2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員成功地分離出了石墨烯。作為公認(rèn)的21世紀(jì)的新材料之王，石墨烯擁有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、機(jī)械強(qiáng)度等特性，因此，在材料或系統(tǒng)中加入石墨烯往往能賦予產(chǎn)品某些出色的特性。

石墨烯產(chǎn)品的定義尚存爭(zhēng)議

理論上，石墨烯是指由單層碳原子構(gòu)成的二維晶體。不過，市場(chǎng)上的石墨烯產(chǎn)品真正由單層碳原子構(gòu)成的很少，大多由多層碳原子構(gòu)成。一般認(rèn)為，不超過10層碳原子厚度的可以稱為石墨烯，超過10層碳原子厚度的不能算是石墨烯材料（更接近膨化石墨烯）。

新技術(shù)行業(yè)研究公司壹行研（Innova Research）按產(chǎn)品形態(tài)把石墨烯分為石墨烯粉體（又稱石墨烯微片，graphene nanoplatelet）和石墨烯薄膜（graphene film）兩種。其中，石墨烯粉體包括從單層到10層以上的石墨烯產(chǎn)品，以片狀或其他狀態(tài)存在；石墨烯薄膜則是指單層或多層，具有大小不等的表面積的石墨烯膜狀產(chǎn)品。

目前，什么是真正的石墨烯產(chǎn)品尚未有官方定義，業(yè)界對(duì)此也存有很大爭(zhēng)議。

石墨烯應(yīng)用前景廣闊

材料行業(yè)和石墨烯相關(guān)應(yīng)用行業(yè)巨頭，如德國(guó)巴斯夫公司、韓國(guó)三星公司等紛紛投入巨資對(duì)石墨烯材料進(jìn)行研究。許多大學(xué)、研究所等研發(fā)機(jī)構(gòu)也在各國(guó)政府資助下展開石墨烯制備及應(yīng)用的研究。雖然目前石墨烯應(yīng)用的研究方興未艾，但是絕大多數(shù)的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室或者小批量試用階段，真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有待時(shí)日。

壹行研對(duì)全球石墨烯研究和應(yīng)用的進(jìn)展?fàn)顩r進(jìn)行了詳細(xì)的梳理，發(fā)現(xiàn)目前石墨烯及應(yīng)用的研究主要集中在電子、儲(chǔ)能、復(fù)合材料等領(lǐng)域。在電子領(lǐng)域，石墨烯材料可以應(yīng)用到透明導(dǎo)電膜（TCF）、柔性電子、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）、傳感器、導(dǎo)電油墨、電磁干擾屏蔽（EMI）和靜電放電（ESD）保護(hù)、射頻識(shí)別（RFID）等產(chǎn)品中；在儲(chǔ)能領(lǐng)域，石墨烯粉體材料可以應(yīng)用于鋰離子電池（LIB）、超級(jí)電容的電極、電解液及包裝材料上。有些研究機(jī)構(gòu)還致力于開發(fā)基于石墨烯薄膜的全固態(tài)電池、薄膜電池、太陽(yáng)能電池、燃料電池等。作為一個(gè)性能卓越的復(fù)合材料組分，石墨烯可以添加到各種散熱材料及散熱器件中，也可以作為抗摩擦添加劑、抗腐蝕添加劑、增強(qiáng)材料、結(jié)構(gòu)填料等；石墨烯其他的應(yīng)用領(lǐng)域還包括環(huán)保過濾器、海水淡化、3D打印材料、隔熱阻燃、墻暖地暖、醫(yī)療保健以及提高石油采收率（EOR）等。

石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

在石墨烯粉體產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域，歐美要比中國(guó)公司超前很多。根據(jù)壹行研的全球石墨烯行業(yè)排名，2015年全球石墨烯粉體市場(chǎng)份額名列前三的公司包括美國(guó)的XG Sciences公司和Vorbeck Materials公司，這些公司早在2014年前就已經(jīng)有了規(guī)模化商業(yè)生產(chǎn)，并且收入都達(dá)到了數(shù)百萬(wàn)美元。相比之下，中國(guó)的石墨烯粉體供應(yīng)商一直到2015年底才開始有了商業(yè)訂單，但也只有有限的幾家能夠批量生產(chǎn)，絕大部分中國(guó)石墨烯粉體企業(yè)的收入規(guī)模都還比較小。

