作者：國海證券 周成娟（i投資會員）

投資要點：

超級材料石墨烯：單碳原子厚度賦予其無以倫比的獨特性能

石墨烯是由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格材料，只有一個碳原子厚度。它發現于2004 年，并獲2010 年諾貝爾物理學獎。石墨烯的單原子納米結構賦予它許多無以倫比的獨特性能，它是迄今發現的厚度最薄、強度卻最高、結構最致密的材料，并擁有電學、光學、化學等卓越性能，激發了全球范圍內的石墨烯研發熱潮。它或將成為高速晶體管、高靈敏傳感器、激光器、觸摸屏以及生物醫藥器材等多種器件的核心材料。

石墨烯：改變未來生活的關鍵材料

近乎完美的性能，廣泛而廉價的原材料來源，石墨烯勢必將帶來未來人類智能生活的巨大革新。建議關注目前開發石墨烯方向較為清晰明朗的幾大產業領域。

電子材料領域：

（1）柔性屏幕、可穿戴設備、太陽能充電：作為透明導電材料，石墨烯兼具高導電性和高透明性、高韌性（拉伸20%仍不斷裂），石墨烯能夠用于制作柔性電極，以及生產應用于觸摸面板、OLED 面板、太陽能電池的透明導電膜。

（2）作為電極材料，石墨烯是絕佳的負極材料，其理論比容量是740~780mAh/g，約為傳統石墨材料的2 倍多，將在鋰電池負極材料和超級電容器負極材料市場占據重要地位

（3）作為替代硅的芯片材料，由于石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快（單層石墨烯中的電子與空穴的載流子遷移率有望在室溫下達到硅的100 倍即20 萬cm2/Vs，這一數值遠遠超過以往被認為載流子遷移率最大的7.7 萬cm2/Vs 的銻化銦）因此被期待可用來替代硅，成為更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管

散熱材料領域：由于石墨烯的導熱率（5300W/m•k）是常用散熱材料銅的近14 倍，石墨的3.5 倍。石墨烯有希望取代石墨，解決智能手機、計算機的散熱瓶頸，加速其整體性能的提高。

環保監測領域：功能化的石墨烯以及石墨烯的復合材料在污染物吸附、過濾等方面展現了巨大的應用前景。

生物醫學領域：科學家發現石墨烯在細胞成像、干細胞工程、藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。

產業化進程日新月異，實力不容小覷。石墨烯從被發現到獲得諾貝爾獎只用了短短六年的時間，由它開啟的研究領域呈現了井噴的勢頭，幾乎每個月都有新興的研究方向被開辟出來。2013 年1 月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，十年內提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰略高度。IBM、蘋果、三星等巨頭都分別成立了石墨烯專題組，將其作為未來產品柔性化、智能化的核心研發材料。

石墨烯A 股投資標的詳解：建議關注金路集團（000510.SZ）、力合股份（000532.SZ）。 

風險提示：石墨烯材料產業化進程不達預期風險，相關上市公司研究成果不達預期風險。 

1、石墨烯：近乎完美的材料

1.1、初識石墨烯

石墨烯是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004 年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由，共同獲得2010 年諾貝爾物理學獎

圖：電子顯微鏡下的石墨烯結構

石墨烯具有卓越而獨特的電學、光學、力學、化學性能，因此在諸多領域展現出寬廣的應用前景。誘人的應用前景，使得旨在應用石墨烯的研發機會也在全球范圍內急劇增加。石墨烯或將成為可實現高速晶體管、高靈敏度傳感器、激光器、觸摸面板、蓄電池及高效太陽能電池等多種新一代器件的核心材料。

1.2、無與倫比的優點

圖：單原子尺寸賦予“神奇材料”石墨烯無以倫比的性能特點

石墨烯具備各神奇性能，想象空間巨大。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。其高透明性和高導電性，使其也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。石墨烯還可耐受1 億~2 億A/cm2 的電流密度，是銅耐受量的100 倍左右，傳熱率與金剛石相當，加之其薄片形狀，所以石墨烯作為劃時代的散熱材料也是備受期待的。

