新三板石墨烯专题报告：“奇迹材料”的路与远方.pdf

新三板 |证券研究报告 2016 年 8 月 1 日 Table_IndustryRank 中立 公司名称 股票代码 现 价 (人民币 ) 2015 年每股收益 (元 /股 ) 股票评级 第六元素 831190.OC 10.52 (0.24) 未有评级 二维碳素 833608.OC - (0.33) 未有评级 华高墨烯 835672.OC - (0.14) 未有评级 凯纳股份 836410.OC - (0.80) 未有评级 Table_Source 资料 来源：万得，中银证券 以 2016 年 7 月 25 日当地货币收市价为标准 中银国际证券有限责任公司 具备证券投资咨询业务资格 Table_Industry 行业 : 材料 Table_Analyser 田世欣 (8621) 2032 8519 shixin.tianbocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300512080002 Table_Title 新三板石墨烯 专题报告 “奇迹材料” 的路与远方 Table_Summary 作为新一代碳纳米材料，石墨烯具有优异的理化性质，是电子、光学、磁学、生物医学、储能等领域最具应用潜力的前沿材料之一。从 2004 年在实验室被发现至今，石墨烯获得了广泛的关注和源源不断的资金 与 研发投入 ， 我国对石墨烯材料的研究进程位居全球前列， 各级 政府也给予了较大支持。近年来 在 柔性触控屏和复合材料领域 ， 石墨烯初露产业化曙光，储能、传感器、 芯片 等电子器件 领域 则 形成 研究热点。作为一种出现仅仅十余年的二十一世纪“奇迹材料”，石墨烯拥有极具吸引力的应用 前景 ，但真正实现产业化 仍有很长的路要走，投身其中的新三板企业也将继续上下求索、探求有效的商业模式和盈利 途径 。 投资 要点 ： 碳纳米材料新秀，优越特性催生产业革命希望。 石墨烯是由碳原子单层排列的二维原子晶体结构，是已知最薄、 强度最大 、导电 和 导热性优越、透明且致密的材料，这赋予了石墨烯广泛的应用潜力，从微电子器件、光学器件、储能、复合材料、 航空航天 到生物医药等领域都可以发挥 革命性 的作用。 石墨烯热潮席卷全球，部分领域产业化应用初露曙光。 2010 年起，各国对石墨烯高重视，大量投入资金推动石墨烯的研究和产业化进程，近年来复合材料和柔性触控 屏等方面的应用初露产业化曙光，而 在 超级电容器、传感器、芯片等领域也显示出巨大的发展潜力。 战略发展石墨烯产业，我国走在世界前列 。作为石墨烯专利大国，我国在这一前沿材料领域的研究走在世界前列，中国制造 2025将石墨烯列为重点发展的战略性新材料。在各地政府支持下，多个政产学研联合的产业区已经 建立 ，其中以江苏省的聚集度最高。目前国内石墨烯企业已超过 100 家，资本对这一产业青睐有加， 数十 家上市公司通过 合作 或并购方式投身其中。 应用 前景广阔，沿路仍需披荆斩棘 。石墨烯未来有望形成千亿级的产业规模，但 作为一种真正获得 发展不到十年的新材料而言，不但需要解决大规模制备的工艺难题、还需要 降低 居高不下的成本，找到合理性价比的应用方向。 从 国内 来看，研发与应用脱节、行业标准缺失、过度竞争和短期行为盛行等问题对行业产生了不利影响， 精研技术、拓展应用、 规范行业环境是目前首要解决的问题。 面临的主要风险： 石墨烯的 制备 技 术 和应用开发的进展 速度 低于 预期 。 推荐关注： 新三板共有 4 家以石墨烯为主业的 挂牌 公司，其中 已形成粉体和薄膜规模化生产能力的 第六元素和二维碳素值得关注。 第六元素 ：国内石墨烯粉体产能规模最大的生产企业之一，公司 拥有6 大系列 粉体产品线， 在涂料、复合材料等应用领域 已 取得阶段性成果， 而其积极通过与下游战略合作拓宽产业化路径也已取得明显成效，收入规模突破 2,000 万元。 二维碳素 ：国内石墨烯薄膜产能最大的企业之一， 年产能达 20 万平米 。