石墨烯专题深度报告：改变未来的关键材料

作者：国海证券 周成娟（i投资会员）

投资要点：

超级材料石墨烯：单碳原子厚度赋予其无以伦比的独特性能

石墨烯是由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格材料，只有一个碳原子厚度。它发现于2004 年，并获2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯的单原子纳米结构赋予它许多无以伦比的独特性能，它是迄今发现的厚度最薄、强度却最高、结构最致密的材料，并拥有电学、光学、化学等卓越性能，激发了全球范围内的石墨烯研发热潮。它或将成为高速晶体管、高灵敏传感器、激光器、触摸屏以及生物医药器材等多种器件的核心材料。

石墨烯：改变未来生活的关键材料

近乎完美的性能，广泛而廉价的原材料来源，石墨烯势必将带来未来人类智能生活的巨大革新。建议关注目前开发石墨烯方向较为清晰明朗的几大产业领域。

电子材料领域：

（1）柔性屏幕、可穿戴设备、太阳能充电：作为透明导电材料，石墨烯兼具高导电性和高透明性、高韧性（拉伸20%仍不断裂），石墨烯能够用于制作柔性电极，以及生产应用于触摸面板、OLED 面板、太阳能电池的透明导电膜。

（2）作为电极材料，石墨烯是绝佳的负极材料，其理论比容量是740~780mAh/g，约为传统石墨材料的2 倍多，将在锂电池负极材料和超级电容器负极材料市场占据重要地位

（3）作为替代硅的芯片材料，由于石墨烯电阻率极低，电子迁移的速度极快（单层石墨烯中的电子与空穴的载流子迁移率有望在室温下达到硅的100 倍即20 万cm2/Vs，这一数值远远超过以往被认为载流子迁移率最大的7.7 万cm2/Vs 的锑化铟）因此被期待可用来替代硅，成为更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管

散热材料领域：由于石墨烯的导热率（5300W/m•k）是常用散热材料铜的近14 倍，石墨的3.5 倍。石墨烯有希望取代石墨，解决智能手机、计算机的散热瓶颈，加速其整体性能的提高。

环保监测领域：功能化的石墨烯以及石墨烯的复合材料在污染物吸附、过滤等方面展现了巨大的应用前景。

生物医学领域：科学家发现石墨烯在细胞成像、干细胞工程、药物投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景。

产业化进程日新月异，实力不容小觑。石墨烯从被发现到获得诺贝尔奖只用了短短六年的时间，由它开启的研究领域呈现了井喷的势头，几乎每个月都有新兴的研究方向被开辟出来。2013 年1 月，欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，十年内提供10亿欧元资助，将石墨烯研究提升至战略高度。IBM、苹果、三星等巨头都分别成立了石墨烯专题组，将其作为未来产品柔性化、智能化的核心研发材料。

石墨烯A 股投资标的详解：建议关注金路集团（000510.SZ）、力合股份（000532.SZ）。 

风险提示：石墨烯材料产业化进程不达预期风险，相关上市公司研究成果不达预期风险。 

1、石墨烯：近乎完美的材料

1.1、初识石墨烯

石墨烯是一种由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010 年诺贝尔物理学奖

图：电子显微镜下的石墨烯结构

石墨烯具有卓越而独特的电学、光学、力学、化学性能，因此在诸多领域展现出宽广的应用前景。诱人的应用前景，使得旨在应用石墨烯的研发机会也在全球范围内急剧增加。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。

1.2、无与伦比的优点

图：单原子尺寸赋予“神奇材料”石墨烯无以伦比的性能特点

石墨烯具备各神奇性能，想象空间巨大。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。其高透明性和高导电性，使其也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯还可耐受1 亿~2 亿A/cm2 的电流密度，是铜耐受量的100 倍左右，传热率与金刚石相当，加之其薄片形状，所以石墨烯作为划时代的散热材料也是备受期待的。

1.3、石墨烯将在未来各个领域大放异彩 

石墨烯应用尺寸从原子尺寸扩大到宇宙。许多研究机构及厂商已经开始以具备多项穿透特性的单层石墨烯为对象，研发新一代器件的实用化。石墨烯用途分为特殊尺寸用途，电子器件用途和构造体用途，其部分用途与CNT 重叠。

图：石墨烯的应用领域

图：石墨烯技术可适用的领域

石墨烯在多个领域具有广阔的应用前景。石墨烯应用的主要开发对象之一是利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作的THz 频率的晶体管。理论上估计其工作频率可达到10THz，石墨烯可替代晶硅应用在将芯片领域，将芯片速度提高到 THz 级别。由于其高导电性、高透明性的特质，石墨烯在太阳能电池领域也让科研人员有所期待。

