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二维材料国际市场及全球领先企业发展态势

供稿人:宋鸿  供稿时间:2019-2-17   关键字:二维材料  国际市场  领先企业  

(1)国际市场现状及趋势

尽管已经有几十种二维粒子被分离出来,但大多仍停留在实验室阶段,石墨烯仍然是唯一经常被用于商业应用的粒子。2014年,全球60余位科学家发布了《石墨烯及其他二维材料的发展路线图》。该路线图明确指出了石墨烯及其他二维功能材料在基础科学、健康和环境、生产、电子器件、自旋电子学、光电子和光电子学、传感器、柔性电子、能量转换和存储、复合材料和生物医学设备等领域未来10年的发展方向,并预测基于石墨烯材料的产品将会在柔性电子、复合材料和能源领域出现原型器件。该路线图目的在于引导研究界和工业界对基于石墨烯及相关二维材料产品的开发。同时该路线图也明确指出:石墨烯及其衍生物当前和未来的市场应用的驱动力来源于这些材料的生产策略。因此,拓展石墨烯及其他二维功能材料的种类,开发高效、价格低廉的制备工艺是二维材料未来10年发展的重中之重。

石墨烯产业链包括上游、中游和下游。上游为生产石墨烯所用的各种原材料,如石墨、烃类等物质的开采,中游为各类石墨烯材料的研究,包括石墨烯薄膜、石墨烯粉体等,下游为石墨烯终端产品的开发。目前世界各国对石墨烯的研究倾向产业链中游环节。前期集中在石墨烯基础研究,重点开发石墨烯的制备技术等,当前集中在石墨烯产业链中游,以石墨烯功能器件研发为主,重点推动石墨烯产业向下游转移;预计未来5-10年,仍将集中在石墨烯中游产业链,以进一步加快石墨烯产业化。

石墨烯产业的巨大市场前景亦吸引了全世界的目光。2018年,全球石墨烯市场规模约1.95亿美元。根据Markets and Markets的预测,到2020年全球石墨烯市场预计将达2.78亿美元,2015-2020年间,增长率达42.8%。Transparency Market Research预测到2025年,石墨烯全球市场规模将达12.0亿美元(表1)。

表1 石墨烯产业发展趋势预测

时间

机构

市场预测

2013年9月

BCC Research发布《石墨烯:技术、应用和市场》报告

2018年全球石墨烯产品市场将超过1.95亿美元,2023年将达到13亿美元,年复合增长率46.1%。在超级电容器、触摸屏、结构材料、传感器和高性能计算机领域的应用展石墨烯市场需求的79%。

2014年5月

Allied Market Research

2020年全球石墨烯市场将达1.49亿美元,2014-2020年间复合增长率为44%

2015年5月

Future Markets 发布《2025年全球石墨烯市场》报告

石墨烯主要应用于半导体、电子和光电,电池、超级电容器等 能源领域以及复合材料领域,占比分别为27%、19%和11%。

2015年6月

Chisult Insight 发布《2015全球和中国石墨烯行业》报告

2014年,在电子、光电和数据存储领域的应用约占全球石墨烯总需求的近31%;在复合材料的应用占24%。2014年中国石墨烯市场规模为2900万元,其中石墨烯基复合材料为477万元,占整个销售额的16.4%;预计2020年,年复合增长率达到95%,市场规模超过16亿元。

2015年9月

IDTechEx发布石墨烯年度市场报告

2026年石墨烯市场将达到2亿美元,主要应用领域为复合材料、能源和石墨烯涂料

2015年10月

Markets and Markets发布《全球石墨烯铲平、应用及区域市场:2020年趋势和展望》报告

到2020年全球石墨烯材料市场预计将达2.78亿美元,2015-2020年年复合增长率达42.8%。北美是全球最大的石墨烯市场,其市场增长主要依靠石墨烯基复合材料和涂层材料需求的增长。

