專利量具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。從目標(biāo)申請(qǐng)國專利申請(qǐng)量看，中國是專利布局的重點(diǎn)，其后依次是美國、韓國、WO、日本和歐專局。
從各原創(chuàng)國的技術(shù)申請(qǐng)范圍看，韓國、美國和日本都在積極進(jìn)行專利全球布局，但我國專利海外布局薄弱，亟待進(jìn)一步加強(qiáng)。從石墨烯專利技術(shù)申請(qǐng)領(lǐng)域看，2013年之前，石墨烯相關(guān)研究主要集中在制備領(lǐng)域，2011年至2013年間制備技術(shù)專利占石墨烯專利申請(qǐng)比例達(dá)38%。隨著制備技術(shù)的完善與成熟，石墨烯專利申請(qǐng)不斷向下游應(yīng)用拓展，并開拓出新的領(lǐng)域。2013年至2015年間，全球新增大量關(guān)于復(fù)合纖維、涂層、功能薄膜、水處理等新興領(lǐng)域的石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)，其中關(guān)于石墨烯基復(fù)合材料的專利申請(qǐng)幾乎翻翻，而制備技術(shù)專利的申請(qǐng)比例降至約29%。
表3 石墨烯相關(guān)標(biāo)志性事件和成果
二、市場(chǎng)前景分析
石墨烯產(chǎn)業(yè)化方向明確，相關(guān)制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)亟待突破。
目前，石墨烯處于產(chǎn)業(yè)化初期，主要應(yīng)用在鋰電池導(dǎo)電添加劑、涂料、導(dǎo)熱膜等低端產(chǎn)品。全球各國根據(jù)本國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化資源制訂了不同的技術(shù)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)和路線圖，如歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃技術(shù)路線圖、韓國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)路線圖、《中國制造2025》石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖、中國臺(tái)灣石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖等，明確了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重點(diǎn)、方向和路徑，已解決當(dāng)前相關(guān)產(chǎn)品制備技術(shù)存在成本高、技術(shù)不成熟、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問題，開發(fā)針對(duì)特定場(chǎng)合的多形態(tài)和特性石墨烯基材料的制備和結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)。未來將重點(diǎn)突破以大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量、品質(zhì)均一可控和多尺度為特征的石墨烯制備技術(shù)，大力發(fā)展石墨烯高精尖應(yīng)用技術(shù)以及下游產(chǎn)品開發(fā)，不斷拓展石墨烯相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。
圖2 歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃技術(shù)路線圖
圖3 《中國制造2025》石墨烯材料技術(shù)路線圖
石墨烯產(chǎn)業(yè)爆發(fā)點(diǎn)已經(jīng)形成，未來將爆發(fā)式增長(zhǎng)。石墨烯已經(jīng)過了炒作熱期，企業(yè)已經(jīng)將注意力從石墨烯制備轉(zhuǎn)移到應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)爆發(fā)點(diǎn)已經(jīng)形成。當(dāng)前，一些公司已具備提供石墨烯的能力，但主要應(yīng)用于試驗(yàn)和應(yīng)用研究，真正實(shí)現(xiàn)高端應(yīng)用的較少，且相關(guān)企業(yè)的年產(chǎn)能大多不超過百噸級(jí)。隨著政策支持力度加大、資本投入以及宏量制備技術(shù)的突破，未來5~10年，多數(shù)企業(yè)年產(chǎn)能將達(dá)到千噸級(jí)，少部分大型企業(yè)年產(chǎn)能有望達(dá)到萬噸級(jí)。
美國擁有IBM、英特爾、波音等眾多大型企業(yè)，良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境催生了眾多小型石墨烯企業(yè)，產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)展較快，產(chǎn)業(yè)布局呈多元化，已形成相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋從制備及應(yīng)用研究到石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)直至下游應(yīng)用全環(huán)節(jié)。歐盟擁有諾基亞等大型企業(yè)以及眾多小型專業(yè)化石墨烯企業(yè)，主要從事石墨烯粉體、石墨烯薄膜、石墨烯復(fù)合材料制備，較少涉足下游應(yīng)用，未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