1.4、各国积极布局石墨烯研究

图：主要国家、地区石墨烯主要研究进展

目前主要国家和地区将石墨烯研究提升至战略高度。2011 年英国将石墨烯确定为今后重点发展的四项新兴技术之一，英国石墨烯国家实验室将于2015 年建成。2013 年，韩国产业通商资源部宣布，将整合韩国国内研究机构与企业力量推进石墨烯商业化发展，在国内形成石墨烯联盟。2013 年1 月，欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，十年提供10亿欧元资助，将石墨烯研究提升至战略高度。

图：石墨烯全球专利申请分布

各国目前都在积极进行石墨烯的研究和专利布局。根据CNIPR 数据显示，目前各国都在积极进行石墨烯应用的相关研究和专利布局。从2004 年开始，截止到2012 年6 月，全球范围内，该领域专利申请已经超过5000 件，其中美国、中国、日本专利申请均接近或超过1000 件，美国更是超过2000 件。中国相关专利申请仅次于的美国，但与其他国家差距并不是很明显。

2、石墨烯的产业化应用前景

图：石墨烯材料按应用形式分类

可在产业中应用的石墨烯材料主要分为两类，一类是石墨烯薄膜，另一类是石墨烯微片。石墨烯薄膜是由单层或多层石墨烯构成的薄膜，又细分为单晶薄膜和多晶薄膜。其中，单晶薄膜可用于制造集成电路，但距离产业化的距离还很遥远。多晶薄膜则有望在5~10 年内实现产业化应用，可替代ITO 玻璃用于制造触摸屏（特别是柔性电子产品）和其他需要透明导电材料的应用领域。石墨烯的另一个类别——石墨烯微片是由多层石墨烯（10 层以下）构成的微片，也可以细分为两类，一类是功能化的石墨烯微片，由于拥有含氧基团，可以应用在药物、检测和催化剂等特殊领域。另一类是较为纯粹的石墨烯微片，可用于导电和导热等多个领域。

2.1、电子材料领域

2.1.1、透明导电材料：实现柔性电极、可穿戴设备、高效太阳能电池等技术的关键

石墨烯的高导电性、高透明性、高韧性，使其能够用于制作柔性电极，以及用作触摸面板、电子纸、OLED面板以及太阳能电池等的透明导电膜。

图：石墨烯性质优于ITO

高导电性、高透明性让其可取代ITO。石墨烯具备较高的载流子迁移率且厚度较薄。一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质。从这一点来看，ITO 正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长关系的边缘线上（图7）。这也是超越 ITO 的替代材料迟迟没有出现的原因。

高韧性让其超越ITO。除了高导电性和透明之外，石墨烯的另一个特性是具有高韧性，能够拉伸20%而不断裂。而且石墨烯触摸屏合成对环境无害，需要资源少，并且随着生产工艺的不断改进，生产成本有望大大低于传统ITO 触摸屏。

图三星公司展示的石墨烯柔性屏幕 图可穿戴设备：让隐形眼镜能做Google 眼镜可以做的事

目前诺基亚、三星、LG 均在进行该领域的研发，希望在极具前景的柔性手机领域占据先机。此外，韩国科学家利用石墨烯的这些特点，用石墨烯银纳米导线成功地在普通的软性隐形眼镜表层加入一个发光二极管(LED)，使隐形眼镜可以显示图像，那么其他传感器都可以放臵到隐形眼镜上，可以让薄薄的隐形眼镜发挥最大的潜力。由此可见，石墨烯让电影小说里的种种科幻片变为现实了。 

石墨烯油墨打印高导电柔性电极，能应用于包括智能电话、平板电脑、平板显示器和太阳能电池。2013 年美国西北大学科学家使用含有微小石墨烯薄片油墨，以喷墨打印模式，打印出导电性能提高250 倍、折叠时电导率仅有轻微下降的柔性电极。因为所有的电子设备和电路需要高导电性和高解析度的电子接点和互连， 所以石墨烯油墨在未来可被用于电子设备和电路的组装之中，生产折叠式电子设备。

图：电子转移途径在剥离的石墨烯/锌酞菁类混合体中的情形

石墨烯太阳能电池前景可期。石墨烯具有对所有红外线的高透明性。美国科学家通过对石墨烯材料进行掺杂处理，获得了具有能量转化率高（8.6%）的掺杂石墨烯太阳能电池，研究人员表示如果石墨烯太阳能电池的能量转化率达到10%，且保持生产成本足够低，那么它们将成为市场上有力的竞争者。

图：石墨烯触摸屏的工作原理示意图 图：组装好的石墨烯触摸屏面板

石墨烯触摸屏的工作原理。触摸屏由上下两层粘在PET 薄膜上的石墨烯构成， 没有接触的情况下，两层石墨烯被下层上放臵的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候，PET 薄膜和石墨烯在压力下发生形变，这样上下两层石墨烯就发生接触，电路联通。接触的位臵不同，器件边缘电极收集到的电信号也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上的哪个位臵发生了接触。

