石墨烯：等待突破的材料之王

前言：

石墨烯材料性能優異、應用廣泛，有廣闊的市場空間和持續的增長潛力。遠期隨著制備成本的下降以及產品應用的開發，石墨烯材料的滲透率和使用量有望迎來飛速提升。雖然目前石墨烯業務在相關上市公司盈利中貢獻還不大，但積極涉足石墨烯產品的公司值得持續跟蹤關注。

▌石墨烯:新材料之王

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳奈米材料，單層的石墨烯是由一層密集的碳六元環構成，它的厚度為0.335nm左右，是目前為止最薄的二維奈米碳材料。

實際上石墨烯本來就存在於自然界，只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。

英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯材料擁有其他材料所不具備的特殊性能，如優異的電學性能、出色的機械性能、極高的導熱性、超大比表面積、優異的阻隔性能等，使其在眾多領域具有傳統材料所無法企及的應用價值，因此被稱為「新材料之王」。

石墨烯可運用的領域十分廣闊，主要集中在能源、環境、電子、化工等行業，尤其是在電子行業的鋰電池材料、超級電容器、OLED、柔性屏、傳感器、晶片等領域，以及化工行業的塗料、吸附、淡化等領域。

▌ 石墨烯產業鏈:中上遊發展較快，下遊應用仍待突破

石墨烯上遊主要是石墨烯研發、石墨烯設備、石墨烯原料。

中遊是石墨烯制備，包括氧化石墨烯以及石墨烯薄膜，氧化石墨烯層數比較多，石墨烯薄膜在10層以下，石墨烯面積以及質量決定下遊石墨烯用途。

下遊主要是石墨烯應用領域，包括在能源、電子、復材、環保等領域都有非常大的潛在商業價值。

石墨烯自從2004年被發現以來就引起全球各國大力關注，近年來大陸政策的推進速度與覆蓋範圍不斷加大，吸引了大量的產業資本不斷投入到石墨烯的相關研究與商業化應用方面。

其中，2015年10月發布的《中國製造2025》明確了石墨烯在戰略前沿材料中的關鍵地位，強調其戰略布局和研制，努力做到石墨烯產業「2020年形成百億產業規模，2025年整體產業規模破千億」的發展目標。

根據CGIAResearch統計的數據，2017年全國擁有石墨烯相關研發、設備、制備、銷售、應用、投資、檢測、技術服務的單位數量達到4871家，同比增長28.93%。

但實際開展石墨烯業務的企業約2600家。其中從事技術服務、銷售、投資及檢測的企業有1477家，占據近一半的比例，從事石墨烯相關研究的研發機構有217家，設備和制備的企業(機構)有340家，下遊應用方向的企業數量為623家。

上遊石墨:國內資源儲量豐富，原料質量有競爭力

石墨是制備石墨烯的重要原料之一，根據美國地質調查局(USGS)的統計，2017年全球石墨儲量2.7億噸，土耳其、巴西和中國資源最為豐富，分別占全球總量的33%、26%和21%，合計占比達到80%。

盡管土耳其石墨儲量世界第一，但資源以隱晶質石墨為主，主要應用於中低端產品，而巴西和中國以晶質石墨為主，資源戰略地位高於隱晶質石墨。

產量方面，近十年來大陸石墨產量穩居全球第一，目前國內年產量穩定在80萬噸左右，大幅領先第二名巴西產量9.5萬噸，在全球產量占比中基本保持在65%~70%，可以說中國掌控著全球石墨資源的供應。

國內分區域來看，以2016年數據為基準，大陸晶質石墨保有資源儲量約2億噸，主要分布在黑龍江(43%)、內蒙古(27%)、四川(7%)、山西(6.5%)、山東(5.4%)，5省市儲量合計占比約89%。隱晶質石墨資源儲量約6485萬噸，主要分布在內蒙古(58%)、湖南(14.7%)、吉林(13.7%)、廣東(5.9%)，4省區儲量合計約占全國的92%。

