新材料系列深度报告之一：石墨烯——“烯”望无限.pdf

证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 未经许可，禁止转载 证券研究 报告 行业深度研究报告 非金属新材料 “烯”望无限 新材料系列深度报告之一 ： 石墨烯 行业 评级 推荐 评级变动 首次评级 事 项 2015 年 11 月， 工信部、发改委、科技部联合印发关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见。意见强调，围绕石墨烯材料批量制备以及基于石墨烯的各类功能材料制备关键技术，提高石墨烯材料规模化制备的工艺稳定性、性能一致性、产品合格率，有效降低成本； 提升专利的数量和质量，建立石墨烯知识产权运营平台，完善知识产权交易和保护机制，促进知识产权高效利用 ； 推进首批次产业化应用示范 ， 围绕新兴产业发展和现代消费需要，构建石墨烯制品示范应用推广链 ，同时 加大石墨烯材料在国防科技领域的应用 。随着近期国家领导人参观曼彻斯特石墨烯研究院等事件的催化，我 们认为石墨烯被写入“十三五”新材料规划是大概率事件。 主要观点 1. 石墨烯打开二维材料之门，将引发材料产业革命 将替代多种材料 石墨烯是一种单原子层厚度的二维纳米材料；二维结构使 得 石墨烯 是目前已知室温下最好的导电和导热性能 以及 极高的透光性。在散热领域、储能领域、电子芯片领域以及医疗环保领域可以替代多种已知材料，例如，应用于显示器触摸屏、太阳能电池电极中 可代替 氧化铟锡（ ITO）。 2.石墨烯产业化预期三步走，已步入石墨烯微片和添加剂工业应用阶段 产业资本已经介入石墨烯产学研体系，多家上市公司也已介入。目前，石墨烯在导电油墨、导电浆料（锂电池）、散热材料以及涂料领域已实现早期产业化，主要是石墨烯粉末作为纳米添加剂的应用。随着成本下降和技术升级，依托已有应用，我们预期第二阶段将在储能领域、透明导电领域规模应用，有望催生千亿产业规模。最终，我们认为可能会颠覆电子器件领域，引发技术革命，成为新一代芯片材料。对比碳纤维和 3D 打印产业发展历程来看，石墨烯产业预期在 2020-2030 迎来爆发期。 3.投资建议： 鉴于目前石墨烯行业仍处于产业化初期，发展存在不确定 性，我们重点推荐拥有石墨烯制备技术与石墨资源储备，延伸自身产业链发展石墨烯且公司主营业务发展较好的材料类公司。我们已调研相关企业核心观点如下： 1）东旭光电：主营面板用玻璃基板（进口替代），致力于石墨烯透明导电薄膜以及石墨烯散热材料研究； 2）康得新：主营 高分子新材料 ，致力于石墨烯透明导电薄膜研发与产业化； 3）格林美：主营固废回收和锂电池，致力于锂电池用导电浆料等； 4）乐通股份：转型数字营销，国内油墨产业龙头积极推进石墨烯导电油墨产业化； 5）宝泰隆：主营煤炭及煤化工，目标实现 1-3 层石墨烯生产工艺。 证券分析师：李斌 执业编号： S0360514120001 电话： 010-66500819 邮箱： libinhcyjs 证券分析师：滕越 执业编号： S0360514110002 电话： 010-66500855 邮箱： tengyuehcyjs 公司名称及代码 评级 东旭光电 （ 000413） 推荐 康得新 （ 002450） 推荐 格林美 （ 002340） 推荐 -9%28%66%103%14-12 15-02 15-04 15-06 15-08 15-102014-12-23 2015-12-22 沪深 300 相关研究报告 行业 表现对比图 (近 12 个月 ) 推荐公司及评级 证券分析师 行业 研究 非金属新材料 2015 年 12 月 22 日 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 2 目 录 一、主要结论 . 5 （一）黑科技将引发材料产业革命，石墨烯技术发展是大势所趋 . 5 1、石墨烯打开二维材料之门 . 5 2、二维碳系崛起，将替代多种材料 . 5 3、性能独特，开辟新蓝海 . 5 （二）小荷才露尖尖角，石墨烯产业化前景可期 . 6 1、石墨烯在导电油墨、涂料领域已处于早期产业化阶段 . 6 2、随着制备技术发展，下游市场将逐步打开 . 6 （三）石墨烯应用 预计线路图 来自石墨烯诞生地的展望 . 6 二、认识石墨烯 二维晶体材料应用开启 . 8 （一）石墨烯概述 . 8 1、石墨烯简介 . 8 2、石墨烯分类 . 8 （二）二 维晶体特性将成为诸多应用质变的基础 . 9 1、性能多个当前之最 . 9 2、少量添加便形成神奇应用 . 10 三、石墨烯应用至 2025 年有 望催生千亿产业规模 . 11 （一）始于复合材料和功能性材料领域 使用形态纳米添加剂 . 