新材料专题系列报告（三）：石墨烯：前景广阔的二维纳米材料.pdf

请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 行业 研究 Page 1 证券研究报告 深度报告 化学新材料 Table_IndustryInfo 新材料专题 系列报告 （三） 超配 （维持评级） 2020 年 08 月 20 日 一年该行业与 上证综指 走势比较 行业专题 石墨烯： 前景广阔的二维纳米材料 石墨烯 ：性能强大的新材料之王 石墨烯 属于二维碳纳米材料， 具有 优秀的力学特性和 超强导电性 导热性等出色的材料特性 ， 其下游应用 主要 涵盖 基础学科、新能源电池、柔性显示屏、传感器及复合材料等领域 。 石墨烯的大规模商业应用 方向 主要分为 粉体和薄膜，其中 石墨烯粉体 目前主要用于 新能源、防腐涂料 等领域 ，石墨烯薄膜 主要应用于 柔性显示和传感器 等 领域， 其中来自新能源的需求超过 70%。工业化生产石墨烯常用 CVD 化学气相沉积法，是目前被认为最有希望实现石墨烯薄膜大规模制备的方法。 应用领域不断拓展，市场规模持续增长 全球石墨烯行业市场规模呈稳步增长态势。 预计到 2020 年末，全球和国内 石墨烯 行业市场规模 分别 为 95 亿美元 和 200 亿元，中国石墨烯市场规模约占全球石墨烯总市场规模的 30%，并有逐年提高的趋势。 国内 石墨烯应用最广泛的下游领域是新能源相关领域， 包括 新能源超级电容与锂电池导电剂 ，随着 2020 年新能源汽车持续加速渗透，行业将迎来高增速。 全球石墨烯 导电剂市场规模预计 2020 年达到 139 亿元，年复合增长率约为 64%， 石墨烯超级电容市场预计 2021 年底达到 0.84 亿美元，到 2030 年有望达到 6.09 亿美元，年复合 增速 超过 20%。 除此之外， 防腐涂料 领域 ， 2019 年国内 防腐涂料 产量增速达到 18%， 石墨烯 防腐材料 热稳定和抗菌性能优势显著 ；石墨烯柔性屏方面，可穿戴设备是主要需求驱动力；传感器方面， 石墨烯化学敏感性强，在医学等领域前景广阔 ， 2019 年 石墨烯传感器 市场 达到了 2 亿元， 增速达到 70%。 国内外行业处于起步阶段，静待下游大规模应用 石墨烯行业正处于大规模产业化前夕，世界各国对于石墨烯都给予了高度重视，全球已有 80 多个国家投入石墨烯的研发、生产，欧美企业占据全球石墨烯产业链关键环节 ， 而亚洲石墨烯应用市场前景向好。 中国石墨烯行业正处于市场导入期，产品尚未成熟，行业利润率较低，但 市场增速快。 目前我国 已经形成京津冀鲁、长江三角洲和珠江三角洲的三大聚合区，多地分布式发展的石墨烯产业格局。中国石墨烯龙头企业发展显著，现已有上市公司 10 余家，主要研究领域集中于石墨烯导电剂、柔性显示、导热材料等方面，已初步具备大规模生产石墨烯薄膜和粉体的能力。 风险提示 下游应用领域技术发展不及预期； 石墨烯大规模制备技术发展缓慢 ； 成本降低幅度不及预期。 相关研究报告： 新材料专题系列报告（二）：碳纤维：轻量化应用前景广阔的特种纤维 2020-08-10 新材料专题系列报告（一）：碳纳米管：优秀的新型导电材料 2020-07-31 新能源汽车全产业链基础系列研究报告之四：湿法隔膜扩产潮，百舸争流快者先 2017-11-02 证券分析师：龚诚 电话： 010-88005306 E-MAIL： gongchengguosen 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980519040001 证券分析师：商艾华 电话： E-MAIL： shangaihuaguosen 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980519090001 联系人：万里明 电话： 010-88005329 E-MAIL： wanlimingguosen 独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合理判断并得出结论，力求客观、公正，其结论不受其它任何第三方的授意、影响，特此声明 0.61.11.62.1A/19 O/19 D/19 F/20 A/20 J/20上证综指 化学新材料 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 2 投资摘要 关键结论与投资建议 随着 石墨烯大规模制备方法的逐渐成熟 ， 行业有望 迎来黄金发展期。 