1.3、石墨烯將在未來各個領域大放異彩 

石墨烯應用尺寸從原子尺寸擴大到宇宙。許多研究機構及廠商已經開始以具備多項穿透特性的單層石墨烯為對象，研發新一代器件的實用化。石墨烯用途分為特殊尺寸用途，電子器件用途和構造體用途，其部分用途與CNT 重疊。

圖：石墨烯的應用領域

圖：石墨烯技術可適用的領域

石墨烯在多個領域具有廣闊的應用前景。石墨烯應用的主要開發對象之一是利用石墨烯的高載流子遷移率及高遷移速度制作的THz 頻率的晶體管。理論上估計其工作頻率可達到10THz，石墨烯可替代晶硅應用在將芯片領域，將芯片速度提高到 THz 級別。由于其高導電性、高透明性的特質，石墨烯在太陽能電池領域也讓科研人員有所期待。

1.4、各國積極布局石墨烯研究

圖：主要國家、地區石墨烯主要研究進展

目前主要國家和地區將石墨烯研究提升至戰略高度。2011 年英國將石墨烯確定為今后重點發展的四項新興技術之一，英國石墨烯國家實驗室將于2015 年建成。2013 年，韓國產業通商資源部宣布，將整合韓國國內研究機構與企業力量推進石墨烯商業化發展，在國內形成石墨烯聯盟。2013 年1 月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，十年提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰略高度。

圖：石墨烯全球專利申請分布

各國目前都在積極進行石墨烯的研究和專利布局。根據CNIPR 數據顯示，目前各國都在積極進行石墨烯應用的相關研究和專利布局。從2004 年開始，截止到2012 年6 月，全球范圍內，該領域專利申請已經超過5000 件，其中美國、中國、日本專利申請均接近或超過1000 件，美國更是超過2000 件。中國相關專利申請僅次于的美國，但與其他國家差距并不是很明顯。

2、石墨烯的產業化應用前景

圖：石墨烯材料按應用形式分類

可在產業中應用的石墨烯材料主要分為兩類，一類是石墨烯薄膜，另一類是石墨烯微片。石墨烯薄膜是由單層或多層石墨烯構成的薄膜，又細分為單晶薄膜和多晶薄膜。其中，單晶薄膜可用于制造集成電路，但距離產業化的距離還很遙遠。多晶薄膜則有望在5~10 年內實現產業化應用，可替代ITO 玻璃用于制造觸摸屏（特別是柔性電子產品）和其他需要透明導電材料的應用領域。石墨烯的另一個類別——石墨烯微片是由多層石墨烯（10 層以下）構成的微片，也可以細分為兩類，一類是功能化的石墨烯微片，由于擁有含氧基團，可以應用在藥物、檢測和催化劑等特殊領域。另一類是較為純粹的石墨烯微片，可用于導電和導熱等多個領域。

2.1、電子材料領域

2.1.1、透明導電材料：實現柔性電極、可穿戴設備、高效太陽能電池等技術的關鍵

石墨烯的高導電性、高透明性、高韌性，使其能夠用于制作柔性電極，以及用作觸摸面板、電子紙、OLED面板以及太陽能電池等的透明導電膜。

圖：石墨烯性質優于ITO

高導電性、高透明性讓其可取代ITO。石墨烯具備較高的載流子遷移率且厚度較薄。一般來說，高透明性與高導電性是互為相反的性質。從這一點來看，ITO 正好處在透明性與導電性微妙的此消彼長關系的邊緣線上（圖7）。這也是超越 ITO 的替代材料遲遲沒有出現的原因。

高韌性讓其超越ITO。除了高導電性和透明之外，石墨烯的另一個特性是具有高韌性，能夠拉伸20%而不斷裂。而且石墨烯觸摸屏合成對環境無害，需要資源少，并且隨著生產工藝的不斷改進，生產成本有望大大低于傳統ITO 觸摸屏。