2015年10月

中国石墨烯产业技术的创新战略联盟

2013年全球石墨烯市场规模约为1250万美元,预计2020年石墨烯市场规模将达到1.2亿美元。

2017年11月

Transparency Market Research

预测到2025年,石墨烯全球市场规模将达12.0亿美元。

2018年5月

中国经济信息社发布《2017—2018中国石墨烯发展年度报告》

《报告》认为,随着低成本、高性能、规模化应用技术的突破,石墨烯将掀起一场席卷全球的产业革命。但目前,全球石墨烯仍处在产业化突破前期。2018年,全球石墨烯市场规模约1.95亿美元。

(ISTIS整理)

石墨烯自问世以来,被业界普遍看好其发展。透过石墨烯技术行业的市场现状及发展趋势,石墨烯的规模化制备是其走向应用的关键一步,如何大规模地制备高质量、大尺寸、低成本的石墨烯是产业化亟待解决的问题。目前CVD法被公认为最具规模化制备前景的方法之一,且已在产能方面取得重大突破,为此石墨烯的各项性能参数、制备成本的控制及后处理技术都是该技术产业化的研究方向。其次,石墨烯的电子性能、磁性等新性能还有待全面深入研发。最后,石墨烯的应用涉及不同领域和行业,对石墨烯的产业化要求也不同,在技术转化为产品中,还需要艰苦的探索和实践过程。

除石墨烯及其衍生物之外,二维过渡金属卤化物(TMD)和黑磷在微电子领域也备受关注,这两类材料不仅具有较高的载流子迁移率,还具有可调控的能带间隙,被认为是继石墨烯之后可被用于制备场效应晶体管、信息存储器等微电子器件的理想材料之一。二维黑磷被预测在众多的应用中颇具潜力,其优异的光电性能不仅有望代替硅用于制备晶体管,还可以用于制造其他高性能的电子设备和光电设备。场效应晶体管、光电元件、气体传感器、太阳能电池和黑磷量子点都是其未来可期应用方向。这些新型二维材料的研究,刚刚起步,尚未形成专利技术或商业市场性壁垒。

(2)全球领先企业发展态势

当前,二维材料技术开发应用热潮方兴未艾,重点企业研发动态如表2所示。经过聚类分析,我们将这些企业划分为5类:(1)石墨烯材料新兴企业:这些企业在成立之初就开始专注于石墨烯材料领域的开发与研究;(2)二维材料新兴企业:这些企业在成立之初就开始广泛关注石墨烯以及其他二维材料的开发与研究;(3)成功转型企业:这些企业之前从事其他领域业务,随后快速转型进入二维材料行业;(4)设备制造商:这些中小企业的核心业务主线是为石墨烯材料的制造商提供生产设备;(5)以科学/知识产权为发展重心的公司:这些企业拥有很多石墨烯专利,并且经常与大学建立业务联系。表2中的多数企业专注石墨烯领域,这可能是因为其他二维材料仍然离市场化的目标很远。

研究发现,一些企业会更多报道与其他企业的商务联系,这表明在该地区有着广泛的商业集群和产业联盟,例如英国石墨烯旗舰队开发出用于新型石墨烯基红外(IR)探测器;一些企业会高频率地提及与其他企业、高校以及政府的联系。例如美国CVD Equipment Corporation宣布其子公司CVD材料公司接受了一个面积为300mm2,生长于铜铝箔上的CVD石墨烯的订单,制备方法采用正在处于审查状态的专利“高质量、低成本的CVD石墨烯制备技术”;2012年,英国财政部追加2150万英镑用于石墨烯商业化研究,空客、BAE、劳斯莱斯等额外匹配1200万英镑;还有一些企业积极地活跃在产业价值链上的多个不同位置,它们在不同价值链位置上有确切的产品产出,同时也在其他价值链位置上也有产品生产计划。位于多个价值链位置上的企业大多是将原材料生产过程结合中间产品或者制造设备过程,向下游转型,从而进行多元化产品组合。例如美国GDL和其合作伙伴一起开发石墨烯在市场中的应用。GDL侧重于利用石墨烯和其他先进材料来提高现有产品的性能,增加合作伙伴产品线的竞争优势。还共同开发新的设备和产品,利用公司的合作伙伴和公司的竞争优势开发先进的基于石墨烯的能量储存、可印刷电子及新型复合材料。

表2 全球二维材料重点企业技术研发动态

国家/地区

公司/机构

技术突破

美国

Acs Material LLC

石墨烯,金属纳米材料

Advaced Micro Devices (AMD)

正在研究石墨烯作为一种可能替代硅的未来产品,已经获得3项石墨烯为基础的美国专利技术,并且拥有很多正在申请的专利

Angstron Materials Inc.