从 2004年 研制出至今 ， 石墨烯 的热度有增无减，被 誉为“新材料之王” ，下游需求覆盖散热材料、新能源电池、柔性显示和复合材料 等热门领域 。 当前化工新材料行业正处于高速发展机遇期，国产替代下需求加速催化，比如 在 5G 通讯 设备和新能源领域 ， 传统材料 将逐渐不能满足需求，而 石墨烯 材料由于其本身优异的特性未来将完成对 ITO 和传统电容、锂电池材料 的全面替代 ，行业正处于技术突破需求爆发前夜，中长期看行业高增速确定性较强。 全球石墨烯行业市场规模呈稳步增长态势 ，保持 20%以上的增长率， 预计到2020 年末，全球和国内石墨烯行业市场规模分别为 95 亿美元和 200 亿元 。 中国 成为全球最大的石墨烯消费国家，国内石墨烯下游新能源领域占据四分之三的需求。 政策、技术和需求市场催化下，石墨烯行业有望迎来黄金发展期 。 核心假设或逻辑 第一 、 全球 石墨烯 材料市场规模近年来稳定增长 ， 由于其本身优异的特性将成为 新能源、锂电池、复合材料等领域的 重要材料 。 2020 年 超级电容、锂电池材料、防腐材料、传感器等市场规模进一步扩张，且石墨烯材料成本下降，有望实现石墨烯下游应用领域的大规模增长。 第二 、 目前 石墨烯 生产力 主要 集中于 欧 美中 韩四个地区 ， 国外石墨烯 行业起步较早， 专利 技术 和产业链布局 较为成熟。我国虽然起步较晚， 但现已占到世界石墨烯总产能的 58%，是第一大生产国，现 已经有 第六元素 、 东旭光电和道氏技术 等上市公司从事 石墨烯 材料的研发生产 应用 并具备一定规模，在 石墨烯 市场规模进一步扩展的大背景下，相关上市企业业绩有望稳步提升。 第三 、 在新材料大规模发展前提下 ， 石墨烯作为重要一员需要持续提高制备技术及研发应用。 随着技术进步 ，可穿戴设备、复合材料、新能源、锂电池等领域需要更强大的材料提高属性 ， 石墨烯 的 材料特性 能得到很好的发挥 ，因此可以预见 石墨烯应用在各个方面 是必然的趋势。 核心假设或逻辑的主要风险 第一、 下游应用领域技术发展不及预期； 第二、 石墨烯大规模制备技术发展缓慢； 第三、 成本降低幅度不及预期 。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 3 内容目录 石墨烯：性能强大的新材料之王 . 5 石墨烯简介：性能出色的二维碳纳米材料 . 5 石墨烯特点：具有优异的力学和光电热性能 . 5 石墨烯产业链趋于完善，下游需求领域不断拓展 . 7 石墨烯产业链结构完善，下游应用领域广泛但仍需探索 . 7 原材料石墨储量居世界前列，需求有所下降 . 7 石墨烯制备方法多样，大规模量产难度较大 . 8 下游需求：应用领域不断拓展，市场规模持续增长 . 10 超级电容器：解决充电时间长续航短瓶颈 .11 防腐涂料：热稳定和抗菌性能优势显著 . 14 锂电池导电剂：需求支撑 &成本下降行业高增速 . 15 柔性显示屏：可穿戴设备是市场主要驱动力 . 17 传感器：石墨烯化学敏感性强，在医学等领域前景广阔 . 18 国内外行业处于起步阶段，静待下游大规模应用 . 19 全球产业化处于起步阶段，未来发展空间广阔 . 19 国内产业链初步成型，国内以新能源领域为主 . 20 相关上市公司盘点： . 21 风险提示： . 22 分析师承诺 . 23 风险提示 . 23 证券投资咨询业务的说明 . 23 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 4 图 表 目录 图 1：典型的石墨烯结构图 . 5 图 2：单层石墨烯是其他碳材料的基本元素 . 5 图 3：石墨烯透光性与层数之间的线性关系 . 6 图 4：石墨烯薄膜导热性能测试结构示意图 . 6 图 5：石墨烯产业链 . 7 图 6： 2018 年全球主要天然石墨生产国可开采储量统计 . 7 图 7： 2007-2018 年全球天然石墨行业产量情况（千吨） . 7 图 8： 2014-2018 年中国石墨行业产量情况 . 8 图 9：石墨烯制备工艺图比较 . 9 图 10：化学气相沉积法制备石墨烯示意图 . 9 图 11：氧化还原法制备石墨烯的过程 . 9 图 12： 2016-2021 年全球石墨烯行业市场规模及预测（亿美元） . 