11 1、导电油墨添加剂或贵金属替代，应用从太阳能电池到传感器 约 15 亿潜在市场 . 11 2、功能涂料领域的宠儿 特殊防腐和电磁屏蔽 . 11 3、散热材料 约 20 亿的潜在市场 . 12 （二）兴于储能领域和透明导电领域 . 13 1、从锂电池正极导电添加剂开始，终将替代石墨电极 潜在市场约 2.7 亿 . 13 2、电极材料制约超级电容器发展，石墨烯或助力 . 14 3、铟枯竭预期迫使石墨烯替代 ITO 应用于透明导电薄膜迫在眉睫 柔性屏的未来 . 16 （三）盛于电子器件领域 千亿潜在市场 信息爆炸时代终极芯片的最佳材料 . 16 1、新一代芯片材料 相比硅材料 石墨烯性能优势明显 . 16 2、 技术因素仍是阻碍 但市场潜在空间达千亿级 . 17 四、中国在全球石墨烯大潮中勇立潮头 . 19 （一）专利分析中国未来在储能和复合材料方面有望优先实现工业化应用 . 19 1、中国专利申请量跃居世界第一 . 19 2、应用领域专利申请主要分布于复合材料和储能领域 . 20 3、专利申请人多来自于企业利于产业化实现 . 20 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 3 （二）石墨烯产业发展瓶颈 . 20 五、石墨烯相关上市公司 资本顺势流动 . 22 （一）石墨烯上市公司 . 22 （二）标的推荐 . 23 1、东旭光电：与北京理工大学进行石墨烯新材料产学研合作 . 24 2、康得新：设立全资子公司张家港康得新石墨烯应用科技有限公司 . 24 3、格林美：进军石墨烯领域完善电池上下游产业链 . 24 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 4 图表目录 图表 1 石墨烯产业发展趋势 . 6 图表 2 石墨烯应用预计路线图 . 7 图表 3 石墨烯原子结构图 . 8 图表 4 石墨烯是其他石墨 材料的基本单元 . 8 图表 5 石墨烯分类 . 9 图表 6 石墨烯性能 . 10 图表 7 石墨烯特性 . 10 图表 8 西班牙格芬石墨烯涂料 . 12 图表 9 美国 ZARA 门店采用石墨烯电磁屏蔽涂料 . 12 图表 10 消费电子用散热片估算 . 13 图表 11 锂离子电池工作示意图 . 14 图表 12 石墨烯导电浆料 . 14 图表 13 极片电阻率与导电剂种类及添加量之间的关系 . 14 图表 14 超级电容器充放电过程 . 15 图表 15 中国超 级电容器市场规模（亿元） . 15 图表 16 中科院制 7 英寸石墨烯触控屏 . 16 图表 17 蓝石科技展出的石墨烯柔性触控屏 . 16 图表 18 IBM 展示制造的 155GHz 石墨烯晶体管 . 17 图表 19 三星展示的石墨烯芯片 . 17 图表 20 全球硅片出货量（百万平方英寸） . 18 图表 21 全球集成电路销售额（百万美元） . 18 图表 22 石墨烯专利申请量 . 19 图表 23 石墨烯专利申请分布 . 19 图表 24 石墨烯专利申请数量分布 . 19 图表 25 石墨烯应用专利分布 . 20 图表 26 专利申请人分布 . 20 图表 27 石墨烯相关上市 公司梳理 . 22 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 5 一、主要结论 （一）黑科技将引发材料产业革命，石墨烯技术发展是大势所趋 1、石墨烯打开二维材料之门 历史上每一次碳的同素异形体的发现都促进了人类对自然的认识，作为二维材料的代表 石墨烯，更是打开了二维纳米材料的研究新领域。此前，传统理论认为准二维晶体结构因为本身的热力学不稳定性在自然界中不能稳定存在，石墨烯的出现，打破了理论预言。二维材料 是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（ 1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料 。与其他维度材料相比二维材料具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应以及独特的光学、力学、电磁学与气敏特性等，因而在军事、重工业、轻工业、石化等领域表现出了广泛的应用前景。 2、 二维碳系崛起，将替代多种材料 石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量 子性质。它是最薄也是最坚硬的材料，电子迁移率高、透光性好同时具备高的导热系数等众多材料不具备的性能。未来有望在太阳能电极、电池、触摸屏、晶体管、传感器等众多领域应用，可以说是未来最有前景的先进材料。 2.1 替代稀贵金属 缓解资源枯竭问题 卓越的透光性和导电性使得石墨烯成为替代氧化铟锡（ ITO）的理想材料。