英國有多家大型企業(yè)從事石墨烯開發(fā)及商業(yè)化推廣，同時(shí)涌現(xiàn)出眾多專業(yè)從事石墨烯研發(fā)的新興企業(yè)，來自政府的支持力度很大，其產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程加快，產(chǎn)業(yè)格局與歐洲整體相似。
韓國和日本石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中CVD石墨烯薄膜制備及其在電子器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。
國內(nèi)石墨烯企業(yè)多為處于成長(zhǎng)期的中小企業(yè)，企業(yè)數(shù)量初具規(guī)模，但龍頭企業(yè)數(shù)量不多、規(guī)模相對(duì)較小，制約著整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和完善。
表4 國外主要企業(yè)情況
表6 國內(nèi)主要企業(yè)分布
石墨烯市場(chǎng)前景廣闊，有望產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。全球各大研究機(jī)構(gòu)紛紛對(duì)石墨烯市場(chǎng)前景和規(guī)模進(jìn)行了預(yù)測(cè)。綜合國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的分析結(jié)果，未來5~10年將是全球石墨烯產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期，各行業(yè)對(duì)石墨烯的需求量將不斷增加。對(duì)石墨烯的近期需求主要來自復(fù)合材料和涂層，集中在汽車、塑料、涂層、建筑、金屬、電池、航空以及能源和儲(chǔ)能領(lǐng)域。對(duì)石墨烯的中長(zhǎng)期需求主要集中在電子和光電領(lǐng)域及儲(chǔ)能領(lǐng)域。隨著石墨烯行業(yè)的深入發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?/p>
表7 石墨烯市場(chǎng)預(yù)測(cè)
圖4 2023年石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域分布
三、加快我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展
石墨烯研究是我國少數(shù)位于世界前列的科技領(lǐng)域之一，與國際先進(jìn)水平相比具有發(fā)展快速、水平相當(dāng)、國際同步、部分領(lǐng)先的特點(diǎn)。但國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈不成熟、下游應(yīng)用環(huán)節(jié)未打通、市場(chǎng)需求有待培育、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)有待加強(qiáng)等制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題突出。為此，
制定國家級(jí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。當(dāng)前，我國在石墨烯領(lǐng)域尚缺乏國家層面的宏觀規(guī)劃，與國外相比仍有較大差距。建議盡早制定國家層面的石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化路線，明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展的階段目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)、重大工程、資金來源及政策措施等，確定合理的組織框架，推動(dòng)材料、設(shè)備、工藝和應(yīng)用并行發(fā)展，促進(jìn)上下游的協(xié)調(diào)發(fā)展。
提升企業(yè)創(chuàng)新能力。
一是以企業(yè)為主體，實(shí)施“政產(chǎn)學(xué)研用融”協(xié)同創(chuàng)新，建立石墨烯國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室或工程中心，鼓勵(lì)生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)交叉持股、戰(zhàn)略合作，設(shè)立聯(lián)合研發(fā)平臺(tái)，支持生產(chǎn)企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)和應(yīng)用企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)研發(fā)項(xiàng)目和科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，突破石墨烯制備、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)瓶頸，加快科技成果轉(zhuǎn)化，打通石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈。二是石墨烯產(chǎn)業(yè)作為引領(lǐng)整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的材料革命的新興產(chǎn)業(yè)，不能遵循傳統(tǒng)內(nèi)生式產(chǎn)業(yè)發(fā)展軌跡，引導(dǎo)企業(yè)開展產(chǎn)業(yè)組織創(chuàng)新，加快發(fā)展“企業(yè)+研發(fā)機(jī)構(gòu)+孵化器+加速器”的發(fā)展模式。三是依托龍頭企業(yè)、科研院所等，加快建成一批石墨烯材料及器件技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化平臺(tái)及專利和標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)，提高石墨烯產(chǎn)業(yè)高端服務(wù)能力。