圖三星公司展示的石墨烯柔性屏幕 圖可穿戴設備：讓隱形眼鏡能做Google 眼鏡可以做的事

目前諾基亞、三星、LG 均在進行該領域的研發，希望在極具前景的柔性手機領域占據先機。此外，韓國科學家利用石墨烯的這些特點，用石墨烯銀納米導線成功地在普通的軟性隱形眼鏡表層加入一個發光二極管(LED)，使隱形眼鏡可以顯示圖像，那么其他傳感器都可以放臵到隱形眼鏡上，可以讓薄薄的隱形眼鏡發揮最大的潛力。由此可見，石墨烯讓電影小說里的種種科幻片變為現實了。 

石墨烯油墨打印高導電柔性電極，能應用于包括智能電話、平板電腦、平板顯示器和太陽能電池。2013 年美國西北大學科學家使用含有微小石墨烯薄片油墨，以噴墨打印模式，打印出導電性能提高250 倍、折疊時電導率僅有輕微下降的柔性電極。因為所有的電子設備和電路需要高導電性和高解析度的電子接點和互連， 所以石墨烯油墨在未來可被用于電子設備和電路的組裝之中，生產折疊式電子設備。

圖：電子轉移途徑在剝離的石墨烯/鋅酞菁類混合體中的情形

石墨烯太陽能電池前景可期。石墨烯具有對所有紅外線的高透明性。美國科學家通過對石墨烯材料進行摻雜處理，獲得了具有能量轉化率高（8.6%）的摻雜石墨烯太陽能電池，研究人員表示如果石墨烯太陽能電池的能量轉化率達到10%，且保持生產成本足夠低，那么它們將成為市場上有力的競爭者。

圖：石墨烯觸摸屏的工作原理示意圖 圖：組裝好的石墨烯觸摸屏面板

石墨烯觸摸屏的工作原理。觸摸屏由上下兩層粘在PET 薄膜上的石墨烯構成， 沒有接觸的情況下，兩層石墨烯被下層上放臵的絕緣點陣阻隔而互不接觸。當外界壓力存在的時候，PET 薄膜和石墨烯在壓力下發生形變，這樣上下兩層石墨烯就發生接觸，電路聯通。接觸的位臵不同，器件邊緣電極收集到的電信號也不一樣，通過對電信號的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個位臵發生了接觸。

圖：2010~2017全球平板電腦出貨量預測 圖：2010~2016 中國平板電腦出貨量預測

平板電腦需求的增加給石墨烯觸摸屏的應用提供了廣闊的空間。IDC 的報告表明，平板電腦全球市場增長速度快于預期，消費者正日益傾向使用平板電腦來滿足基本的計算需求，如瀏覽網頁、查閱電子郵件、觀看視頻。IDC 預測2017 年全球平板電腦出貨量將達到4.1 億臺。就中國市場來看，2011 年平板電腦出貨量已經位居世界第二位，市場份額達到8%，但是相比PC 傳統產品約10%的全球市場份額，仍舊具有潛在的增長空間。在經歷了近年的市場導入期之后，增長率會有所降低。2016 年中國平板電腦出貨量將達到1.5 千萬臺。

圖：2009~2012 全球智能手機出貨量預測圖：20010~2012 中國智能手機出貨量 

除了平板電腦，智能手機的普及也促使觸摸屏的需求大增。根據IDC 統計，2012 年全球智能手機出貨量達到了7.2 億臺，而來自工信部的統計，2011 年我國移動智能終端出貨量超過1.1 億部，超過2011 年之前我國歷年移動智能終端出貨量的總和，實現了歷史的跨越，在2012 年出貨量達到了2.58 億部。

2.1.2、電極材料

鋰電池負極材料：助力提升其整體續航力

鋰離子電池正、負極電位差產生的電能，使得鋰離子可逆性嵌入或脫嵌負極材料從而實現充放電。

圖：全球鋰電池負極材料占比

石墨碳占97%的鋰電負極材料市場。目前鋰電池使用的負極材料主要是石墨碳， 按材料特性可分為三類，即天然石墨、人造石墨及中間相碳微球，總計約占97% 的負極材料市場。