其 自主研发的石墨烯透明导电薄膜已规模化应用于触控领域，在便携式智能终端、可穿戴电子产品等领域中是国内第一家销售石墨烯触控产品的企业 ，具有较高的技术含量和附加值 。 公司高度重视研发投入，积极开发新产品，是石墨烯薄膜生产及应用的领军 者 。 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 2 目录 有望掀起革命风暴的新材料之王 . 3 全球共同关注，石墨烯产业热潮席卷 . 7 上下求索，产业化发展初露曙光 . 9 专利大国，我国走在产业战略布局前列 . 17 前景广阔，希望的远方与沿路的荆棘并存 . 22 新三板石墨烯企业概览 . 25 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 3 有望掀起革命风暴的新材料之王 石墨烯的源起 碳具有多样的电子轨道特性，完全以碳元素构成的碳材料具有各种各样特异的性质，在材料的历史发展中碳材料（如木炭、炭黑、石墨等）是基础的一环。 1990 年之后，碳材料翻开了新的篇章，新兴碳纳米材料具有更特殊更卓越的性质，其囊括的材料中既有世界上最软的材料，也有最硬的材料，既有绝缘体，也有半导体甚至超导体，既有绝热材料也有热导材料，将碳材料的应用领域扩展的更为广泛，其中又以富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石和石墨烯为典型代表。 石墨烯（ Graphene）是由碳原子构 成的只有一层原子厚度的 二维晶体 ，在透射电子显微镜下可以看到石墨烯片层上存在大量纹波结构，振幅约为 1nm，如图1 所示。 2004 年， 英国曼彻斯特大学 物理学家 安德烈 盖姆 和 康斯坦丁 诺沃肖洛夫 ，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。 图表 1. 石墨烯的结构 图表 2. 石墨烯的产生与分离 资料来源： 报告石墨烯的故事（张远波） 、中银证券 资料来源： 报告石墨烯的故事（张远波） 、中银证券 石墨烯的制备 石墨烯的主要的 制备 路径分为两种：一种是 Top-Down 途径，即以石墨为原料来制备石墨烯微片，包括剥离法和氧化还原法；另一种是 Bottom-Up 方法，包括外延生长法、化学气相沉积法、生物质转化法。 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 4 图表 3. 石墨烯的主要制备方法 制备方法 制备 流程 产品尺寸 产品质量 制造成本 产业化 机械剥离法 在高取向热解石墨的表面蚀刻出一个槽面，然后压制在 SiO2/Si 基底上，极低尚附有光致抗蚀剂，然后用透明胶带进行剥离 中小尺寸 分子结构较完整 较低 费时费力，难 以量产 液相 /气相剥离法 把石墨加在某有机溶剂或水中，借助 超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液 较大尺寸 质量较好；单层产率 不高，有片层团聚 较低 可以量产 氧化还原法 先将石墨进行氧化得到石墨氧化物，使石墨层间距离从 0.34nm 增加至 0.78nm，再利用超声剥离得到单层石墨烯氧化物，还原之后即为石墨烯 小尺寸 分子结构遭到破坏， 尺寸形状有随机性 较低 可以大规模 生产 外延生长法 在高温下加热大面积单晶 6H-SiC 表面，在超高真空条件下加热脱除 Si 留下 C，制备的石墨烯片的厚度主要为 1-2 层 大尺寸 薄片不易与基层分离 较高 适合小批量 生产 化学气相沉积法 利用高温可分解的前躯体和平面基体的反应，通过 高温退火使碳原子沉积得到石墨烯片 大尺寸 结构完整、质量较好；但单层均一性生产难度大 较高 可以大规模 生产 生物质转化法 以玉米秸秆等生物质原料合成多孔类石墨烯材料 中小尺寸 杂质较多，难以生成 薄层石墨烯 较低 较难量产 资料来源： 百度文库 、中银证券 石墨烯的优异特性 作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强 、透明且致密 的新型纳米材料，石墨烯被 人们安上了 “ 新材料之王 ” 、“未来材料”、 “奇迹材料”等各种美誉 ，科学家甚至预言石墨烯 可能 “ 彻底改变 21世纪 ” ， 掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。 