图：2010~2017全球平板电脑出货量预测 图：2010~2016 中国平板电脑出货量预测

平板电脑需求的增加给石墨烯触摸屏的应用提供了广阔的空间。IDC 的报告表明，平板电脑全球市场增长速度快于预期，消费者正日益倾向使用平板电脑来满足基本的计算需求，如浏览网页、查阅电子邮件、观看视频。IDC 预测2017 年全球平板电脑出货量将达到4.1 亿台。就中国市场来看，2011 年平板电脑出货量已经位居世界第二位，市场份额达到8%，但是相比PC 传统产品约10%的全球市场份额，仍旧具有潜在的增长空间。在经历了近年的市场导入期之后，增长率会有所降低。2016 年中国平板电脑出货量将达到1.5 千万台。

图：2009~2012 全球智能手机出货量预测图：20010~2012 中国智能手机出货量 

除了平板电脑，智能手机的普及也促使触摸屏的需求大增。根据IDC 统计，2012 年全球智能手机出货量达到了7.2 亿台，而来自工信部的统计，2011 年我国移动智能终端出货量超过1.1 亿部，超过2011 年之前我国历年移动智能终端出货量的总和，实现了历史的跨越，在2012 年出货量达到了2.58 亿部。

2.1.2、电极材料

锂电池负极材料：助力提升其整体续航力

锂离子电池正、负极电位差产生的电能，使得锂离子可逆性嵌入或脱嵌负极材料从而实现充放电。

图：全球锂电池负极材料占比

石墨碳占97%的锂电负极材料市场。目前锂电池使用的负极材料主要是石墨碳， 按材料特性可分为三类，即天然石墨、人造石墨及中间相碳微球，总计约占97% 的负极材料市场。

表：石墨烯优异的比容量

目前作为主要锂电池负极材料的石墨碳的理论比容量仅为372mAh/g。石墨具有结晶的层状结构，易于锂离子在其中的嵌入/脱嵌，形成层间化合物LiC6，是一种性能稳定的负极材料。但石墨负极理论比容量仅为372mAh/g，因此要实现锂离子电池高比能量化，必须研发高容量的负极材料。

石墨烯大的比表面积和良好的电学性能决定了其在锂离子电池领域的巨大潜力。因为石墨烯由单层碳原子排列而成，所以锂离子不仅可以存储在石墨烯片层的两侧，还可以在石墨烯片层的边缘和空穴中存储，其理论容量为740~780mAh/g， 约为传统石墨材料的2 倍多。此外，采用石墨烯作为锂离子电池负极材料，锂离子在石墨烯材料中的扩散路径比较短，且电导率较高，可以大幅提高其倍率性能。

各国对新能源汽车的大力推广，势必会使得未来对于锂离子电池的需求量保持持续增长。科技部《国家“十二五”科学和技术发展规划》和工信部的《节能与新能源汽车产业发展规划(2011～2020)》都提出了要大力发展新能源汽车。节能与新能源汽车产业已被列入国家重点支持的七大战略性新兴产业，未来十年推广应用纯电动汽车500 万辆的战略目标和阶段目标也已出台。

图：2000~2012 全球锂电负极材料供给量 图：2000~2011 中国锂电负极材料供给量

锂电负极材料需求将继续增长。根据IIT 的数据，2011 年中国负极材料供应量达9450 吨，2011 年全球负极材料供应量达28430 吨，2012 年达到32027 吨，并预测到2015年全球负极材料供应量将达到35000 吨。

超级电容器负极材料：良好的功率特性和超快充放电速度

图：普通电容器和超级电容器结构对比

超级电容器是靠极化电解液来存储电能的新型电化学装臵。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，已被世界各国所广泛关注。

表：超级电容器与电池相关指标比较（不包含实验室数据）

超级电容器突出的特点使其可在许多领域包括新能源车中广泛使用。超级电容器具有以下主要特点：很高的功率密度；极长的充放电循环寿命，可达10 万次以上；非常短的充电时间；贮存寿命极长，几乎是无限的；可靠性高，维护工作极少；适用温度范围宽，可在－40~70 ℃使用，满足车辆动力系统在低温环境下的启动，安全性高。

图：石墨烯电极材料示意图

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、活性炭纤维、炭气凝胶、碳纳米管和模板炭等。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。

石墨烯基的超级电容器具有良好的功率特性。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。

图：用DVD刻录机制成的微型超级电容

2013 年3 月加州大学洛杉矶分校的研究人员发明了一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，令人称奇的是，该电容器不仅外型小巧，而且可以在数秒内为手机甚至汽车充电。这种电容器用仅有一个原子厚度的碳层制成，其充电和放电的速度比标准电池快100 倍甚至1000 倍。

目前超级电容器在新能源汽车领域充当辅助角色。当前的混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及燃料电池汽车都配备了用来储存能量的电池，因此，超级电容技术想介入新能源汽车领域，还需要一段很长的发展过程。从目前来看，超级电容器可扮演辅助主动力电池的角色，既可起到缓冲作用，又可延长主动力电池的寿命，同时还可增强充放电效果。