10 图 13：我国 石墨烯市场规模（亿元） . 10 图 14： 国内石墨烯应用领域市场规模占比结构 . 11 图 15： 全球石墨烯超级电容市场规模（百万美元） . 12 图 16：石墨烯在导电剂领域的市场规模及预测（亿元） . 16 图 17：全球动力锂电池行业市场规模统计及预测（亿美元） . 16 图 18：全球可穿戴设备产业市场规模（亿美元） . 18 图 19：中国可穿戴设备产业市场规模（亿元） . 18 图 20： 石墨烯在传感器领域中的国内市场规模（亿元） . 18 表 1：石墨烯分类 . 5 表 2：石墨烯的优异特性 . 6 表 3：石墨烯制备方法和优缺点 . 8 表 4：石墨烯应用领域及具体用途说明 . 11 表 5：超级电容不同材料性能对比 . 12 表 6：超级电容器、传统电容器和传统电池对比 . 12 表 7：现有导电剂参数对比 . 15 表 8：石墨烯、 ITO 膜与银纳米线用于柔性显示的优缺点 . 17 表 9：世界各国石墨烯布局图 . 19 表 10：世界各国龙头企业石墨烯相关领域发展成果 . 19 表 11：我国石墨烯产业布局情况 . 20 表 12：中国石墨烯龙头企业相关领域发展成果 . 20 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 5 石墨烯 ： 性能 强大 的 新材料之王 石墨烯简介： 性能出色的二维碳纳米材料 石墨烯是 2004 年 用微机械剥离法从石墨中分离 出的 一种由碳原子以 sp杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料 ，英文名为 Graphene， 为一层碳原子构成的 二维晶体 。 石墨烯 与其他有机高分子材料相比，有比较独特的 原子 结构和 力学特性 ， 它的 键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构， 且 每个碳原子的垂直于层平面的 pz 轨道可以形成贯穿全层的多原子的大键，因而具有优良的导电和光学性能。石墨烯的理论杨氏模量达 1.0TPa，固有的拉伸强度为 130Gpa，是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲 ，被誉为“新材料之王 ”、“黑金”。 图 1： 典型的石墨烯结构图 图 2： 单层石墨烯是其他碳材料的基本元素 资料来源 : 平面四边形石墨烯结构的能带和光学特性模拟 、 国信证券经济研究所整理 资料来源 : 基于双层石墨烯结构的波导型太赫兹调制器设计 、 国信证券经济研究所整理 石墨烯 按照 层数 可分为 单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯 。按照功能化形式可以分为氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯等。按照外在形态、又可分为片、膜、量子点、纳米带或三维状等。 表 1： 石墨烯分类 分类 概念 单层石墨烯 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 由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB 堆垛， AA 堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料 少层石墨烯 由 3-10 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 多层石墨烯 厚度在 10 层以上 10nm 以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括 ABC 堆垛， ABA 堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料 资料来源 ：百度百科，国信证券经济研究所整理 石墨烯特点：具有优异的力学和光电热性能 石墨烯 具有 超强导电性 、良好的 热传导性 、良好的 透光性 、 溶解性 、渗透率、高柔性和高强度 等出色的材料特性。 正因为这些性能，使它可应用领域非常广泛，主要集中在基础学科、新能源电池、柔性显示屏、传感器及复合材料等领域。