在新兴材料层出不穷的今天，石墨烯 能受到如此大的关注，原因即在于它的种种 优异特性 ： 电学性质 。 石墨烯是一种 特殊能带结构的零带隙半导体材料， 石墨烯的导电性能非常突出，室温下的电子迁移率约为 15000cm2/（ Vs） 。 热学性质。 导热性能高，室温下的热导率为 5000W/（ m K），比传统导热材料金刚石高出 1 倍以上。 物理外观。 比表面积高，单层石墨烯的比表面积高达 2600m2/g，单层石墨烯 光透射率高，往往可以作为透明导体 。 化学性质。 石墨烯具有超疏水 性和超亲油性，涂覆在金属表面使其具有耐腐蚀性。 力学性质。 石墨烯的力学性能好， 是人类已知强度最高的物质，强度为130GPa，是钢的 100 多倍， 刚度 和 柔韧性 也 都非常突出， 杨式模量为1.0TPa。 石墨烯各个碳原子之间的连接非常柔韧，施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，碳原子就不需要重新排列，保持了稳定的结构，且又坚硬又可以拉伸。 其他性质。 石墨烯还具备一些其他特殊的性质，如“光学透明性” 等，性质非常特殊，且在不同的条件下会有不同的表现 。 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 5 图表 4.石墨烯的主要性质 资料来源：百度文库、中银证券 石墨烯的 应用 石墨烯 的特性和应用在各个领域 都获得 了大量的研究 。科学家们普遍认为，未来石墨烯在 电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能 和 传感器 等领域将有广阔的应用。 在 电子器件 方面， 石墨烯不仅仅具备良好的导电性，且其电学性能非常特殊，在柔性触控屏、传感器、散热材料、芯片等电子器件中这种特殊的电学性质往往可以发挥至关重要的作用，再加上其透明性和突出的力学性质，非常适合制备透明光电器件。 在 储能 领域 ， 石墨烯 被期待应用于 超级电容器和锂离子电池 的制造 ， 且已经有了 突出 的表现 ， 这 主要是由于高导电性以及表面开发利于离子吸附，能量密 度异常高。 在 复合材料 领域， 将石墨烯与其他材料复合可制备性能增强的复合材料，石墨烯可以与高聚物、金属、陶瓷等复合，加强各种材料的机械性能、化学稳定性、导电性等等。 从 2009 年至今， 每年都 不断有石墨烯新产品问世，且 越来越接近实际应用和产业化制备，石墨烯晶体管、柔性 触摸屏、 超级电容器和 OLED/LED 等 产品 相继问世，为石墨烯产业化带来了极大的希望 。 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 6 图表 5.石墨烯的关键性产品 发 布 历程 资料来源： Graphene-Info、中银证券 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 7 全球共同关注 ，石墨烯产业 热潮席卷 石墨烯在 2004 年被发现， 2010 年，英国曼彻斯特大学两位科学家因从石墨中剥离石墨烯获得诺贝尔物理学奖，自此，国内外都对其高度重视，并投入了大量资金支持石墨烯的研究。中国、美国、欧盟、日本、英国和韩国等等经济体，都是走在石墨烯领域发展的前列，也是对石墨烯产业支持投入最大的几个国家或者组织，他们不仅对此投入大量资金，还设立研究机构，打造产业联盟，积极推动石墨烯研究和产业化的进程。 图表 6.中国石墨烯专利申请量 图表 7. 