石墨烯在汽车上的应用，哪些最具商业化潜力

2004年，英国曼彻斯特大学的研究人员成功地分离出了石墨烯。作为公认的21世纪的新材料之王，石墨烯拥有优异的导电、导热、机械强度等特性，因此，在材料或系统中加入石墨烯往往能赋予产品某些出色的特性。

石墨烯产品的定义尚存争议

理论上，石墨烯是指由单层碳原子构成的二维晶体。不过，市场上的石墨烯产品真正由单层碳原子构成的很少，大多由多层碳原子构成。一般认为，不超过10层碳原子厚度的可以称为石墨烯，超过10层碳原子厚度的不能算是石墨烯材料（更接近膨化石墨烯）。

新技术行业研究公司壹行研（Innova Research）按产品形态把石墨烯分为石墨烯粉体（又称石墨烯微片，graphene nanoplatelet）和石墨烯薄膜（graphene film）两种。其中，石墨烯粉体包括从单层到10层以上的石墨烯产品，以片状或其他状态存在；石墨烯薄膜则是指单层或多层，具有大小不等的表面积的石墨烯膜状产品。

目前，什么是真正的石墨烯产品尚未有官方定义，业界对此也存有很大争议。

石墨烯应用前景广阔

材料行业和石墨烯相关应用行业巨头，如德国巴斯夫公司、韩国三星公司等纷纷投入巨资对石墨烯材料进行研究。许多大学、研究所等研发机构也在各国政府资助下展开石墨烯制备及应用的研究。虽然目前石墨烯应用的研究方兴未艾，但是绝大多数的应用还处于实验室或者小批量试用阶段，真正实现大规模商业化应用还有待时日。

壹行研对全球石墨烯研究和应用的进展状况进行了详细的梳理，发现目前石墨烯及应用的研究主要集中在电子、储能、复合材料等领域。在电子领域，石墨烯材料可以应用到透明导电膜（TCF）、柔性电子、场效应晶体管（FET）、传感器、导电油墨、电磁干扰屏蔽（EMI）和静电放电（ESD）保护、射频识别（RFID）等产品中；在储能领域，石墨烯粉体材料可以应用于锂离子电池（LIB）、超级电容的电极、电解液及包装材料上。有些研究机构还致力于开发基于石墨烯薄膜的全固态电池、薄膜电池、太阳能电池、燃料电池等。作为一个性能卓越的复合材料组分，石墨烯可以添加到各种散热材料及散热器件中，也可以作为抗摩擦添加剂、抗腐蚀添加剂、增强材料、结构填料等；石墨烯其他的应用领域还包括环保过滤器、海水淡化、3D打印材料、隔热阻燃、墙暖地暖、医疗保健以及提高石油采收率（EOR）等。

石墨烯材料产业化进程

在石墨烯粉体产业化领域，欧美要比中国公司超前很多。根据壹行研的全球石墨烯行业排名，2015年全球石墨烯粉体市场份额名列前三的公司包括美国的XG Sciences公司和Vorbeck Materials公司，这些公司早在2014年前就已经有了规模化商业生产，并且收入都达到了数百万美元。相比之下，中国的石墨烯粉体供应商一直到2015年底才开始有了商业订单，但也只有有限的几家能够批量生产，绝大部分中国石墨烯粉体企业的收入规模都还比较小。

不过，中国在石墨烯薄膜商业化的进程上发展迅速，尤其是在石墨烯触控屏方面，国内的商业化进程走得更快、更远。据壹行研统计，智能手机（石墨烯薄膜用作触摸屏和导热垫器件）是中国最大的石墨烯薄膜应用领域之一。中国领先的石墨烯薄膜公司都把触摸屏智能手机市场作为目标，产业链下游的中国手机领导品牌，如小米、联想、酷派等也已经开始在自己的智能手机生产线上测试使用石墨烯薄膜器件。不过，这些应用都还处于实验室或者小批量试验阶段，尚未开始大批量生产。

另一方面，国外领先的石墨烯薄膜生产商，比如西班牙的Graphenea公司和日本的Graphene Platform公司，则把主要精力放在开发更为高端的石墨烯薄膜产品上，例如传感器及智能包装等。高端石墨烯薄膜的应用存在相当高的技术壁垒，因此，国外领先石墨烯薄膜企业在这个高端市场上拥有定价权。