不過，中國(guó)在石墨烯薄膜商業(yè)化的進(jìn)程上發(fā)展迅速，尤其是在石墨烯觸控屏方面，國(guó)內(nèi)的商業(yè)化進(jìn)程走得更快、更遠(yuǎn)。據(jù)壹行研統(tǒng)計(jì)，智能手機(jī)（石墨烯薄膜用作觸摸屏和導(dǎo)熱墊器件）是中國(guó)最大的石墨烯薄膜應(yīng)用領(lǐng)域之一。中國(guó)領(lǐng)先的石墨烯薄膜公司都把觸摸屏智能手機(jī)市場(chǎng)作為目標(biāo)，產(chǎn)業(yè)鏈下游的中國(guó)手機(jī)領(lǐng)導(dǎo)品牌，如小米、聯(lián)想、酷派等也已經(jīng)開始在自己的智能手機(jī)生產(chǎn)線上測(cè)試使用石墨烯薄膜器件。不過，這些應(yīng)用都還處于實(shí)驗(yàn)室或者小批量試驗(yàn)階段，尚未開始大批量生產(chǎn)。

另一方面，國(guó)外領(lǐng)先的石墨烯薄膜生產(chǎn)商，比如西班牙的Graphenea公司和日本的Graphene Platform公司，則把主要精力放在開發(fā)更為高端的石墨烯薄膜產(chǎn)品上，例如傳感器及智能包裝等。高端石墨烯薄膜的應(yīng)用存在相當(dāng)高的技術(shù)壁壘，因此，國(guó)外領(lǐng)先石墨烯薄膜企業(yè)在這個(gè)高端市場(chǎng)上擁有定價(jià)權(quán)。

石墨烯市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速但規(guī)模仍很小

全球石墨烯市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，這主要是受以下幾個(gè)因素的驅(qū)動(dòng)。首先，石墨烯制備技術(shù)日臻成熟，未來(lái)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)在石墨烯生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用將大幅降低石墨烯的生產(chǎn)成本。其次，石墨烯供應(yīng)商與下游應(yīng)用工業(yè)企業(yè)的合作日益緊密，許多石墨烯供貨商傾向于從原來(lái)純粹的原料供應(yīng)發(fā)展到生產(chǎn)下游應(yīng)用的中間體，或直接與下游廠商合作生產(chǎn)高附加值的石墨烯器件，這一合作將進(jìn)一步加快石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。再次，由于石墨烯基礎(chǔ)以及應(yīng)用研究的不斷深化，新的石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地被開發(fā)出來(lái)。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景來(lái)看，石墨烯應(yīng)用一旦形成規(guī)模，生產(chǎn)成本將進(jìn)一步下降，從而有效降低石墨烯價(jià)格并促使下游的廠商更多地采用石墨烯材料，形成上下游協(xié)同發(fā)展的良性循環(huán)。此外，政府、風(fēng)險(xiǎn)投資和產(chǎn)業(yè)資本對(duì)石墨烯的投入具有持續(xù)性。由此可見，技術(shù)、成本、資金等各方面的支持使得石墨烯市場(chǎng)的發(fā)展條件日益完備。因此，可以預(yù)期石墨烯市場(chǎng)在未來(lái)5年將迎來(lái)快速增長(zhǎng)期。

另一方面，我們也必須看到，石墨烯市場(chǎng)增長(zhǎng)快速的一個(gè)原因是目前市場(chǎng)的基數(shù)還很小，只要稍有突破就能帶來(lái)很高的增長(zhǎng)率。2015年中國(guó)石墨烯市場(chǎng)收入比2014年翻番，但其收入也不過600多萬(wàn)美元。壹行研預(yù)測(cè)到2020年，全球石墨烯市場(chǎng)的收入也不過剛剛超過2億美元。這個(gè)規(guī)模與其他成熟的工業(yè)材料行業(yè)相比是微不足道的。

石墨烯材料在汽車上的應(yīng)用初露端倪

汽車上集成了為數(shù)眾多的新材料，如傳感器、電子系統(tǒng)、電池等，是集電子、材料等各種工業(yè)技術(shù)之大成者。目前，已有一些領(lǐng)先的石墨烯技術(shù)開發(fā)者和材料公司與下游汽車生產(chǎn)商進(jìn)行研發(fā)合作，致力于用石墨烯功能材料替代現(xiàn)有的車體、電子系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等使用的材料，制造出具有更高性能、更節(jié)省能源、更輕巧的汽車。例如，美國(guó)Carbot公司、XG Sciences公司、Vorbeck Materials公司以及德國(guó)巴斯夫公司等在進(jìn)行石墨烯汽車材料的研發(fā)合作，美國(guó)NanoIntegris公司、日本本田公司、中國(guó)第六元素公司和中國(guó)一汽等也有一些相關(guān)合作項(xiàng)目。

石墨烯在傳感器和其他高性能電子器件中的應(yīng)用研究受到跨國(guó)公司巨頭的高度重視。例如，美國(guó)半導(dǎo)體巨頭英特爾公司和IBM公司開展了石墨烯薄膜材料在傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、射頻識(shí)別等高性能電子器件的應(yīng)用研究。據(jù)報(bào)道，IBM研究院已經(jīng)開發(fā)出了和標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝兼容的，運(yùn)算功能更為強(qiáng)大的石墨烯芯片；在歐洲，德國(guó)AMO公司和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)也合作開發(fā)出了基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管及二極管。

