摘要:近年來,隨著全球石墨烯研發(fā)成果陸續(xù)進(jìn)入市場,疊加下游涂料、消費(fèi)電子以及新能源等產(chǎn)業(yè)保持快速增長,石墨烯材料市場需求不斷擴(kuò)大,市場規(guī)模也隨之增長。截至2023年12月底,中國石墨烯材料市場規(guī)模約為386億元,同比增長15.22%。
一、定義及分類
石墨烯是碳的同素異形體,碳原子以sp2雜化鍵合形成單層六邊形蜂窩晶格石墨烯。利用石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建富勒烯(C60)、石墨烯量子點(diǎn),碳納米管、納米帶、多壁碳納米管和納米角。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性,在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景,被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。石墨烯材料可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。
二、行業(yè)政策
1、主管部門和監(jiān)管體制
石墨烯材料行業(yè)主管部門是國家發(fā)展和改革委員會(huì)和工業(yè)和信息化部。國家發(fā)展和改革委員會(huì)主要負(fù)責(zé)研究制定行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)政策和總體規(guī)劃,指導(dǎo)技術(shù)改造,以及審批和管理投資項(xiàng)目等。工業(yè)和信息化部主要負(fù)責(zé)擬訂實(shí)施行業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策和標(biāo)準(zhǔn),監(jiān)測工業(yè)行業(yè)日常運(yùn)行,推動(dòng)重大技術(shù)裝備發(fā)展和自主創(chuàng)新,管理通信業(yè),指導(dǎo)推進(jìn)信息化建設(shè),協(xié)調(diào)維護(hù)國家信息安全等。
2、行業(yè)相關(guān)政策
近十年以來,石墨烯材料在全球受到廣泛關(guān)注。中國石墨烯產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,近年來,國家政府部門陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)政策對石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)布局?!?021年工業(yè)和信息化標(biāo)準(zhǔn)工作要點(diǎn)》《原材料工業(yè)“三品”實(shí)施方案》《關(guān)于加快推動(dòng)制造業(yè)綠色化發(fā)展的指導(dǎo)意見》等政策提出加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)制定;鼓勵(lì)實(shí)施前沿材料前瞻布局行動(dòng),積極培育石墨烯材料、量子材料、智能材料等前沿新材料,進(jìn)一步提升高端產(chǎn)品有效供給能力,鼓勵(lì)強(qiáng)化對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和國家重大工程的支撐作用;支持推進(jìn)石墨烯等新材料制造綠色環(huán)保發(fā)展。一系列支持性政策法規(guī)的出臺(tái),對石墨烯材料行業(yè)進(jìn)行支持和引導(dǎo),為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境。
三、發(fā)展歷程
石墨烯存在于自然界,且難以剝離出單層結(jié)構(gòu),將石墨烯一層層疊起來即為石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。2004年,英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃消洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。隨著不斷地操作,石墨片越來越薄直至得到僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片,即為石墨烯。2010年,英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),石墨烯常見的粉體生產(chǎn)方法拓展為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法等。2018年3月31日,中國首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽能光電子器件生產(chǎn)線在山東菏澤啟動(dòng),該項(xiàng)目主要生產(chǎn)可在弱光下發(fā)電的石墨烯有機(jī)太陽能電池,破解了應(yīng)用局限、對角度敏感、不易造型這三大太陽能發(fā)電難題。同年6月,中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《含有石墨烯材料的產(chǎn)品命名指南》,規(guī)定了石墨烯材料相關(guān)新產(chǎn)品的命名方法。目前,石墨烯材料被列為多個(gè)國家戰(zhàn)略發(fā)展材料,產(chǎn)量大幅度上漲,應(yīng)用場景不斷擴(kuò)大。
四、行業(yè)壁壘
1、技術(shù)壁壘
石墨烯材料屬于技術(shù)密集型行業(yè),具有非常高的專業(yè)技術(shù)壁壘。針對高性能石墨烯材料而言,要想攻克高定向組裝石墨烯產(chǎn)品的規(guī)?;⒌统杀局苽浼夹g(shù)和石墨烯材料的結(jié)構(gòu)修復(fù)與熱導(dǎo)率提升技術(shù)這兩大關(guān)鍵技術(shù)障礙,需要在材料配方、原材料選購、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、自動(dòng)化等多個(gè)方面形成自主技術(shù),并經(jīng)過大量的生產(chǎn)實(shí)踐不斷進(jìn)行優(yōu)化,而普通企業(yè)在沒有充分行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)積累的情況下,難以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