整體來看，大陸原材料石墨資源儲量及產量處於全球領先水平，且資源區域分布較為集中，品質以用於高端化應用的晶質石墨為主。

中遊制備:粉體技術領先於薄膜

石墨烯產品可以分為薄膜和粉體兩類:石墨烯粉體多摻雜在其他材料中使用，多應用於塗料和鋰離子電池領域;石墨烯薄膜則因透明、導電、柔性好等優點，在電子、光子及光電設備領域的應用十分廣泛，極具發展前景。

目前，比較主流的石墨烯制備方法有氧化還原法、化學氣相沉積法、液相剝離法和外延生長法，不同制備方法獲得的石墨烯在品質和成本上差別較大，相應產品的適用領域也有差異。

決定量產的關鍵因素首先是技術成熟度，其次是製造成本和產業應用障礙。

下遊應用:集中應用於新能源領域

近年來，大陸石墨烯產業化應用取得了一定進展，上下遊產業鏈已初步打通、下遊應用領域不斷拓展。

根據CGIAResearch統計，石墨烯市場規模從2015年的6億元，增長至2017年的70億元，其中石墨烯在新能源領域的市場規模達到50億元，石墨烯塗料市場規模達到8億元，復合材料和大健康產業均達到5億元，節能環保和電子信息領域均達到1億元。

其中石墨烯粉體可應用在材料學的各個領域，比如導電劑、超級電容、特種塗料、高效催化劑等。

石墨烯粉體主要是以添加劑的形式和別的材料形成混合或者復合材料(除了導熱膜、超級電容器)，讓這些混合或者復合材料具備石墨烯的力學、電學、熱學性能。

石墨烯薄膜方面，一方面可以應用在導熱膜上，發揮其優異的導熱性能，用於智慧型手機、平板電腦等設備的散熱層;利用石墨烯的導電透光以及高度柔性，可以用來製作柔性螢幕、可穿戴設備等;

石墨烯巨大的比表面積以及優異的電子傳輸性能，使傳感器領域成為石墨烯薄膜的一大目標市場;

此外，石墨烯對矽的替代有望帶來半導體領域顛覆性的革命，成為下一代集成電路、超級計算機的基礎材料。

經過多年的自主研發，大陸石墨烯的規模化生產技術、工藝裝備和產品質量均取得一定突破。

在應用前景方面，相對來說石墨烯粉體的低成本優勢明顯，且產業應用障礙較小，未來有望率先於薄膜獲得規模化應用。

▌技術推動滲透率提升，2020年市場規模或達230億

2020年石墨烯導電劑有望突破成本瓶頸，市場空間將迎來快速發展。

目前市場上常用的鋰電池導電劑有炭黑、碳奈米管、奈米碳纖維和石墨烯等。

相對於傳統鋰電池導電劑，石墨烯無論是在電導率、比表面積、顆粒大小還是分散性能方面，都表現出巨大的優勢。

相關研究證明，在導電添加劑用量為1-6wt%的範圍內，石墨烯導電劑的電阻率均僅為同濃度的導電碳黑1/40-1/60，僅為同濃度碳奈米1/10左右。在10C、電池容量為0-133mAh·g-1時，石墨烯的放電電壓也明顯高於導電碳黑。

價格方面：根據石墨烯產業聯盟的統計數據，2015年石墨烯導電劑的價格為230美元/千克，與碳奈米管導電劑價格相當，但其價格下降趨勢明顯，2017的平均價格下降至180美元/千克的水平。

參考單晶矽在光伏領域的應用(技術突破耗時大概2~3年)，考慮到相關資本的湧入以及國家政策的大力支持，石墨烯生產工藝將進一步成熟，我們預計到2020年左右石墨烯導電劑有望突破成本瓶頸，價格有望下降至100美元/千克，而同期碳奈米管價格依然維持200美元/千克左右(因為碳奈米管技術已較為成熟，成本下降空間較小)。