石墨烯的傳感器擁有更為優(yōu)越的性能。比如，2015年新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員用石墨烯和氮化硼制造出了一種新型的磁阻傳感器芯片，其性能比對(duì)應(yīng)的硅基磁阻傳感器的敏感度提高了200倍。雖然目前這些研究都還處于實(shí)驗(yàn)室階段，但與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料相比，石墨烯卓越的電子遷移性能以及可調(diào)控帶隙潛力使得該材料在未來(lái)有可能造就更強(qiáng)有力的微電子器件，并可用于打造更強(qiáng)大的汽車傳感與控制系統(tǒng)。此外，由于石墨烯膜對(duì)小分子的阻隔性能，石墨烯材料亦可在汽車用空氣質(zhì)量傳感器上一展所長(zhǎng)。

石墨烯優(yōu)越的導(dǎo)熱、防輻射、防靜電等性能可以切實(shí)提高電子產(chǎn)品的散熱效率，并提高相關(guān)電子器件抗電子干擾和抗靜電的能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。在散熱方面，與傳統(tǒng)的活性炭散熱器件相比，含有石墨烯的散熱器件以其輕量化和高散熱性能被應(yīng)用于電子產(chǎn)品的散熱領(lǐng)域。目前，全球領(lǐng)先的石墨烯供應(yīng)商美國(guó)的XG Sciences公司和Angstron Materials公司等均提供用于電子元件的散熱、冷卻、電磁干擾屏蔽的石墨烯材料；加拿大的Grafoid公司也聯(lián)合CapTherm System公司開發(fā)出了針對(duì)電動(dòng)車和LED應(yīng)用的石墨烯散熱產(chǎn)品。

另外，得益于石墨烯元件在消費(fèi)電子產(chǎn)品，如手機(jī)觸摸屏等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，未來(lái)汽車中控屏等系統(tǒng)采用石墨烯元件的可能性也越來(lái)越大。

石墨烯優(yōu)越的抗摩擦性能使其被應(yīng)用于抗摩擦相關(guān)產(chǎn)品中。添加石墨烯的潤(rùn)滑和抗摩擦產(chǎn)品已經(jīng)開始被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，估計(jì)不久會(huì)滲透到高端的汽車領(lǐng)域。

石墨烯材料在汽車上的潛在應(yīng)用

航空航天和汽車工業(yè)同樣對(duì)摻入石墨烯的高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的結(jié)構(gòu)材料感興趣。汽車與航空制造企業(yè)，如本田公司、豐田公司、通用汽車公司、菲亞特公司及空客公司等已經(jīng)開始與歐美石墨烯生產(chǎn)商合作進(jìn)行測(cè)試。

智能玻璃，也就是能夠根據(jù)周邊溫度、日照強(qiáng)度等因素改變顏色的玻璃，將會(huì)在高檔車上被采用。這種玻璃可以減少車內(nèi)空調(diào)的工作時(shí)間和強(qiáng)度，起到節(jié)能的效果?；谑┑臒嶂伦兩ＡВ═C glass）還在研發(fā)的初期，不過，隨著汽車節(jié)能要求提高，基于石墨烯材料的熱致變色玻璃在未來(lái)有可能被高檔汽車所采用。

石墨烯汽車輪胎目前并沒有太明顯的進(jìn)展，但石墨烯在高端自行車輪胎上的使用已經(jīng)有了案例。意大利的自行車輪胎公司Vittoria和英國(guó)的石墨烯開發(fā)公司Direct Plus已經(jīng)成功合作把石墨烯材料應(yīng)用到了高性能公路自行車及越野自行車的輪胎中。另外，德國(guó)的巴斯夫、沙特阿拉伯的沙特阿拉伯基礎(chǔ)工業(yè)和德國(guó)拜耳材料公司等針對(duì)涂料、橡膠彈性體等研發(fā)的石墨烯母料及相關(guān)復(fù)合材料也在實(shí)驗(yàn)室階段，估計(jì)未來(lái)可能被應(yīng)用于汽車相關(guān)的材料中。

體育用品公司，如美國(guó)阿迪達(dá)斯公司、安德瑪公司和奧地利的海德公司已經(jīng)開始研發(fā)具有優(yōu)越機(jī)械強(qiáng)度、抗靜電、抗電磁輻射等性能的石墨烯纖維以及相關(guān)的功能紡織品，其主要應(yīng)用于智能服裝等可穿戴電子領(lǐng)域?？梢灶A(yù)期，基于石墨烯纖維的紡織品未來(lái)可能會(huì)在汽車內(nèi)飾部分出現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)阻燃、耐摩擦等功效。