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 6 表 2： 石墨烯 的优异 特性 分类 概念 超强导电性 石墨烯的载流子迁移率约为 15000cm2/（ V s） -250000cm2/（ V s），受温度变化的影响较小，为已知载流子迁移率最高的物质，这一数值为硅的 100-1000 倍，为锑化铟（ InSb）的两倍以上 。 面电阻约为 31 .()1，电阻率约为 106 .cm，是目前室温下电阻率最低的材料。 良好 导热性 导热系数高达 5300W/mK，是导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（ 3500W/mK）、多壁碳纳米管（ 3000W/mK）和金刚石（ 2000W/mK） 。 良好透光性 在较宽波长范围内吸收率约为 2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加 2.3%。 石墨烯优异的光学性能不会随着平面尺寸增大而明显减弱。 溶解性 在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性 。 渗透率 碳六元环结构，高致密， He 无法穿透；孔隙可修饰 。 高柔性 韧性良好，弯曲不影响优异的性能 。 高强度 石墨烯的理论杨氏模量达 1.0TPa，固有的拉伸强度为 130GPa，断裂强度为 125GPa， 是迄今为止常用功能材料中强度和硬度最完美的，比钻石和金刚石的硬度都要高出许多， 优质钢铁的200 倍 。 资料来源 ： 知网 ，国信证券经济研究所整理 图 3： 石墨烯透光性与层数之间的线性关系 图 4： 石墨烯薄膜导热性能测试结构示意图 资料来源 : CNKI、 国信证券经济研究所整理 资料来源 : CNKI、 国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 7 石墨烯产业 链趋于完善，下游 需求 领域 不断拓展 石墨烯产业链结构完善， 下游应用领域广泛 但仍需探索 石墨烯 材料本身表现出优异的性能， 其下游应用领域非常广泛，可 应用在 电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面 ， 且 在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展 。 石墨烯上游为石墨、 下游主要应用领域为新能源电池、涂料、柔性屏和传感器等领域。 图 5： 石墨烯产业链 资料来源：国信证券经济研究所整理 原材料 石墨储量居世界前列，需求有所下降 石墨烯产业链上游 的 原料为石墨，中国是全球最大的石墨生产国 ，但可开采储量仅为全球第二， 占世界总储量的 25%， 静态可开采年限仅为 116 年，在全球主要的石墨生产国中，仅高于挪威。 图 6： 2018 年全球主要天然石墨生产国可开采储量统计 图 7： 2007-2018 年 全球天然 石墨行业产量情况 （千吨） 资料来源 : USGS、 国信证券经济研究所整理 资料来源 : USGS、 国信证券经济研究所整理 0%5%10%15%20%25%30%35%0100002000030000400005000060000700008000090000100000 储量：千吨 储量占比0200400600800100012001400200720082009201020112012201320142015201620172018全球天然石墨产量：千吨请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 8 我国石墨资源储量与产量均占世界主要地位，在原料方面遥遥领先。 2016 年全球天然石墨产量为 115 万吨，近两年全球天然石墨产量有所下降， 2018 年全球天然石墨产量在 93 万吨左右。 我国天然石墨产量在 2018 年达 63 万吨，占世界总产量的 68%，另外人造石墨产量约为 13.8 万吨， 石墨行业全球范围内产量减少，原材料供应相应减少，这需要对石墨烯中游制备提出更高的要求。 图 8： 2014-2018 年中国石墨行业产量情况 资料来源 : USGS、 国信证券经济研究所整理 石墨烯 制备方法多样，大规模量产难度较大 石墨烯产业链中游主要为石墨烯的制备。 