2、客戶認(rèn)證壁壘
石墨烯材料目前最主要的下游應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹懈叨酥悄苁謾C(jī)、平板電腦等消費(fèi)電子行業(yè)。一般大型的消費(fèi)電子品牌商基于對產(chǎn)品質(zhì)量、成本控制等因素考慮,均會(huì)建立嚴(yán)格的供應(yīng)商認(rèn)證體系。消費(fèi)電子產(chǎn)品中的石墨烯散熱器件作為一種高度定制化的產(chǎn)品,需要根據(jù)客戶的個(gè)性化需求,有針對性地設(shè)計(jì)出相應(yīng)的產(chǎn)品方案,從而對石墨烯材料生產(chǎn)商提出較高要求。且石墨烯材料供應(yīng)商一旦進(jìn)入下游客戶的供應(yīng)鏈,通常不會(huì)被輕易更換。定制化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力、長期技術(shù)驗(yàn)證的持續(xù)投入以及客戶對供應(yīng)商的品牌信任,也構(gòu)筑起了較高的進(jìn)入壁壘。
3、人才壁壘
石墨烯材料的制備涉及氧化石墨烯原料解離分散、漿料涂覆及干燥、高溫加壓熱處理還原、碳自由基修復(fù)、真空壓延加工、模切成型、熱設(shè)計(jì)仿真以及成品檢測等多個(gè)工藝流程,綜合了熱力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械工程、自動(dòng)化、信息化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,對多學(xué)科、復(fù)合背景的人才需求量較大。隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的不斷發(fā)展,石墨烯等新型材料的應(yīng)用市場不斷擴(kuò)大,對企業(yè)管理人才及技術(shù)人才提出了更高的要求。目前,石墨烯材料的技術(shù)人才主要集中在高校和科研院所,產(chǎn)業(yè)化人才相對緊缺,公司的技術(shù)人才隊(duì)伍以自主培養(yǎng)為主,從而對行業(yè)新進(jìn)入者構(gòu)成了極高的人才壁壘。
4、資金和規(guī)模壁壘
石墨烯材料下游終端產(chǎn)品更新?lián)Q代快,對上游供應(yīng)商的規(guī)?;a(chǎn)、自動(dòng)化水平、質(zhì)量控制及產(chǎn)品交付及時(shí)性均有較高要求。規(guī)模化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)需要大量生產(chǎn)、檢測等設(shè)備作為支撐,對資金投入要求較高。同時(shí),消費(fèi)電子、汽車電子等下游應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展較快,為滿足不斷變化的下游需求,持續(xù)性的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品升級同樣需要較大的研發(fā)投入和資金支持。只有企業(yè)達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模才能有效降低生產(chǎn)成本,形成市場競爭優(yōu)勢,因而形成較高的資金和規(guī)模壁壘。
五、產(chǎn)業(yè)鏈
1、行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分析
石墨烯材料從發(fā)現(xiàn)至今僅10余年,其各項(xiàng)優(yōu)異特性雖經(jīng)理論研究論證、實(shí)驗(yàn)室測試認(rèn)證,但到真正的中試、量產(chǎn)并商業(yè)化應(yīng)用同樣需要很長時(shí)間,仍處在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期。石墨烯材料產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為石墨礦、CVD設(shè)備、甲烷等原材料供應(yīng)商。其中,石墨礦是制備石墨烯的重要原料之一,近十年來我國石墨產(chǎn)量穩(wěn)居全球第一,目前國內(nèi)年產(chǎn)量穩(wěn)定在80萬噸左右。我國國內(nèi)晶質(zhì)石墨資源主要分布在黑龍江、內(nèi)蒙古、四川、山西等地,儲(chǔ)量相對豐富,為我國石墨烯材料生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
石墨烯材料應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,其產(chǎn)品可大致分為薄膜和粉體兩大類。其中,石墨烯粉體多應(yīng)用于涂料和鋰離子電池領(lǐng)域;石墨烯薄膜則因透明、導(dǎo)電、柔性好等優(yōu)點(diǎn),多應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、光子及光電設(shè)備等領(lǐng)域。未來在智能可穿戴設(shè)備、ICT 設(shè)備、航空航天、海水淡化、醫(yī)療器械等應(yīng)用領(lǐng)域的滲透率有望逐步提升。
2、行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)分析
(1)方大炭素新材料科技股份有限公司
方大炭素新材料科技股份有限公司成立于1999年,是世界領(lǐng)先的石墨電極及炭素制品的專業(yè)化生產(chǎn)和銷售公司。方大炭素主要從事石墨電極、塊狀炭磚、等靜壓石墨、核電用炭/石墨材料、石墨烯材料、碳/碳復(fù)合材料等的研制、生產(chǎn)與銷售。近年來,方大炭素發(fā)揮其炭素板塊的規(guī)模優(yōu)勢、資源協(xié)同優(yōu)勢、“大兵團(tuán)”作戰(zhàn)優(yōu)勢,靈活調(diào)整銷售策略,穩(wěn)固開拓石墨電極高端市場;重點(diǎn)抓住各類炭磚市場、特種石墨等產(chǎn)品市場需求變化尋求增量,在高爐炭磚、核電用炭/石墨材料、石墨烯制備及應(yīng)用技術(shù)的研究和生產(chǎn)等領(lǐng)域占據(jù)著領(lǐng)先位置。2023年方大炭素包含石墨烯材料在內(nèi)的炭素制品業(yè)務(wù)收入為47.07億元,同比下降3.71%;毛利率為15.59%。