是面向全球的纳米石墨烯薄片(NGPs)生产商,该产品主要用于增强高分子的电学、热学、力学及阻隔等性能,每年产能为300吨。公司主要产品包括:大规模制备的石墨烯和氧化石墨烯、纳米复合物母粒、储能溶液、热管理和热界面材料、防腐及阻隔涂料和油漆。

Bluestone Global Tech

石墨烯薄膜

Cabot Corporation

石墨烯导电添加剂(LITX™ G700)、用于散热介质材料的特种石墨烯。

Carbon Science

是专注于开发石墨烯材料相关突破性技术的上市公司。公司开发的石墨烯制备工艺技术源于加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的发明,该方法是将天然气转化为商业化的石墨烯片。

California Lithium Battery

基于石墨烯电池的阳极过程的GEN3锂离子电池

CVD Equipment Corporation

是先进设备的设计和制造商,设备面向先进电子元件的应用研究和产业化,材料和涂料的发展、设计和制造。公司提供一系列化学气相沉积、气体控制及其他设备,主要用于研究、设计和制备半导体、太阳能电池、石墨烯、碳纳米管、纳米线、LEDs、MEMS、电池、超级电容器、工业涂料及用于印刷电路版组件的表面安装的设备。CVD应用实验室主要从事纳米、纳米到微米材料的更高效率的制备,致力于加速材料在纳米/太阳能/能源领域的商业化。全资子公司CVD材料公司主要从事纳米材料的商品化,即纳米材料从纳米到宏观的转变及纳米材料的产品化。

2014年1月9日,公司宣布它已经递交临时专利,范围覆盖低成本、更大面积和更高质量CVD石墨烯的增产制备技术。

2014年4月1日,公司宣布其子公司CVD材料公司接受了一个面积为300mm2,生长于铜铝箔上的CVD石墨烯的订单,制备方法采用正在处于审查状态的专利“高质量、低成本的CVD石墨烯制备技术”。目前,面积分布在75-100mm2的石墨烯样品提供现货,面积为300mm2的样品需要预定。

Graphene Devices Ltd(GDL)

和其合作伙伴一起开发石墨烯在市场中的应用。GDL侧重于利用石墨烯和其他先进材料来提高现有产品的性能,增加合作伙伴产品线的竞争优势。GDL还共同开发新的设备和产品,利用公司的合作伙伴和公司的竞争优势。公司针对目前的市场确立的发展的目标是:先进的基于石墨烯的能量储存、可印刷电子及新型复合材料。

Graphene 3D Labs

是全球石墨行业巨头Lomiko Metals公司与Graphene Laboratories共同成立的合资公司,目前专注于开发基于石墨烯纳米复合材料的各类高性能3D打印材料,包括可用于FDM技术的丝材。根据战略合作协议,Lomiko成为Graphene 3D Lab所需石墨材料的独家供应商,Lomiko和Graphene 3D Lab将致力于石墨烯产品在下游领域的应用开发。早在2013年5月,Lomiko、SBUY和Graphene Labs就签署了一项基于石墨烯应用的协议,主要是集中在超级电容器和电池产品的开发上。目前,公司已经申请了两项与3D打印和石墨烯相关的美国专利,2014年8月11日,公司在加拿大创业交易所(TSX Venture Exchange)成功挂牌上市。2014年10月7日,公司宣布,它将登陆股票场外交易市场—OTCQB(R)挂牌交易。