推動(dòng)石墨烯應(yīng)用發(fā)展。
石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于沒有形成完整成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，研發(fā)制備企業(yè)和下游應(yīng)用企業(yè)脫節(jié)，市場(chǎng)需求尚未全面打開。一是加快應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，鼓勵(lì)企業(yè)聯(lián)合科研院所、高校開展相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)研發(fā)，擴(kuò)大石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)。二是推進(jìn)首批次產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范，扶持一批具有行業(yè)帶動(dòng)作用的企業(yè)實(shí)現(xiàn)在重點(diǎn)需求領(lǐng)域的率先應(yīng)用，構(gòu)建與各類應(yīng)用相適應(yīng)的市場(chǎng)化運(yùn)作機(jī)制，建成一批高水平示范項(xiàng)目。三是依托有關(guān)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)、行業(yè)聯(lián)盟或企業(yè)，加快制定工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等，積極參與制定石墨烯國際標(biāo)準(zhǔn)，加快石墨烯標(biāo)準(zhǔn)國際化進(jìn)程，將石墨烯研發(fā)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)，掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展的話語權(quán)。四是石墨烯應(yīng)用技術(shù)多處于中試階段，市場(chǎng)前景不確定，一旦量產(chǎn)將引起價(jià)格下降，甚至技術(shù)擴(kuò)散導(dǎo)致行業(yè)惡性競(jìng)爭(zhēng)，必須建立健全行業(yè)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)研發(fā)生產(chǎn)和商業(yè)化的有機(jī)融合。
加大資金支持力度。
國外在石墨烯發(fā)展過程中給予了持續(xù)的資金支持，我國雖然通過國家自然科學(xué)基金已經(jīng)陸續(xù)資助超過3億元用以石墨烯相關(guān)項(xiàng)目，但資助體量相比國外仍有提升空間，特別是在歐盟10年10億歐元支持石墨烯產(chǎn)業(yè)和國內(nèi)石墨烯企業(yè)仍顯弱小的大背景下，我國應(yīng)進(jìn)一步加大資金扶持力度。一是在國家層面設(shè)立重大科技專項(xiàng)，出臺(tái)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃，進(jìn)一步加大對(duì)石墨烯技術(shù)創(chuàng)新的支持力度；二是盡快出臺(tái)后續(xù)補(bǔ)貼和激勵(lì)政策，充分激發(fā)企業(yè)和市場(chǎng)積極性；三是大力發(fā)展符合石墨烯產(chǎn)業(yè)特征的金融產(chǎn)品和服務(wù)，支持天使投資、科技支行、科技保險(xiǎn)、科技小貸等新型金融業(yè)態(tài)，制定和完善風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)償、基金扶持等政策；四是落實(shí)首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備保險(xiǎn)補(bǔ)償機(jī)制，推動(dòng)石墨烯生產(chǎn)首臺(tái)套裝備和首批次石墨烯的推廣應(yīng)用。
加強(qiáng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)建設(shè)。
一是加強(qiáng)石墨烯專利分析與戰(zhàn)略研究、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制研究，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)向的石墨烯專利池。二是支持具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的項(xiàng)目開發(fā)，鼓勵(lì)相關(guān)機(jī)構(gòu)通過PCT途徑申請(qǐng)國際專利，加強(qiáng)海外專利布局。三是加強(qiáng)在Bottom-up途徑制備石墨烯、半導(dǎo)體器件應(yīng)用、以及設(shè)備等技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作和技術(shù)轉(zhuǎn)移，引導(dǎo)和支持設(shè)備專利和應(yīng)用專利申請(qǐng)，形成規(guī)模化專利申請(qǐng)布局。