目前 ITO 主要用于太阳能电池的透明电极以及触摸屏和显示器的透明导电薄膜，市场需求巨大。 ITO 的原料为稀有金属铟，此金属在全球的储量很低，美国矿业协会 2008 年公布的数据显示，全球现已探明的金属铟矿储量仅能 使用到 2028 年，存在告罄的危险。此外，在导电油墨领域，石墨烯还可替代纳米银，降低导电油墨的成本。在涂料领域，可替代工业涂料中的金属离子。 2.2 升级碳系材料 或撬动千亿级产业链 2015 年，我国石墨及碳素制品行业收入将达 3400 亿元。相比石墨以及传统碳素制品，石墨烯性能更加优越，随着制备技术的发展，石墨烯将升级碳系材料。目前石墨类负极材料仍然占据锂电池负极材料的主流地位，石墨烯具备高理论比容量，石墨烯负极材料将大幅提升锂离子电池性能。石墨烯所具有的快速导热特性与快速散热特性使得石墨烯成为替代石墨的极佳的 散热材料。 2.3 颠覆硅时代 或引发产业技术革命 近 10 年来，以移动互联网、社交网络、云计算、大数据为特征的第三代信息技术架构蓬勃发展。网络互联的移动化和泛在化、信息处理的集中化和大数据化、信息服务的智能化和个性化对互联硬件 和软件 提出了极高的要求。越来越高的芯片处理速度和芯片容量对芯片材料都提出了极高的要求。 半个多世纪以来，电子产品始终遵循着 摩尔定律 而迅速发展。由摩尔定律可知， 1 个芯片中能容纳的晶体管数目大约每十八个月就会增加 1 倍。但是，目前摩尔定律的延续面临着电子材料刻蚀极限线宽的极大挑战。目前集成 电路晶体管普遍采用硅材料制造，但是，当硅材料尺寸小于 10 纳米时，制造出的晶体管的稳定性将没有保障 。 石墨烯有望延续 摩尔定律 。 而石墨烯是取代硅的理想材料，因为石墨烯结构高度稳定，即使是切割成 只有 1 纳米宽的元件，其导电性也很好，而且制备出的晶体管尺寸越小，性能越好，且比普通晶体管效率更高、速度更快、能耗更低。 另外， 石墨烯的运行速度可达 T 赫兹。在现有材料和技术条件下，产生 4、 5GHz 以上的频率难度都相当高。由于电子在石墨烯电路中的运行速度远高于硅，石墨烯电路可以运行在比硅电路高得多的频率上，比如 100GHz 甚至 1THz。 3、性能独特，开辟新蓝海 作为材料之王，以其独特的性能，石墨烯将开辟新的蓝海。首先石墨烯将助力可穿戴设备市场的发展。石墨烯的高行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 6 韧性可满足可穿戴设备 对屏幕柔性 的极高 要求 ， 达到可折叠，可大幅度弯曲 。不仅如此 ， 石墨烯 还可以直接用于可穿戴设备的传感器 。同时，石墨烯的单原子层厚度，大接触面积，分子闸极结构、可以被化学修饰改性等特点使得石墨烯有望应用于生物元件，微生物检测，疾病诊断，药物运输载体，快速 DNA 测序等。 （二）小荷才露尖尖角，石墨烯产业化前景可期 图表 1 石墨烯产业发展趋势 资料来源：华创证券 1、石墨烯在导电油墨、涂料领域已处于早期产业化阶段 石墨烯作为新材料自 2010 年获诺贝尔物理学奖之后产业发展呈现井喷态势，各国政府积极布局石墨烯产业。目前石墨烯行业处于早期产业化阶段，产业链中游石墨烯粉体和石墨烯薄膜产能已经具备，由于下游市场尚未打开，产销量不高。产业链下游众多领域中，具备产业化规模的应用领域主要有石墨烯导电油墨、功能涂料、锂离子电池导电添加剂、石墨烯散热材料等。 2、随着制备技术发展，下游市场将逐步打开 随着石墨烯制备技术和应用技 术水平的发展，石墨烯下游市场将全面打开。目前，锂电子电池负极材料和超级电容器属于石墨烯下游应用的重点研究领域，我们预计制备技术在未来 1-2 年会有所突破，因此在未来 5 年内，石墨烯将成熟应用于能源领域。电子元器件领域对石墨烯的质量和技术要求较高，因此石墨烯在电子元器件领域的应用最难实现，我们预计在未来 10 年 内，石墨烯将有望应用于电子元器件领域。 （三）石墨烯应用预计线路图 来自石墨烯诞生地的展望 英国曼彻斯特大学是石墨烯的诞生地， 2004 年两位物理学家利用机械剥离的方法成功的从石墨中分离出石墨烯。曼彻斯特大学也极其注重石墨烯的研究， 2013 年英国政府联合欧洲研究与发展基金会共同出资 6100 万英镑在曼彻斯特大学成立国家石墨烯研究院，由两位诺贝尔奖得主领衔，该研究院预计于 2015 年初建成。在曼大，来自不同研究领域，包括物理学、化学、材料学、和计算机科学，超过 100 多位学者都在进行石墨烯的研究。目前，曼彻斯特行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 7 大学正在营造行业关系，与多家一流的公司建立合作，与企业一起合作开发大量的石墨烯产品。曼大研究学者认为这是跻身于开发近年来重大科学发现前沿的独 特机遇。 接下来的十年中石墨烯将可用于数以千计的不同应用。 