(2)常州二維碳素科技有限公司
常州二維碳素科技有限公司成立于2011年,主要從事大面積石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的生產(chǎn),該產(chǎn)品主要市場包括:石墨烯透明導(dǎo)電薄膜材料的生產(chǎn)和銷售,以及在透明電極、儲(chǔ)能、電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)和技術(shù)支持服務(wù)。近年來,二位碳素以石墨烯薄膜材料研發(fā)為基礎(chǔ),通過持續(xù)的研發(fā)投入不斷開發(fā)出適應(yīng)下游應(yīng)用市場需求的產(chǎn)品,抓住行業(yè)發(fā)展機(jī)遇,不斷增強(qiáng)公司的盈利能力和持續(xù)經(jīng)營能力,以增加市場份額并建立市場影響力。2023年受下游需求承壓、產(chǎn)品銷售量減少的影響,二維碳素石墨烯產(chǎn)品收入為1474.24萬元,同比下降54.96%;毛利率為23.51%。
六、行業(yè)現(xiàn)狀
石墨烯材料是目前世界上最薄但也是最堅(jiān)硬的納米材料,幾乎完全透明,只吸收2.3%的光,導(dǎo)熱系數(shù)高于納米碳管和金剛石;電阻率比銅、銀更低,是目前世界上電阻率最小的材料,因而被廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。近年來,隨著全球石墨烯研發(fā)成果陸續(xù)進(jìn)入市場,疊加下游涂料、消費(fèi)電子以及新能源等產(chǎn)業(yè)保持快速增長,石墨烯材料市場需求不斷擴(kuò)大,市場規(guī)模也隨之增長。截至2023年12月底,中國石墨烯材料市場規(guī)模約為386億元,同比增長15.22%。此外,石墨烯材料扶持力度加碼,國家、地方政府、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟通過多種手段支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展,明確了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重點(diǎn)、方向和路徑,以解決當(dāng)前相關(guān)產(chǎn)品制備技術(shù)存在成本高、技術(shù)不成熟、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問題,開發(fā)針對特定場合的多形態(tài)和特性石墨烯材料的制備和結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù),進(jìn)一步推動(dòng)石墨烯材料市場化應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2024年,我國石墨烯材料市場規(guī)模將進(jìn)一步增長至441億元。
七、發(fā)展因素
1、有利因素
(1)國家政策大力支持
具備優(yōu)異導(dǎo)熱性能的石墨烯材料正逐步成為多個(gè)制造行業(yè)的理想替代材料,在電子器件、信息技術(shù)、國防軍工、新能源汽車等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。國家通過頒布一系列的法律法規(guī)和政策性文件,為石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的政策環(huán)境基礎(chǔ),促進(jìn)了行業(yè)的快速發(fā)展。同時(shí),國家發(fā)展改革委2023年12月修訂發(fā)布的新版《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2024年本)》中,將石墨烯材料、氫燃料電池石墨雙極板等新材料的生產(chǎn)及應(yīng)用開發(fā)列為鼓勵(lì)類項(xiàng)目,為產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
(2)下游行業(yè)需求快速增長
目前,石墨烯材料因其良好的熱傳導(dǎo)和光學(xué)性能,已被制成導(dǎo)熱散熱材料,并在智能手機(jī)、平板電腦等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用,吸引了更多下游領(lǐng)域的關(guān)注和青睞,國家層面也將石墨烯散熱材料列入鼓勵(lì)示范應(yīng)用的前沿新材料。隨著行業(yè)技術(shù)水平的不斷提高,石墨烯材料的產(chǎn)品性能進(jìn)一步提升,應(yīng)用場景不斷拓展。且依托我國消費(fèi)電子、汽車電子、通信及基站設(shè)備等行業(yè)呈現(xiàn)迅速增長的態(tài)勢,帶動(dòng)石墨烯材料市場需求快速增長。
(3)行業(yè)競爭格局初步形成
隨著國內(nèi)外石墨烯材料生產(chǎn)廠商的不斷加入,行業(yè)競爭格局初步形成。同時(shí),行業(yè)競爭加劇,促進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn),產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快,將帶動(dòng)行業(yè)良性發(fā)展,激發(fā)石墨烯材料的商業(yè)化應(yīng)用,為行業(yè)內(nèi)企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造機(jī)會(huì)。此外,行業(yè)內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)憑借優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的客戶資源、行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)工藝水平、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品品質(zhì)保障能力和及時(shí)批量供貨能力,深受下游客戶的信賴,有利于推進(jìn)市場集中度不斷提高。
