石墨烯新的市场发展前景

发布时间:2018-9-5 16:17:20      点击次数:188

目前,新材料 “十三五”规划编制已经基本结束。公开信息显示,其中前沿新材料领域,将重点发 展石墨烯、3D打印、超导、智能仿生等4大类14个分类材料,并形成一批潜在市场,规模在百亿至千亿级别的细分产业。新材料“十三五”规划将催生万亿级别的大市场,石墨烯作为性能优异的前沿材料,其产业化将迎来跨越式发展的历史机遇。

全球石墨烯专利最为集中的前五个领域分别为锂电子电池、生化传感器、超级电容器、催化剂及导电复合材料。 在锂电子电池应用方面的专利数最多,为646件,占所有领域专利数的12.7%。可见石墨烯的应用研究在锂电池领域最为成熟,在产业化推广上的技术难度最低。

根据石墨烯在电子领域的下游需求情况、应用优势及产业主要障碍分析可得出石墨烯首先会在锂电池电极添加剂领域实现产业化。由于石墨的锂电池电极添加剂的研发技术较为成熟,且量产难度主要在于复合材料中石墨烯分布的均匀性,在合成控制及成本方面具有优势,因而相比其他电子领域,其产业化时间更早。其次为为导热 膜及触摸屏,由于研发技术较为成熟,产业化预期比柔性导电膜及超级电容提前1-2年。

从产业链上看,鳞片石墨矿经过初加工及深加工后制成石墨烯制品。石墨烯在锂电池中的添加形式主要有导电添加剂、电极复合材料及直接作为负极材料三种形式。添加石墨烯后的锂电池则在主要运用与智能手机、笔记本电脑、移动电源及可穿戴设备、电动交通工具及工业储能等下游领域。

全球动力锂电池市场规模逐渐扩大,2012年动力锂电池市场规模约为300亿元,预计每年保持约30%的 平均增长率,至2020年全球动力锂电池市场规模达到2100亿元,为2012年的7倍。 与此同时,各国动力锂电池厂家纷纷扩增产能,以中国为例,2017年国内预计扩增 产能约为15.2Gwh,而15年国内动力锂电池总产能为18.97Gwh,产能扩张将近80%。

全球便携式锂电池市场规模自2012年以来逐 年增长,预计未来在2020年以前保持每年约10%的平均增长率。其中锂电池在手机、 平板电脑及笔记本方面的需求量将保持8%的年平均增长率,预计2017年便携式锂电 池在手机、平板电脑及笔记本方面的需求量达到45,000MWh。

当前国内石墨烯初具规模的厂家主要青岛昊鑫、东莞鸿纳新材料、北京墨烯、德阳烯碳、济宁利特和第六元素,随着国内锂电池下游产能的扩张,以及生产技术的进步,厂家的研发动力十足,发展前景可期。

石墨烯导电剂按照溶剂类型,可分为水浆料、NMP浆料、粉末类导电剂。在水 浆料和NMP浆料型导电剂中,石墨烯含量一般为5.0±0.1wt%,分散剂含量为0-0.5 wt%。粉末类石墨烯导电剂,需要添加水或NMP及分散剂,配制成水浆料及NMP浆,料型导电剂后才可添加于锂电池正负电极中。

石墨烯相比传统导电 剂,其接触方式主要为“面对点”,由于其极薄的颗粒尺寸及晶相内自由移动的电子 使得石墨烯的粉体导电率达到1000S/cm,为导电碳黑的100倍。在导电添加剂用量 为1-6wt%的范围内,石墨烯导电剂的电阻率均仅为同浓度的导电碳黑1/40-60,仅 为同浓度碳纳米管1/10左右。关于放电性能上,在10C、电池容量为0-133mAhog-1时,石墨烯的放电电压明显高于导电碳黑,由此可知,石墨烯的电学性能远优于传统导电剂。

当前制备石墨烯的方法主要有微机械玻璃法、气相沉积法、外延生长法及氧化石墨还原法。决定量产的关键因素是产品的尺寸,其次是制造成本与产品质量。氧化石墨还原法及气相沉积法均可制得大尺寸的石墨烯,前者虽然易导致石墨烯分子结构破坏但具有成本优势,后者尽管成本较高但具有质量优势。石墨烯制备方法的成熟为产业化提供了前提条 件,我国政府也在《中国制造2025》中明确提出要在2020年实现石墨烯原材料规模化生产。预计在政府的支持及生产技术的改进下,石墨烯原材料产业化进程将加速,而石墨烯导电剂在充足的石墨烯原材料供应的条件下,将会迅速在下游市场中得到大规模推广。

根据Graphenea统计,当前CVD法,生产单层石墨烯的成本约为7欧元/平方厘米,未来几年内随着石墨烯生产工艺的成熟,生产成本将进一步降低。预计2020年,CVD法生产单层石墨的成本将降至0.07 欧元/平方厘米。石墨烯生产价格的大幅降低,将使石墨烯导电剂突破成本瓶颈,从而以更加合理价格占领下游市场。

根据石墨烯产业联盟的统计数据,2015 年石墨烯导电剂的价格为 230 美元/千 克,与碳纳米管导电剂价格大致相同。但是,石墨烯导电剂价格下降的幅度将远超 于碳纳米管导电剂价格的下降幅度,预计到2020年,石墨烯导电剂价格将降至113美元/千克,碳纳米管价格依然维持在200美元/千克的水平,石墨烯导电剂的价格优势逐渐凸显。

石墨烯复合电极材料主要可分为正极复合材料及负极复合材料,相比纯电极材料,能够大幅改善电极循环性能,减少传荷电阻,使电极导电性明显改善。

国内当前石墨烯复合电极相关专利约有124项,其中2014年公开专利51项,专利数为历年最多。其中涉及锂电池的石墨烯电极复合材料约为14项,以负极运用为主。专利申请人中企业仅占35%,可见锂电池石墨烯复合材料的研发主体依然为科研机构,然而亦有多家企业投入研究。由于石墨烯在锂电池复合电极材料中研发技术相对较成熟,考虑到合成工艺控制因素,预计产业化时间将比石墨烯导电剂晚1-2年。

综合来看,石墨烯的市场前景还是比较广阔,更重要的是技术专利科研方面的投入,以及国家政策与市场的结合。

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