2016~2017年是石墨烯在鋰電池領域應用的探索期，整體市場滲透率比較低，預計在1%左右，此階段的增長動力主要得益於新能源汽車快速增長帶來的鋰電池產能迅速擴張，2016~2017年新能源汽車產量的年均增速達到50%以上，同期鋰離子電池的產量增速達到30%以上，2017年鋰電池產量突破110億只。

2018年以來，隨著政府逐步取消對新能源汽車的補貼，新能源汽車產量增速逐步放緩，從而導致鋰電池增速有所下降。

我們認為，未來鋰電池的市場增長或由技術進步來推動，考慮到石墨烯相比其他導電劑的高性能優勢，以及未來在成本上的競爭性，石墨烯在鋰電池導電劑的市場份額有望逐步提高，從而推動市場規模不斷擴張。

我們假設未來2~3年鋰電池增速穩定在20%左右，從而預計到2020年鋰電池的產量將達到160GWh。

滲透率方面：2018年石墨烯在鋰電池中的滲透率達到2.5%左右，參考三元正極材料滲透率從2015年的18%上升至2017年的39%，我們預計到2020年石墨烯滲透率將上升至5%左右，對應石墨烯需求量在2.1萬噸左右。

若隨著技術成熟石墨烯的價格下降至65萬元/噸左右，那麼我們預測到2020年石墨烯在導電劑領域的市場規模將達到140億元左右。

▌ 政策大力支持超級電容器發展，帶動石墨烯應用規模增長

超級電容器是一種介於傳統電容器和二次電池之間的電化學儲能裝置，優勢在於容量大、功率密度高、循環壽命長等，特別適合於電動汽車、電源系統、便攜式電子設備等應用。但比能量密度低則是超級電容一大瓶頸，從目前看到技術進展看，石墨烯有望提升超級電容器能量密度10倍以上，從而大大改變目前超級電容性能上的不足。

近年來，由於國家出台相關的產業支持政策，大陸超級電容器行業取得了較快發展，2017年行業市場規模突破70億元，同比增長31%。

「十三五」期間，推動大陸超級電容器行業的發展的主要動力仍然在於政策，新能源汽車、風電、交通軌道、電力、軍工等超級電容應用領域都是國家「十三五」期間政策重點扶持對象。

我們認為2019~2020年年均復合增速將維持在30%左右，到2020年超級電容器市場規模有望達到150億元。

未來兩年石墨烯用於防腐塗料的市場規模有望增長50%

石墨烯在塗料領域的應用主要集中在六個方向，分別是防腐塗料、導電塗料、建築隔熱塗料、海洋防污塗料、聚合物水泥防水塗料、阻燃塗料。

塗料中添加石墨烯後，石墨烯能夠形成穩定的導電網格，有效提高鋅粉的利用率，從實際效果來看，添加約5%的石墨烯粉，可減少50%鋅粉的使用量。

在各類塗料中，目前石墨烯在重防腐塗料中的應用最為廣泛。

重防腐塗料作為國民經濟重要領域的主要工程材料，它涉及到交通運輸、石油化工、電力、海洋工程、建築工程等部門，國際上已將重防腐塗料發展水平高低作為衡量塗料工業先進程度的標準。

2017年大陸重防腐塗料產量達到389萬噸，占防腐塗料產量比重為65%，考慮到國家鼓勵並支持重防腐塗料技術研發、生產，我們預計未來2年重防腐塗料的占比有望維持這一水平，2020年重防腐塗料產量有望達到490萬噸左右。

石墨烯薄膜性能優勢明顯，未來發展仍待突破上文對幾大領域的市場規模分析均是基於石墨烯粉體應用，而石墨烯薄膜方面，主要應用於導熱膜、柔性顯示和傳感器等方面，雖然目前在量產方面不及粉體，但未來仍具備廣闊的發展前景。

在電子設備迅速普及，尤其是智慧型手機、筆記本電腦等移動終端蓬勃發展的大背景下，設備高功率運行的散熱問題一直是業界的關注點，具有高導熱能力的散熱薄膜是這方面的關鍵材料，是做到高效熱量管理的有效手段。