全球石墨烯专利申请分布 1 5 3 11 76 254738211336125316792501 ,0 0 02 ,0 0 03 ,0 0 04 ,0 0 05 ,0 0 06 ,0 0 07 ,0 0 08 ,0 0 09 ,0 0 02005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015韩国20%美国18%日本7%加拿大2%欧专局1%英国1%德国1%其他4%中国46%资料来源：中华人民共和国知识产权局、中银证券 资料来源： 2015 石墨烯专利技术 分析报告、中银证券 2010 年以后 ，石墨烯的相关研究呈爆发式增长，其专利申请量也骤然增多。石墨烯技术专利最早优先权国家主要是中国、韩国、美国，三者占全球石墨烯专利的 80%以上，其中： 中国 石墨烯技术 专利占比接近一半，足以说明中国对石墨烯领域的研究非常重视，且 研究水 平 保持在 世界 前列。 中国目前已经初步形成了政府、科研机构、研发和应用企业系统创新的官产学研合作机制。目前主要的石墨烯产业化方向集中在制备、储能、触摸屏和涂层等方面。 韩国 政府对石墨烯产业亦采取不间断的支持态度，同时本国大型公司如三星也对此进行巨大 投入，保证了在石墨烯应用于柔性显示、触摸屏及芯片等领域的国际领先地位。 美国 在前沿科技领域一直维持强势地位，对石墨烯的研究投入早力度大，大型企业如 IBM、英特尔、波音等和众多小型创业型企业共同布局石墨烯产业的格局，科研和产业化实力均十分雄厚。 日本 是碳材料产业最发达的国家之一，从 2007 年起就对石墨烯开发进行资助，众多企业 如日立、索尼、东芝等投入了大量资金和人力从事石墨烯的基础研究以及应用开发 。 英国和欧盟 近几年也加大了对石墨烯产业的投入，政府投入大量资金推动学术研究，一些工业巨头如巴斯夫、拜耳等也纷纷对此 进行商业研究。 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 8 图表 8.国内外 机构 对石墨烯产业的支持 情况 国家 资助机构 资助项目 资助资金 中国 国家自然科学基金 投入 2.1 亿元推动石墨烯项目的产业化 （ 2013） 2.1 亿元 美国 国家自然科学基金会 （ NSF） 石墨烯基材料超级电容应用项目（ 20092012）； 美国结构材料工业公司的石墨烯基高灵敏度 NOx 探测器项目； 石墨烯和碳纳米管材料连续和大规模纳米制造（ 20112015）； （ 资助超过 500 项有关石墨烯的研究 ） 63.4 万美元 国防部高级研究计划署（ DARPA） 碳电子射频 应用项 目 ， 用石墨烯制造电脑芯片和晶体管 （ 2008） 2200 万美元 俄亥俄州研究商业化资助项目 （ ORCGP） 纳米技术仪器股份有限公司用于锂离子电池用纳米石墨烯复合电极的商业化生产（ 2009） 35 万美元 欧盟 欧盟第七框架计划 （ FP7） 石墨烯基纳米电子器件项目 （ 20082010） 239 万欧元 欧洲研究理事会 （ ERC） 石墨烯物理性能和应用研究项目 ， 研究周期为 3 年 177.5 万欧元 欧洲 科学基金会（ ESF） 欧洲石墨烯项目 （ 2008） 欧盟 委员会 石墨烯旗舰项目 ， 列入未来 “ 新型技术旗舰计 划 ” （ 2011） 10 亿欧元 未来和新兴技术 （ FET）（ 20102013） 5 亿欧元 地平线 2020 研究和创新资助计划 （ 20142020） 770 亿欧元 英国 工程和自然科学研究委员会（ EPSRC） 石墨烯基自旋器件模拟项目 （ 20102012） 4.9 万英镑 石墨烯基 晶体管传输模拟项目 （ 20072010） 19.8 万英镑 政府出资 石墨烯商业化 （ 2012） 2200 万英镑 建立国家石墨烯研究所（ NGI） （ 2013） 6100 万英镑 石墨烯研究项目 （ 2015） 2150 万英镑 日本 科学技术振兴机构 （ JST） 硅基体上石墨烯材料 /器件的技术开发项目（ 