石墨烯市场增长迅速但规模仍很小

全球石墨烯市场增长迅速，这主要是受以下几个因素的驱动。首先，石墨烯制备技术日臻成熟，未来自动化生产技术在石墨烯生产上的广泛应用将大幅降低石墨烯的生产成本。其次，石墨烯供应商与下游应用工业企业的合作日益紧密，许多石墨烯供货商倾向于从原来纯粹的原料供应发展到生产下游应用的中间体，或直接与下游厂商合作生产高附加值的石墨烯器件，这一合作将进一步加快石墨烯的产业化进程。再次，由于石墨烯基础以及应用研究的不断深化，新的石墨烯应用领域在不断地被开发出来。从产业发展前景来看，石墨烯应用一旦形成规模，生产成本将进一步下降，从而有效降低石墨烯价格并促使下游的厂商更多地采用石墨烯材料，形成上下游协同发展的良性循环。此外，政府、风险投资和产业资本对石墨烯的投入具有持续性。由此可见，技术、成本、资金等各方面的支持使得石墨烯市场的发展条件日益完备。因此，可以预期石墨烯市场在未来5年将迎来快速增长期。

另一方面，我们也必须看到，石墨烯市场增长快速的一个原因是目前市场的基数还很小，只要稍有突破就能带来很高的增长率。2015年中国石墨烯市场收入比2014年翻番，但其收入也不过600多万美元。壹行研预测到2020年，全球石墨烯市场的收入也不过刚刚超过2亿美元。这个规模与其他成熟的工业材料行业相比是微不足道的。

石墨烯材料在汽车上的应用初露端倪

汽车上集成了为数众多的新材料，如传感器、电子系统、电池等，是集电子、材料等各种工业技术之大成者。目前，已有一些领先的石墨烯技术开发者和材料公司与下游汽车生产商进行研发合作，致力于用石墨烯功能材料替代现有的车体、电子系统、储能系统等使用的材料，制造出具有更高性能、更节省能源、更轻巧的汽车。例如，美国Carbot公司、XG Sciences公司、Vorbeck Materials公司以及德国巴斯夫公司等在进行石墨烯汽车材料的研发合作，美国NanoIntegris公司、日本本田公司、中国第六元素公司和中国一汽等也有一些相关合作项目。

石墨烯在传感器和其他高性能电子器件中的应用研究受到跨国公司巨头的高度重视。例如，美国半导体巨头英特尔公司和IBM公司开展了石墨烯薄膜材料在传感器、场效应晶体管、射频识别等高性能电子器件的应用研究。据报道，IBM研究院已经开发出了和标准硅CMOS工艺兼容的，运算功能更为强大的石墨烯芯片；在欧洲，德国AMO公司和瑞典查尔姆斯理工大学也合作开发出了基于石墨烯的场效应晶体管及二极管。

石墨烯的传感器拥有更为优越的性能。比如，2015年新加坡国立大学的研究人员用石墨烯和氮化硼制造出了一种新型的磁阻传感器芯片，其性能比对应的硅基磁阻传感器的敏感度提高了200倍。虽然目前这些研究都还处于实验室阶段，但与传统的硅基半导体材料相比，石墨烯卓越的电子迁移性能以及可调控带隙潜力使得该材料在未来有可能造就更强有力的微电子器件，并可用于打造更强大的汽车传感与控制系统。此外，由于石墨烯膜对小分子的阻隔性能，石墨烯材料亦可在汽车用空气质量传感器上一展所长。

石墨烯优越的导热、防辐射、防静电等性能可以切实提高电子产品的散热效率，并提高相关电子器件抗电子干扰和抗静电的能力，实现产品轻量化。在散热方面，与传统的活性炭散热器件相比，含有石墨烯的散热器件以其轻量化和高散热性能被应用于电子产品的散热领域。目前，全球领先的石墨烯供应商美国的XG Sciences公司和Angstron Materials公司等均提供用于电子元件的散热、冷却、电磁干扰屏蔽的石墨烯材料；加拿大的Grafoid公司也联合CapTherm System公司开发出了针对电动车和LED应用的石墨烯散热产品。

另外，得益于石墨烯元件在消费电子产品，如手机触摸屏等领域的应用日趋成熟，未来汽车中控屏等系统采用石墨烯元件的可能性也越来越大。

石墨烯优越的抗摩擦性能使其被应用于抗摩擦相关产品中。添加石墨烯的润滑和抗摩擦产品已经开始被应用于航空航天领域，估计不久会渗透到高端的汽车领域。

石墨烯材料在汽车上的潜在应用

航空航天和汽车工业同样对掺入石墨烯的高强度、轻质量的结构材料感兴趣。汽车与航空制造企业，如本田公司、丰田公司、通用汽车公司、菲亚特公司及空客公司等已经开始与欧美石墨烯生产商合作进行测试。