Graphene Technologies

公司利用少层石墨烯和介电纳米MgO的性质开发先进复合材料和涂料,公司拥有具有自主知识产权的石墨烯和纳米MgO的制备工艺。2014年9月15日,公司宣布新产品开发计划,目的是将石墨烯从实验室推向市场。GT利用具有自主知识产权的石墨烯制备工艺来开发先进高分子复合材料。同时,GT与行业巨头进行合作研发包括结构3D打印材料、高强度高分子复合物、透明导电涂料和纳米介电高分子复合材料等项目。

HRL Laboratorias LLG

全球首款石墨烯薄膜场效应晶体管

IBM

2012年美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路,使石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景。2014年10月,IBM研究人员发现石墨烯材料能降低蓝光LED成本,这种技术有机会催生高频晶体管、光探测器、生物传感器以及其他“后硅时代”组件。

Nanotek Instruments

核心业务涉及储能器件,如超级电容器、燃料电池和下一代电池。Nanotek是世界上最早能实现石墨烯量产的公司之一,并早在2002年就已申请了第一个石墨烯制备工艺及组成技术的美国专利。公司开发的石墨烯基超级电容器功能类似于普通电双层电容器,其中电极中的活性炭被石墨烯取代。在室温下,该种超级电容器的特定能量密度为85.6 Wh/kg,与Ni金属氢化物电池相同,放电只需要几秒或几分钟。

Nano Integris

碳纳米管,石墨烯

Solan

石墨烯光电器件

Vorbeck Materials

石墨烯导电油墨

XG Science

石墨烯原料

波音

石墨烯航空结构材料

美国洛克希德马丁公司

堆叠的二维材料以及生产包含该材料的结构的方法

英特尔

实现第三类半导体存储技术创新

英国

Thomas Swan

纳米片

Haydale

石墨烯基墨水、涂料,功能化石墨烯纳米片

Nanosystems

石墨烯油墨,石墨烯粉体

夏普实验室

储能

Smith & Nephew Extruded Films Ltd.

分离

M-SOLV

触摸屏

Perpetuus Advanced Materials

石墨烯纳米片,27t/a

Nano Products

印刷电子产品

Graphene Research

大面积石墨烯片

Applied Graphene Materials

高分子复合材料,石墨烯粉体,石墨烯分散液

Plastic Logic

石墨烯柔性显示屏原型

FlexEnable

柔性电子技术

Graphene Industries

薄膜

英国剑桥大学;

英国Emberion公司;

西班牙光电子研究院ICFO;诺基亚英国;

希腊Ioannina大学

石墨烯旗舰队:开发出用于新型石墨烯基红外(IR)探测器

空客、BAE、劳斯莱斯

2012年,英国财政部追加2150万英镑用于石墨烯商业化研究,空客、BAE、劳斯莱斯等额外匹配1200万英镑

马斯达尔公司

2014年,英国政府联合马斯达尔公司继续投资6000万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心,加速石墨烯的基础研究及应用开发

欧盟

德国AMO

石墨烯片、定制基底石墨烯,2007年生产出第一个石墨烯晶体管

德国Aixtron AG

设备

瑞典Graphensic AB

外延生长单层石墨烯

芬兰诺基亚

石墨烯基传感器、防水涂层及储能器件,锂离子电池,印刷工艺

挪威Abalonyx AS

氧化石墨烯,1t/a

挪威CrayoNano

石墨烯杂化电极材料

挪威Abalonyx AS

GO用于原油和天然气行业

西班牙Graphenea

石墨烯薄膜、氧化石墨烯

西班牙Graphenano

石墨烯建筑涂料、聚合材料电池

意大利Directa Plus

石墨烯基纳米材料

韩国

Graphenen Square

石墨烯薄膜、CVD设备

三星集团Samsung

投入巨大研发力量,保证其在石墨烯柔性显示、触摸屏以及芯片等领域的国际领先地位,为韩国石墨烯产业发展提供支撑。2017年,三星电子公司通过石墨烯材料来扩充电池容量并提高充电速度,充电效率提高5倍

Planar Tech LLC

CVD设备

浦项制铁

防腐涂层

CHANGUNG

电磁屏蔽涂层

日本

Graphene platform

CVD石墨烯

富士

光伏用石墨烯薄膜

东芝

石墨烯薄膜

索尼

石墨烯薄膜

Incubation Alliance

石墨烯花状材料

Showa Denko

量产优质石墨烯片

本田公司

二维材料研制高级电池

新加坡

JEC公司

二维材料在航空领域的应用

(ISTIS整理)