此外，摻雜石墨烯的防腐涂料早已面世，并且已經(jīng)在海上風(fēng)電、游艇等高端涂料市場(chǎng)開始批量生產(chǎn)。不考慮價(jià)格因素，石墨烯功能涂料亦可滿足汽車底盤在高降水區(qū)域的防腐需求，不過目前還沒有看到類似涂料應(yīng)用于汽車工業(yè)的案例。

最后，石墨烯在汽車電池和儲(chǔ)能方面也可以大顯身手。不過，這并不意味著前一段時(shí)間市場(chǎng)上熱議的石墨烯電池能在短時(shí)間內(nèi)獲得突破。XG Sciences公司以及Angstron Materials公司都在石墨烯-硅陽(yáng)極材料開發(fā)方面投入巨資，希望能在近期取得技術(shù)及工藝突破。不過，石墨烯電極的對(duì)電極選擇（counter-electrode selection）依然是一個(gè)限制大批量出貨的技術(shù)瓶頸。壹行研認(rèn)為，未來(lái)幾年這一技術(shù)瓶頸很難得到突破。

目前，國(guó)內(nèi)通信業(yè)巨頭華為公司等也在石墨烯輔助的高性能鋰離子電池上進(jìn)行積極開拓。華為中央研究院瓦特實(shí)驗(yàn)室2016年年底發(fā)布了一款采用石墨烯散熱材料的高溫鋰離子電池。據(jù)報(bào)道，該電池采用石墨烯散熱材料實(shí)現(xiàn)電池與環(huán)境之間的高效散熱，其上限使用溫度可提高10℃，使用壽命可延長(zhǎng)一倍。雖然這并不是真正意義上的石墨烯電池，但是它的成功彰顯了石墨烯在電池和其他儲(chǔ)能器件上的廣泛應(yīng)用前景。另?yè)?jù)報(bào)道，添加石墨烯的電池包裝材料已經(jīng)開始小批量生產(chǎn)，目前這些應(yīng)用主要針對(duì)消費(fèi)電子領(lǐng)域，隨著電動(dòng)汽車的進(jìn)一步推廣，石墨烯電池在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也是可以期待的。

另一方面，石墨烯燃料電池和太陽(yáng)能面板的發(fā)展還處于非常前期的階段，離真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還很遠(yuǎn)。不過，這些領(lǐng)域一旦有突破將對(duì)汽車行業(yè)形成重要影響，因?yàn)樘?yáng)能面板在日系混合動(dòng)力汽車中有逐漸變成標(biāo)配的趨勢(shì)，日本幾個(gè)主要汽車制造商也在大力推動(dòng)燃料電池汽車的市場(chǎng)化進(jìn)程。石墨烯材料應(yīng)用到太陽(yáng)能面板和燃料電池的電動(dòng)汽車上可能只是個(gè)時(shí)間問題。

石墨烯作為一種全新的材料吸引了全球領(lǐng)先的材料開發(fā)商和電子元件開發(fā)商足夠的關(guān)注和投入。不過，石墨烯相關(guān)傳感器、功能紡織品、智能玻璃、車體材料、電池等產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用仍然處于研發(fā)與實(shí)驗(yàn)階段，目前尚未有規(guī)模化的石墨烯產(chǎn)品應(yīng)用于汽車的案例。但是，一些性價(jià)比較高且技術(shù)已經(jīng)相對(duì)完備的石墨烯產(chǎn)品在未來(lái)幾年進(jìn)入汽車市場(chǎng)是可以期待的。

綜上所述，石墨烯的性能優(yōu)異，但價(jià)格比較昂貴。從性價(jià)比的角度考量，石墨烯面臨的最大挑戰(zhàn)來(lái)自其他材料的競(jìng)爭(zhēng)，比如活性炭等性能稍遜但價(jià)格比較便宜。不過，隨著石墨烯制備方法的改進(jìn)、產(chǎn)量的提高和由此帶來(lái)的制備成本的下降，石墨烯在汽車上的應(yīng)用將得到實(shí)質(zhì)提升。壹行研認(rèn)為，石墨烯集成電子元件、石墨烯增強(qiáng)輪胎、石墨烯耐摩擦與散熱材料這幾種石墨烯汽車應(yīng)用最具有大規(guī)模商業(yè)化潛力，應(yīng)該得到各大汽車制造商、石墨烯生產(chǎn)商、器件供應(yīng)商和投資人的高度關(guān)注。

石墨烯集成汽車電子產(chǎn)品、石墨烯增強(qiáng)輪胎、石墨烯耐摩擦與散熱材料這三個(gè)應(yīng)用在技術(shù)成熟度及成本下降潛力兩個(gè)方面均名列前茅，因此是石墨烯材料最接近產(chǎn)業(yè)化的汽車應(yīng)用。

石墨烯材料在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的潛力分析