石墨烯的制备分为 两种 ： （ 1） “自上而下”：从 石墨块原 材料出发，将单层或几层原子厚度的 石墨烯层 从 石墨块 中 剥离出 ， 例如 “液相剥离法”、“机械剥离法”等 ； （ 2） “自下而上”： 从 碳 原子或 碳化合物 分子结构出发，如 CH4C2H2 等，利用晶体生长 重新排列 出 石墨烯 ， 例如 “化学气相沉积法”、“小分子化学合成法”、 “ 外延生长法”等。 不同制备方法获得的石墨烯在品质和成本上差异较大，与之相关的产品的适用领域也有一些差异。 石墨烯粉体主要由球磨剥离法、液相剥离法和氧化还原法等制备，其中氧化还原法制备的石墨烯粉体层数最少 ，是目前最常采用的方法 。石墨烯薄膜主要由气相沉积法和外延生长法等制备， 其中化学气相沉积法可以制备大尺寸的石墨烯薄膜，是目前被认为最有希望实现石墨烯薄膜大规模制备的方法。 表 3： 石墨烯制备方法和优缺点 制备方法 基本原理 制造成本 优势 劣势 氧化还原法 利用强质子酸形成石墨层间化合物，并用强氧化剂、还原剂依次进行氧化还原 。 较低 方法简单，温度较低，适 用于大规模产业化制备 。 产品质量较低，难以充分还原，导电性和透明性无法保证；存在污染的问题，危险性较大 。 机械球磨剥离法 通过 “球 -微球”间柔和的滚动转移工艺实现了少层石墨烯（层数 3.8 1.9）的规模化制备 。 较低 操作简单，保留石墨烯完整晶体 。 生产效率低，大规模量产难度大 。 液相剥离法 选择合适的溶剂利用超声波破坏石墨烯层间范德华力从而剥离出石墨烯 。 较低 操作简单，石墨烯结构缺 陷少 。 利用超声设备，石墨烯尺寸小，片层数多 。 化学气相沉积法 以铜箔、镍膜等为生长基底，利用甲烷等含碳有机气体作为碳源，在基体表面高温分解并逐步生长得到石墨烯 。 较高 工艺简单，产出石墨烯质量高，可大面积生长 。 成本高，大规模量产难度大 。 外延生长法 通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的 C 原子通过自组形式重构，从而得到基于 SiC 衬底的石墨烯 。 较高 石墨烯 质量较高，尺寸与厚度可控 。 制备条件苛刻，需要高真空度，成本高、 效率低 。 资料来源 ： CNKI、 国信证券研究所整理 01020304050607080901002014年 2015年 2016年 2017年 2018年人造石墨产量：万吨 天然石墨产量：万吨 石墨产量：万吨请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 9 图 9： 石墨烯制备工艺图比较 资料来源： 中国石墨产业发展的机遇、问题与建议 、国信证券经济研究所整理 图 10： 化学气相沉积法制备石墨烯示意图 图 11： 氧化还原法制备石墨烯的过程 资料 来源： 新型石墨烯结构的化学气相沉积法制备及形态研究 、 国信证券经济研究所整理 资料来源 : 基于双层石墨烯结构的波导型太赫兹调制器设计 、 国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 10 下游 需求 ： 应用 领域不断拓展 ，市场规模 持续 增长 全球石墨烯行业市场规模呈稳步增长态势。 2019 年全球石墨烯行业市场规模为77 亿美元，复合增长率为 45.89%，据预测，未来两年石墨烯将保持约为 20%的增速。 中国石墨烯 市场规模近年来快速增长， 2019 年达 163 亿元， 预计 2020 年将超过 200 亿元，年复合增长率约为 60%。近几年来看，中国石墨烯市场规模约占全球 石墨烯 总市场规模的 30%，并有逐年提高的趋势 。 图 13： 我国 石墨烯市场规模（亿元） 资料来源 ：中国经济信息社、国信证券经济研究所整理 石墨烯的研究与应用开发持续升温，石墨和石墨烯有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。 鉴于石墨烯 材料优异的性能及其潜在的应用价值，在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。 0501001502002502015年 2016年 2017年 2018年 2019年 2020年石墨烯市场规模：亿元图 12： 2016-2021 年全球石墨烯行业市场规模及预测（亿美元） 资料来源 ：中国经济信息社、国信证券经济研究所整理 0204060801001202016年 2017年 2018年 2019年 2020年 2021年全球石墨烯行业市场规模及预测：亿美元