其中,石墨烯作为一种新型的二维纳米材料,因其优异的性能在电子信息、新材料、新能源、生物医药、环境保护等诸多领域具有巨大的应用潜能和革命性变革,世界各国和跨国企业纷纷投入巨资加强石墨烯的研发、生产和应用,以期抢占产业制高点。基于石墨烯卓越的性能、广阔的市场前景和潜在的巨大经济效益,IBM、英特尔、陶氏化学、三星等国际知名跨国企业纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,而且还涌现出了大批专门从事石墨烯研发、生产和应用的机构和企业,它们纷纷加快石墨烯的研发、专利布局和产业布局(表3)。

表3 石墨烯重点企业专利布局和产业布局

国家/地区

重点企业

专利布局重点

产业布局重点

美国

IBM、波音、英特尔

原料制备、功能化、光电显示、传感器、储能器件、集成电路、晶体管、信息存储等

完整产业链

欧盟

诺基亚

材料制备、能源存储、电子信息复合材料等

传感器、催化剂、光电显示、半导体器件、储能器件、集成电路等

日本

东丽、东芝、索尼

薄膜制备、半导体器件、晶体管、传感器复合材料、储能材料等

薄膜连续化制备、电子器件应用开发等

韩国

三星

薄膜制备及相关设备、锂电池、LED&OLED、触摸屏、液晶显示、晶体管、传感器、储能器件等

半导体、柔性显示、可穿戴设备等

(ISTIS整理)

如前所述,美国、英国国家层面、欧盟层面以及其他国家都相继出台了刺激石墨烯研发和商业化进程的政策措施和计划,各国企业也十分重视政府部门的支持,从而确保下游石墨烯中间材料以及最终产品的市场推广和规模化生产。

英国作为石墨烯的“诞生地”,在石墨烯的基础研发方面居于世界领先地位,但从事商业开发的石墨烯企业较少,因此在石墨烯应用方面并非强项。为加快英国石墨烯产业的研发及应用化,维持英国在石墨烯及其他二维材料方面的领先地位,英国政府投入巨资加快石墨烯产业发展。英国企业也积极参与。

美国已涵盖从上游石墨烯原材料的开采到下游具体产业应用的全链条,其产业布局呈现多元化,不仅拥有IBM、英特尔、波音等众多研发实力强劲的大型企业,还诞生了众多小型石墨烯企业。

欧盟的石墨烯研究起步早且系统性强,并将石墨烯研究提升至战略高度,资金支持力度大,基础研究扎实,但由于涉足下游应用的企业较少,产业化进程推进较慢。目前欧盟约有50余家公司开展石墨烯的研发、产业化以及应用的推进,不仅包括诺基亚、巴斯夫、拜耳等工业巨头,还有众多小型专业化石墨烯企业。产业分布主要集中在德国、法国、西班牙等地。

日本和韩国集中在下游产业应用上,尤其在电子器件领域中的应用成果丰富。

韩国石墨烯产业发展产学研结合紧密,在基础研究及产业化方面发展较为均衡,整体发展速度较快。从政府层面,韩国政府通过提供资金支持、整合研究力量等多方面加大支持力度;2013年,韩国政府将在未来6年投入4230万美元,希望打造每年153亿美元的市场,形成25家全球领先企业,宣布由41家研究机构、6家企业成立石墨烯联盟,帮助企业实现石墨烯产品和技术商业化。从企业层面,主要以韩国三星集团和LG公司为主。

日本依托其良好的碳材料产业基础,是世界最先进行石墨烯研究的国家之一,产学研结合较为紧密,整体发展较为全面。包括日本东北大学、东京大学、名古屋大学等多所大学,以及日立、索尼、东芝等众多企业都投入大量资金和人力从事石墨烯的基础研究和应用开发,研究重点主要集中在石墨烯薄膜、新能源电池、半导体、复合材料、导电材料等应用领域。

 


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