智能玻璃，也就是能够根据周边温度、日照强度等因素改变颜色的玻璃，将会在高档车上被采用。这种玻璃可以减少车内空调的工作时间和强度，起到节能的效果。基于石墨烯的热致变色玻璃（TC glass）还在研发的初期，不过，随着汽车节能要求提高，基于石墨烯材料的热致变色玻璃在未来有可能被高档汽车所采用。

石墨烯汽车轮胎目前并没有太明显的进展，但石墨烯在高端自行车轮胎上的使用已经有了案例。意大利的自行车轮胎公司Vittoria和英国的石墨烯开发公司Direct Plus已经成功合作把石墨烯材料应用到了高性能公路自行车及越野自行车的轮胎中。另外，德国的巴斯夫、沙特阿拉伯的沙特阿拉伯基础工业和德国拜耳材料公司等针对涂料、橡胶弹性体等研发的石墨烯母料及相关复合材料也在实验室阶段，估计未来可能被应用于汽车相关的材料中。

体育用品公司，如美国阿迪达斯公司、安德玛公司和奥地利的海德公司已经开始研发具有优越机械强度、抗静电、抗电磁辐射等性能的石墨烯纤维以及相关的功能纺织品，其主要应用于智能服装等可穿戴电子领域。可以预期，基于石墨烯纤维的纺织品未来可能会在汽车内饰部分出现，以实现阻燃、耐摩擦等功效。

此外，掺杂石墨烯的防腐涂料早已面世，并且已经在海上风电、游艇等高端涂料市场开始批量生产。不考虑价格因素，石墨烯功能涂料亦可满足汽车底盘在高降水区域的防腐需求，不过目前还没有看到类似涂料应用于汽车工业的案例。

最后，石墨烯在汽车电池和储能方面也可以大显身手。不过，这并不意味着前一段时间市场上热议的石墨烯电池能在短时间内获得突破。XG Sciences公司以及Angstron Materials公司都在石墨烯-硅阳极材料开发方面投入巨资，希望能在近期取得技术及工艺突破。不过，石墨烯电极的对电极选择（counter-electrode selection）依然是一个限制大批量出货的技术瓶颈。壹行研认为，未来几年这一技术瓶颈很难得到突破。

目前，国内通信业巨头华为公司等也在石墨烯辅助的高性能锂离子电池上进行积极开拓。华为中央研究院瓦特实验室2016年年底发布了一款采用石墨烯散热材料的高温锂离子电池。据报道，该电池采用石墨烯散热材料实现电池与环境之间的高效散热，其上限使用温度可提高10℃，使用寿命可延长一倍。虽然这并不是真正意义上的石墨烯电池，但是它的成功彰显了石墨烯在电池和其他储能器件上的广泛应用前景。另据报道，添加石墨烯的电池包装材料已经开始小批量生产，目前这些应用主要针对消费电子领域，随着电动汽车的进一步推广，石墨烯电池在汽车领域的应用也是可以期待的。

另一方面，石墨烯燃料电池和太阳能面板的发展还处于非常前期的阶段，离真正的产业化应用还很远。不过，这些领域一旦有突破将对汽车行业形成重要影响，因为太阳能面板在日系混合动力汽车中有逐渐变成标配的趋势，日本几个主要汽车制造商也在大力推动燃料电池汽车的市场化进程。石墨烯材料应用到太阳能面板和燃料电池的电动汽车上可能只是个时间问题。

石墨烯作为一种全新的材料吸引了全球领先的材料开发商和电子元件开发商足够的关注和投入。不过，石墨烯相关传感器、功能纺织品、智能玻璃、车体材料、电池等产品在汽车上的应用仍然处于研发与实验阶段，目前尚未有规模化的石墨烯产品应用于汽车的案例。但是，一些性价比较高且技术已经相对完备的石墨烯产品在未来几年进入汽车市场是可以期待的。

综上所述，石墨烯的性能优异，但价格比较昂贵。从性价比的角度考量，石墨烯面临的最大挑战来自其他材料的竞争，比如活性炭等性能稍逊但价格比较便宜。不过，随着石墨烯制备方法的改进、产量的提高和由此带来的制备成本的下降，石墨烯在汽车上的应用将得到实质提升。壹行研认为，石墨烯集成电子元件、石墨烯增强轮胎、石墨烯耐摩擦与散热材料这几种石墨烯汽车应用最具有大规模商业化潜力，应该得到各大汽车制造商、石墨烯生产商、器件供应商和投资人的高度关注。

石墨烯集成汽车电子产品、石墨烯增强轮胎、石墨烯耐摩擦与散热材料这三个应用在技术成熟度及成本下降潜力两个方面均名列前茅，因此是石墨烯材料最接近产业化的汽车应用。

石墨烯材料在汽车应用领域的潜力分析