表：石墨烯優異的比容量

目前作為主要鋰電池負極材料的石墨碳的理論比容量僅為372mAh/g。石墨具有結晶的層狀結構，易于鋰離子在其中的嵌入/脫嵌，形成層間化合物LiC6，是一種性能穩定的負極材料。但石墨負極理論比容量僅為372mAh/g，因此要實現鋰離子電池高比能量化，必須研發高容量的負極材料。

石墨烯大的比表面積和良好的電學性能決定了其在鋰離子電池領域的巨大潛力。因為石墨烯由單層碳原子排列而成，所以鋰離子不僅可以存儲在石墨烯片層的兩側，還可以在石墨烯片層的邊緣和空穴中存儲，其理論容量為740~780mAh/g， 約為傳統石墨材料的2 倍多。此外，采用石墨烯作為鋰離子電池負極材料，鋰離子在石墨烯材料中的擴散路徑比較短，且電導率較高，可以大幅提高其倍率性能。

各國對新能源汽車的大力推廣，勢必會使得未來對于鋰離子電池的需求量保持持續增長。科技部《國家“十二五”科學和技術發展規劃》和工信部的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2011～2020)》都提出了要大力發展新能源汽車。節能與新能源汽車產業已被列入國家重點支持的七大戰略性新興產業，未來十年推廣應用純電動汽車500 萬輛的戰略目標和階段目標也已出臺。

圖：2000~2012 全球鋰電負極材料供給量 圖：2000~2011 中國鋰電負極材料供給量

鋰電負極材料需求將繼續增長。根據IIT 的數據，2011 年中國負極材料供應量達9450 噸，2011 年全球負極材料供應量達28430 噸，2012 年達到32027 噸，并預測到2015年全球負極材料供應量將達到35000 噸。

超級電容器負極材料：良好的功率特性和超快充放電速度

圖：普通電容器和超級電容器結構對比

超級電容器是靠極化電解液來存儲電能的新型電化學裝臵。超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通信、國防、消費性電子產品等眾多領域有著巨大的應用價值和市場潛力，已被世界各國所廣泛關注。

表：超級電容器與電池相關指標比較（不包含實驗室數據）

超級電容器突出的特點使其可在許多領域包括新能源車中廣泛使用。超級電容器具有以下主要特點：很高的功率密度；極長的充放電循環壽命，可達10 萬次以上；非常短的充電時間；貯存壽命極長，幾乎是無限的；可靠性高，維護工作極少；適用溫度范圍寬，可在－40~70 ℃使用，滿足車輛動力系統在低溫環境下的啟動，安全性高。

圖：石墨烯電極材料示意圖

碳質材料是目前研究和應用很廣泛的超級電容器電極材料。用于超級電容器的碳質材料目前主要集中在活性炭、活性炭纖維、炭氣凝膠、碳納米管和模板炭等。而自從石墨烯被成功制備以來，人們開始探索這種碳質材料在超級電容器中的應用。

石墨烯基的超級電容器具有良好的功率特性。由于石墨烯具有極高的理論比表面積，結構上屬于獨立存在的單層石墨晶體材料，故石墨烯片層的兩邊均可以負極電荷形成雙電層。且石墨烯片層所特有的褶皺以及疊加效果，可以形成的納米孔道和納米空穴，有利于電解液的擴散。

圖：用DVD刻錄機制成的微型超級電容

2013 年3 月加州大學洛杉磯分校的研究人員發明了一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，令人稱奇的是，該電容器不僅外型小巧，而且可以在數秒內為手機甚至汽車充電。這種電容器用僅有一個原子厚度的碳層制成，其充電和放電的速度比標準電池快100 倍甚至1000 倍。

目前超級電容器在新能源汽車領域充當輔助角色。當前的混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及燃料電池汽車都配備了用來儲存能量的電池，因此，超級電容技術想介入新能源汽車領域，還需要一段很長的發展過程。從目前來看，超級電容器可扮演輔助主動力電池的角色，既可起到緩沖作用，又可延長主動力電池的壽命，同時還可增強充放電效果。