曼彻斯特大学副校长 Colin Bailey 教授称： 石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片 ”。 学术界也对 石墨烯接下来的发展路线做出了规划。 图表 2 石墨烯应用预计路线图 资料来源：曼彻斯特大学石墨烯研究院，华创证券 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 8 二、认识石墨烯 二维晶体材料应用开启 （一）石墨烯概述 1、石墨烯简介 石墨烯是由碳原子组成的只有一 个 原子层厚度的二维晶体。 2004 年英国曼彻斯特大学两位物理学家利用机械剥离的方法成功的从石墨中分离出石墨烯，在此之前人们认为单层原子的材料不可能存在。这两位物理学家也因此与2010 年获得诺贝尔物理学奖。 理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，碳原子以 sp2 杂化成蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成为零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。 图表 3 石墨烯原子结构图 图表 4 石墨烯是其他石墨材料的基本单元 资料来源： Wikipedia,华创证券 资料来源： Wikipedia,华创证券 2、石墨烯分类 1） 按实际使用形态进行分类 实际制备中对石墨烯的分类并不是严格单层；按照石墨烯形态可以分为石墨烯粉末、石墨烯微片以及石墨烯薄膜。 石墨烯粉体可用于精细化学和材料制造领域的添加剂、辅助剂、填充剂、和结构材料。 石墨烯微片是指碳层数多于10 层、厚度在 5-100 纳米之间的超薄的石墨烯层状堆积体。石墨烯薄膜可用于石墨烯电极和触摸屏领域。 2）按照传统理论层数进行分类 石墨烯可分为：单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层或厚层石墨烯。 单层石墨烯 是指只有一个原子层厚度，以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维材料 双层石墨烯 是指由两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯 是指 3-10 层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式堆垛构成的一种二维碳材料。 多层或厚层石墨烯 是指 指厚度在 10层以上 10nm以下苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式堆垛构成的一种二维碳材料。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 9 图表 5 石墨烯分类 资料来源： Wikipedia， 华创证券 （二）二维晶体特性将成为诸多应用质变的基础 1、性能多个当前之最 相比于现有材料，石墨烯拥有众多“史上最强”性能，石墨烯是已知世界上最坚硬的纳米材料、世界上最薄的材料、是人类已知强度最高的物质。纳米尺寸的石墨烯在光、热、力、电、磁等方面有着与众不同的特性。由于其具有许多特殊性质，石墨烯被称为“改变 21 世纪的材料”，并有学者预测“二十一世纪将是碳的时代”。 完美的二维晶体结构赋予了石墨烯优异的性能。它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，碳原子之间由 键连接，以 sp2 杂化方式结合，这些 键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性，石墨烯的硬度比钢铁强 100 倍。 在石墨烯原子结构 中，每个碳原子都有一个未成键的 p 电子，这些 p 电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的 1/300，赋予了石墨烯良好的导电性 。 常温下其电子迁移率超过 15000cm2/Vs，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约 10-6cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被 研究 用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管 石墨烯是新一代的透明导电材料，它几乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光 。 在可见光区，四层石墨烯的