新材料“石墨烯”，如何称王？

　　今年4月26日有报道称，广州奥翼电子科技股份有限公司与重庆墨希科技有限公司经过历时一年的联合研制，成功研发出全球首款石墨烯电子纸，预计半年内能够实现对石墨烯电子纸的量产。

　　据了解，这款石墨烯电子纸可与柔性或刚性驱动底板相结合，制作出刚性石墨烯电子纸显示屏和超柔性石墨烯电子纸显示屏。不仅如此，全球各政府在石墨烯的研究方面也都进行了各种推动和投入。

　　石墨烯越来越受到重视和青睐，在新材料中“称王”，可能只是时间问题。

　　▲全球各政府的石墨烯推动项目

　　石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成，只有一层原子厚度的二维晶体。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，证实了它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　▲安德烈·盖姆（左）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫

　　作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称之为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，它极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

　　▲石墨烯的优点

　　目前制备石墨烯常见的方法为：机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法和化学气相沉积法（CVD）。

　　▲制备石墨烯四种方法的优缺点

　　▲石墨烯的全球专利申请量变化趋势

　　从石墨烯全球专利申请量趋势图可以看出，从2004年成功从石墨中分离出石墨烯开始，石墨烯的专利申请量出现快速增长，石墨烯的相关专利技术进入快速发展期。

　　▲石墨烯专利在各国的申请情况

　　从石墨烯的专利地区布局图可以看出石墨烯的专利技术的公司和研究机构主要集中在美国、韩国和中国。三国申请量占全球申请总量的近80%，但韩国和美国的专利申请量明显少于中国。

　　中国是石墨的资源大国，加上石墨烯的研究受到了政府的大力支持，使得中国成为了研究、开发和应用石墨烯最活跃的国家之一。

　　▲中国石墨烯专利申请量TOP20

　　中国石墨烯专利申请量TOP20图表明，中国的石墨烯专利的申请人以研究机构和高校为主，企业少之又少。看来中国的石墨烯发展还处于科研阶段，下游应用市场还没有打开，产业链尚未形成。

　　▲石墨烯的技术布局分析

　　对石墨烯的技术布局分析可以看出，美国对石墨烯技术的专利布局相对全面；韩国主要集中在纳米器件方面；中国的石墨烯专利技术主要集中在石墨烯材料的制备及其在锂离子电池电极中的应用，并且远超于其他国家，但是在制备半导体方面的专利却相对较少。

　　通过对检索出的石墨烯的专利进行统计分析，综合考虑到引用次数、申请保护区域、是否为PCT申请等信息，我们选取两件专利技术来解读分析。

　　一件涉及石墨烯的大规模生产制备方法，另一件涉及石墨烯应用到锂离子电池的技术，都属于目前石墨烯行业的重要关注点和研究点。

　　石墨烯的量产一直是石墨烯制备过程中的难点和重点，其相关专利US2009110627A1是韩国三星公司于2008年7月8日申请的一件专利，该专利在中国(CN101423209A)、韩国(KR2009043418A)、日本(JP2009107921A)和德国(EP2055673A1)均申请了保护。其中，在韩国和美国的申请已经获得授权。该专利技术主要是关于化学气象沉积(CVD)制备大尺寸石墨烯的方法。

　　该专利技术方案如下：首先将沉积一层催化剂金属膜（镍、铜、钴、铁等）的硅基底放置在一个腔室中，然后通入一氧化碳、乙烯或乙炔等气体，在热处理条件下催化剂表面会生长石墨烯片，自然冷却后，将该基板在盐酸中浸渍除去催化剂膜从而将石墨烯片与基片分离开。

　　石墨烯能够大幅提升锂离子电池性能，未来将在负极材料领域有广阔的市场前景，对应的相关专利的数量也相对较多，其代表专利US2009117467A是ZHAMUARUNA于2007年11月5日申请的一件专利，该专利还通过PCT(WO2009061685A1)途径在中国(CN101849302A)、韩国(KR2010088667A)、日本(JP2011503804W)申请了保护，并且在韩国、美国、中国、日本的专利申请均已经获得授权。

　　该专利技术主要是将纳米石墨烯（GNPS）作为导电添加剂应用于锂离子电池正极材料（钴酸锂,镍酸锂,锰酸锂,磷酸铁锂和/或磷酸钒锂等）和负极材料（硅，锗，锡，铅，锑，铋，锌，铝和镉的合金或金属间化合物等）中以改善锂离子二次电池的充放电性能。

　　▲石墨烯产业链

　　在结合石墨烯市场信息和产业链信息时，发现在全球范围内，石墨烯的发展目前还存在几个主要问题：

　　1、目前还没有找到获得大面积单晶石石墨烯的工业合成方法。

　　2、下游产业链尚未形成，目前还处于前期专利布局阶段；石墨烯产量、质量以及成本问题也还未获得下游产业应用市场的认可。

　　3、由于石墨烯制备成本高居不下，量产成问题。

　　对于涉猎石墨烯的行业来说，从石墨烯的制备到应用，每个环节都要做好才是大赢家。

　　如何综合运用各种制备方法，解决石墨烯难溶解性和不稳定性的问题才是关键，取长补短，完善结构和电性能是今后研究的热点和难点；在应用方面，就目前电池领域内而言，石墨烯只能作为导电添加剂或者极性材料改善电池性能，并不能代替锂电池，最先实现产业化的应该是柔性屏幕方面。

　　相信有着政策的大力支持和技术的发展，石墨在冶金、机械、核能、武器以及节能环保、电子信息、高端装备等诸多领域，都将发挥着重要角色，从而引领整个新材料市场的发展，成为“新材料之王”。