2007） 经济产业省 实施的 低碳社会实现之超轻 、 高轻度创新融合材料项目 ， 重点支持了碳纳米管和石墨烯的批量合成技术 （ 2011） 韩国 韩国教育技术部等部门 资助 90 项相关研究项目 （ 2007 到 2009） 1870 万美元 原知识经济部 石墨烯 技术研发 （ 20122018） 1.24 亿美元 石墨烯产业应用研究 （ 20122018） 1.26 亿美元 韩国产业通商资源部 宣布整合韩国国内研究机构与企业力量， 在未来 6 年投入 4230 万美元，来打造每年约 153 亿美元的市场 （ 2013） 4230 美元 资料来源：石墨烯技术产业现状及发展建议（李汉清），中银证券 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 9 上下求索，产业化发展初露曙光 综合各类研究资料和产业新闻，我们梳理了中国石墨烯现阶段的产业化进程和主要产品应用的开发情况。 目前阶段，触控屏和复合材料（如防腐涂料等）成为石墨烯产业化发展最快的两大领域，这两大领域的石墨烯产品的发展已经较为成熟，初步进入产业化，也有企业进行了批量规模化生产 。 而电池储能领域和电子器件则是当前产业化研究的两大热点，研发投入 量大，也不断高性能的产品研制推出，但暂时未真正进入规模化生产阶段。 图表 9. 石墨烯产品的产业化进程 资料来源：中银证券 复合材料 石墨烯复合材料主要用于制备涂料、导电油墨和过滤材料。初具产业化规模的石墨烯复合材料特指石墨烯涂料以及导电油墨两种应用。 2016 年 8 月 1 日 新三板石墨烯专题报告 10 图表 10.石墨烯在复合材料中的应用 资料来源：中银证券 石墨烯涂料 。 石墨烯同时具备优异的导电性和防腐蚀性能，因此可以用于导电涂料和防腐涂料。 （ 1） 导电涂料 。汽车塑料件喷涂大部分用的是空气喷涂，这种方法严重浪费涂料，且排放大量挥发性有机化合物， 静电喷涂的新技术可以改善这些缺陷，但是要使用静电喷涂需要先在塑料器件外层喷涂一层导电底漆，在塑料底材和喷枪之间形成有效的电压场，利于导电涂料均匀覆盖在塑料器件表面。石墨烯颜色浅，单层的石墨烯甚至呈透明，导电性高 1-2 个数量级，相对于炭黑是更理想的导电涂料。 （ 2） 防腐涂料。 全世界每年因腐蚀造成的经济损失约为 7,000-10,000 亿美元，在我国这一损失约为 8,000 亿元，防腐蚀对于减小损失有重大意义。石墨烯具有二维片层结构和高比表面积，层层叠加形成致密的物理隔绝层，作为添加剂加入到防腐涂料中可使防腐性能超过 现在的重防腐涂料，可应用于海洋工程、交通运输、大型工业设备等领域。除此之外，石墨烯还能赋予涂料韧性好、附着力强、耐水性好、硬度高、化学性能稳定的特点，提升了涂料的综合性能。如图 11 所示。 2015 年 2 月，中国第六元素展示了镀锌石墨烯防腐蚀底漆，目标用于海上风力发电塔，价格与富锌环氧底漆也具有竞争性。 图表 11. 防腐涂料中石墨烯含量对涂料性质的影响 石墨烯含量（ %） 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 黏度（ Pa s） 1.35 1.43 1.96 2.41 2.97 3.92 60 光泽 58.7 49.2 31.4 24.7 17.1 8.5 表面电阻率（ ） 1012 1012 1010 108 107 106 耐磨性（ 750g， 500r） /mg 37.4 23.6 29.3 35.5 41.6 46.4 附着力 /MPa 5.1 5.7 6.3 6.9 5.1 4.4 柔韧性 /mm 2 1 1 1 1 1 耐冲击性 /cm 45 50 50 50 50 50 耐水性（ 168h） 不脱落、不起泡、不生锈 耐盐水性 /h 3288 3480 3720 3864 3168 2568 耐盐雾性 /h 2870 2980 3500 4800 3470 2680 资料来源：石墨烯导电海洋重防腐蚀涂料的研制上海涂料，中银证券