2、不利因素
(1)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程緩慢
石墨烯材料擁有優(yōu)異的熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性,在熱管理、電子元器件、新能源、儲(chǔ)能、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景,自 2004年被發(fā)現(xiàn)以來受到全球?qū)<覍W(xué)者的關(guān)注和重點(diǎn)研究,世界各國不斷加大對石墨烯材料的研發(fā)并推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)中企業(yè)眾多,相關(guān)產(chǎn)品種類復(fù)雜,且相關(guān)產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善,不利于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
(2)產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善
石墨烯材料行業(yè)屬于新興材料,行業(yè)發(fā)展尚處于起步階段,供應(yīng)鏈以及下游產(chǎn)業(yè)鏈還不夠完善,未形成充分的競爭市場。同時(shí),行業(yè)發(fā)展成熟度不高,參與企業(yè)需要大量的研發(fā)投入,長期致力于工藝技術(shù)水平改進(jìn)和新產(chǎn)品研發(fā)并拓展應(yīng)用領(lǐng)域。受限于目前上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)迭代等因素影響,行業(yè)面臨新材料和新產(chǎn)品研發(fā)投入高、周期長和風(fēng)險(xiǎn)大的挑戰(zhàn)。
(3)行業(yè)高端人才短缺
隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的不斷發(fā)展,下游消費(fèi)產(chǎn)品更新迭代速度加快,優(yōu)質(zhì)石墨烯材料需求量不斷擴(kuò)大,從而對行業(yè)企業(yè)研發(fā)及技術(shù)人才提出了更高的要求。行業(yè)內(nèi)復(fù)合型專業(yè)人才不僅要有復(fù)合知識(shí)背景、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),還要對下游行業(yè)有深度的理解以滿足客戶個(gè)性化需求。但目前我國石墨烯材料領(lǐng)域?qū)I(yè)性人才相對匱乏,行業(yè)人才缺口不斷擴(kuò)大,從而限制石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新。
八、競爭格局
現(xiàn)階段,各國的支持政策大多集中在石墨烯材料中游產(chǎn)業(yè)鏈上,歐美等發(fā)達(dá)國家前期支持政策主要集中于石墨烯基礎(chǔ)研究和高端應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)。國外部分企業(yè),如日本松下、Kaneka和美國Graftech等進(jìn)入該領(lǐng)域較早,技術(shù)較為成熟,在全球石墨烯材料市場位居前列。隨著制造工藝與技術(shù)的不斷成熟,國內(nèi)廠商逐步崛起,引領(lǐng)中國石墨烯材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并且成功進(jìn)入下游大型廠商的供應(yīng)鏈體系,具有較強(qiáng)的市場競爭力。目前,中國部分石墨烯企業(yè)已能實(shí)現(xiàn)石墨烯材料規(guī)?;a(chǎn)線的投產(chǎn),如貝特瑞、方大碳素、寧新新材等,其營收規(guī)模較大,在國內(nèi)國外均有較為成熟的銷售網(wǎng)絡(luò),市占率較高,屬于我國石墨烯材料競爭市場第一梯隊(duì)。第二梯隊(duì)主要為東方碳素、常州第六元素、二維碳素、凱納股份等進(jìn)入行業(yè)較早,擁有較強(qiáng)的研發(fā)能力和全國范圍的銷售網(wǎng)絡(luò)的代表企業(yè)。該類企業(yè)依托國內(nèi)的政策支持,人才回流等紅利,有較強(qiáng)的研發(fā)能力,未來發(fā)展?jié)摿^大。第三梯隊(duì)其他中小型石墨烯生產(chǎn)制造公司,該梯隊(duì)中企業(yè)較多,市占率均不高,競爭格局較為分散。
九、發(fā)展趨勢
目前,在石墨烯材料制備領(lǐng)域,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)已經(jīng)初露崢嶸。改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提升制備效率、降低石墨烯材料生產(chǎn)成本,成為我國石墨烯材料行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。同時(shí),在應(yīng)用領(lǐng)域,石墨烯材料已經(jīng)在電池、觸摸屏、電容以及涂料等領(lǐng)域表現(xiàn)出了較好的發(fā)展勢頭,而在醫(yī)療、淡水處理等領(lǐng)域的研發(fā)工作表明,石墨烯材料具有巨大的潛在應(yīng)用前景。通過政府的引導(dǎo),國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)有望夯實(shí)“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化體系,建立完整的上、下游產(chǎn)業(yè)鏈,石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將持續(xù)升溫,并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。
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