目前使用最廣泛的導熱物質是石墨，眾多的智慧型手機以及筆記本電腦等都配備有相應的石墨散熱產品。但是，石墨烯是已知的導熱系數最高的物質，理論導熱率達到5300W/m·K，散熱效率遠高於目前的商用石墨散熱片。

另外，石墨烯導熱片技術難度小、工藝相對成熟，存在快速進入市場的機會。隨著智慧型手機大屏化，智能終端晶片高速化等趨勢，對設備的散熱能力要求越來越高，也開啟了導熱性能更好的石墨烯導熱膜充足的發展空間。

我們預計到2020年採用石墨烯散熱膜進行散熱的散熱組件將達到總電子產品及LED產品市場的10%，即可為石墨烯散熱膜帶來3.5億左右的市場空間。

石墨烯不但具有奈米尺寸，而且具備準連續的特點，這種準連續的奈米石墨烯薄膜可轉移到柔性襯底上，製作柔性、透明的高靈敏度傳感器。

石墨烯的柔性應力傳感器具有良好的穩定性，在經過大於萬次的壓力測試後，其初始電阻沒有明顯變化。

可穿戴設備市場的飛躍給石墨烯傳感器帶來了巨大的市場機遇

可穿戴設備對螢幕柔性要求較高，需要靈敏的傳感器配件，石墨烯的透明和柔韌是可穿戴設備真正做到可穿戴的途徑。

大陸可穿戴設備市場規模從2011年的2.3億元增長至2017年的264.2億元，年均增速達到120%。

2017年大陸智能可穿戴設備行業產量約5880萬台，同比增長32.43%。

目前市場上最成熟的柔性螢幕使用ITO膜(氧化銦錫)，占據了顯示面板40%左右的成本。

從成本上來看，鑒於ITO已經規模化量產多年且價格逐年走低，石墨烯在現有產業環境下不具備大規模替代ITO的成本優勢。

我們認為短期內石墨烯對ITO的替代或從可穿戴等柔性顯示高附加值市場開始。

從長期來看，石墨烯薄膜的透明性及導電性都優於ITO材料，並且具有ITO在柔性領域所不具備的特性。

因此，石墨烯被認為是柔性螢幕中可完美替代ITO的材料，待石墨烯薄膜的成本下降至與ITO相當水平時，石墨烯薄膜的市場規模有望迎來快速發展。

整體來看，我們預計到2020年石墨烯在鋰電池的市場規模將達到140億元左右，在超級電容器的市場規模將達到4億元左右，在塗料領域的市場規模將達到35億元左右，在導熱膜及傳感器中的市場規模達到7.5億元左右，這五者合計市場規模將達到200億元左右。

考慮到石墨烯在這些領域的應用將快於其他行業，我們預計應用占比將小幅上升至80%左右，從而我們預計到2020年石墨烯的市場規模將達到230億元左右，市場快速增長的貢獻主要來自於石墨烯用於導電劑的粉體價格將突破成本瓶頸，石墨烯導電劑市場空間迎來快速發展。

目前A股及新三板中涉及石墨烯產品的上市公司達10餘家，具備石墨烯概念的公司也超過30多家，但普遍的問題是產品規模較小，石墨烯相關產品的利潤水平並不足以主導公司業績。

在10家上市公司中，主營業務為石墨烯的共有5家，分別是第六元素、二維碳素、東方碳素、凱納股份和華高墨稀;部分上市公司通過參股等方式布局石墨烯產業，例如華麗家族第一大股東南江集團控股了寧波墨西科技有限公司，中泰化學與新三板公司凱納股份達成戰略合作協議。

從行業發展趨勢上看，石墨烯整個產業鏈具備良好的發展前景和持續的增長潛力，屬於朝陽行業。未來隨技術進步帶來的成本下降以及產品大規模量產，石墨烯有望迎來爆發式增長。（報告來源：中信證券/分析師：祖國鵬、王喆、袁健聰）