2018年石墨烯行业技术研发现状与发展趋势分析 石墨烯锂电池市场应用前景广阔
来源：宝鄂实业
2019-03-18 10:29
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目前，中国在石墨烯相关技术研发方面走在世界前列，遥遥领先于美日韩等发达国家。而在石墨烯技术应用方面，化工、储能和电子器件是最主要的应用领域，其中石墨烯在锂离子电池的应用前景备受关注。
石墨烯研发热度持续高涨，中国位居世界第一
石墨烯因其在电学、力学、导热散热、光学、高比表面积等方面表现出优异的性能，使其在电子信息、储能、节能环保、航空航天等领域拥有巨大的用用潜能，成为近年来的研发热点之一。同时，各国政府在新一轮的竞争中抢占石墨烯发展制高点，对石墨烯领域给予大量自主，助推了石墨烯领域的产业化进程。
根据《2018年石墨烯技术专利分析报告》数据显示，截至2018年8月29日，全球共有石墨烯相关专利51056件。从专利申请年度数量走势来看，石墨烯相关专利最早出现在上世纪末，但随后大战较为缓慢；从2010年开始，石墨烯这种世界上最薄、强度最大、导热导电性能最强的材料激起了全世界的研发热潮，研发热度居高不下。2017年，全球石墨烯专利申请数量为13371个，是2010年申请量近28倍。
此外，通过专利的最早优先权国可以了解专利技术的原创来源，经对石墨烯技术专利文献的最早优先权国进行统计分析后发现，在所有技术原创国中，中国据全球首位，占据了66.57%的市场份额，大幅领先于其他国家或地区；韩国、美国、日本也是石墨烯技术的主要原创国，但同中国专利数量相比差距较大。事实上，美国和日本是最早进入该技术领域的国家，其他国家则在2006年前后才开始进行相关研究，其中中国石墨烯专利的受理主要集中在2014年以后，增长迅速，并远远超过美日韩。
化工、储能和电子器件是石墨烯三大应用领域，石墨烯锂电池应用前景大好
从石墨烯应用专利技术及石墨烯终端产品两个方面来看，以中国的石墨烯发明专利为例，近年来，中国在石墨烯应用技术方面的研究持续增长，主要集中在储能(锂离子电池、超级电容器、太阳能、柔性储能等)、电子器件(显示屏、显示面板、传感器、集成电路、LED、OLED等)、水处理(催化降解、吸附过滤、海水淡化等)、气体处理(空气净化、气体分离等)、化工(橡胶塑料、纤维、涂料油墨、金属合金、无机材料等)、医疗(药物载体、DNA基因检测、荧光标记等)、检测、航空航天等。化工、储能和电子器件领域的石墨烯相关专利申请数量占比位居前三，三者合计占比接近90%，也就是说，化工、储能和电子器件是石墨烯应用的主要领域。
更具体的，在大众熟知的储能领域，石墨烯专利主要集中在锂离子电池领域，锂离子电池相关的专利数为3077个，占据市场份额的40%以上；其次，超级电容方面的专利数也较多，为1331个，占比为17.5%；此外，燃料电池、太阳能、硫基电池等领域也有部分相关专利。而锂离子电池领域技术研发较多的原因在于，石墨烯具有优良的导电性、能够缓解电极材料的体积膨胀等，从而大幅提高动力电池的性能，因此石墨烯在锂离子电池的正极、负极、集流体、隔膜、导电添加剂等方面应用较广，未来市场前景尤为广阔。
此外，在电子器件领域，石墨烯专利主要集中在传感器、显示屏和面板、集成电路、LED和OLED、电缆等领域。其中，传感器石墨烯的相关研究最多，发明专利数量最多，为2096个，占比为36.1%，主要涉及生物化学传感器、物理传感器、光电探测器等；而在显示屏和面板领域，石墨烯主要用于制备透明电膜、电极、引线等，同时，石墨烯在柔性显示中也有大量应用。
今年前三季度，在电动乘用车16.06GWh的总装机量中，13.98GWh采用三元电池，占比约为87％；而磷酸铁锂电池占比仅12％。“还有少数乘用车在用磷酸铁锂电池。比如，不追求高续航、用于城市通勤的乘用车，或者低速车。”天风证券分析师杨藻指出。
磷酸铁锂电池和三元电池能量密度差距有多大？“目前磷酸铁锂单体电芯能量密度约在140-150Wh/kg，电池系统能量密度约为110－120Wh/kg。而常见的三元电池单体电芯为200Wh/kg，系统能量密度约在140Wh/kg。”罗焕塔告诉中国证券报记者。
为何高能量密度成为电池厂、车企竞逐的目标？一方面受补贴政策引导。根据2018年6月实施的补贴新政，电池系统能量密度补贴门槛由2017年的90Wh/kg提升105Wh/kg，105（含）-120Wh/kg的车型按0.6倍补贴，120（含）-140Wh/kg的车型按1倍补贴，140（含）-160Wh/kg的车型按1.1倍补贴，160Wh/kg及以上的车型按1.2倍补贴。换言之，搭载磷酸铁锂电池的乘用车只能拿到0.6倍或1倍的补贴，而三元电池一般而言至少能拿到1倍以上补贴。
另一方面，对于乘用车而言，系统能量密度高低至关重要。电池的能量密度指的是电池平均单位体积或质量所释放出的电能，会影响到车辆的续航里程。“举个例子，200公斤电池包，如果能量密度是140Wh/kg，200KG可以装28度电。如果能量密度是120Wh/kg，200KG可以装24度电。这对乘用车而言很要命，因为乘用车内部空间有限，整体结构设计中只有200公斤左右的重量留给电池包，装28度电当然比24度电跑得更远。”墨柯告诉记者。
头部磷酸铁锂电池厂正在努力补足这一短板。比亚迪相关人士向中国证券报记者透露，目前公司磷酸铁锂电池系统层面能量密度最高可以做到140wh/kg。
国轩高科今年9月接受机构调研时表示，已完成了磷酸铁锂单体能量密度由170Wh/kg向180Wh/kg产线升级改造。接近三元523的性能指标，且能满足新能源汽车300公里以上的续航里程。同时计划2019年将磷酸铁锂单体电芯能量密度最高提升至接近200Wh/kg。
头部企业尤其是早期技术路线偏向磷酸铁锂的企业多在进行两手准备，提升磷酸铁锂技术路线的同时，蓄力发展三元电池。
上述比亚迪相关人士指出，目前比亚迪商用车和E6仍然在使用磷酸铁锂电池，乘用车今年已经全部换装三元电池。2018年，比亚迪在青海新增了24GWh的三元电池产能，加上截至2017年底16Gwh的总产能（其中6Gwh是三元电池，10Gwh是磷酸铁锂电池），预计2019年年底动力电池总产能达40Gwh。
国轩高科表示，正全力推进三元电池开发及投产，已完成原有两条111产线升级为三元622产线的改造，并已稳定、批量向客户供货。同时新建的4GWH升级版三元产线，已经完成一条产线的打通，预计四季度供货。
“以前走磷酸铁锂路线的中小电池厂要转换三元路线就没那么容易。一来原来上游供应商的关系都在磷酸电池体系上，要重新建立三元体系比较困难；二来还要与现有电池厂在客户资源上展开竞争。
