石墨烯专利分析、竞争格局与产业应用建议
本文由微言创新（InnoTalk）授权转载，作者：刘建影（上海产业技术研究院首席科学家、上海大学国家千人计划专家及特聘教授、瑞典皇家工程科学院院士），更多石墨烯文章，请回复石墨烯查阅！
编者按
石墨烯被誉为“新材料之王”，科研和产业界对之寄予厚望，甚至有预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。那么，当前石墨烯产业化前景怎么样？发展路径如何？微言创新邀请千人计划专家刘建影教授、张冬梅博士以及结合上海科技情报所的专利分析展开讨论。
一、石墨烯专利分析
1，为什么是石墨烯？
20世纪中后期起，以高性能碳纤维（CF）/石墨纤维（GF）、富勒烯（C60）、碳纳米管（CNT）、石墨烯（GP）为代表的新型功能碳材料的发现与应用异军突起，开启了碳材料的世纪。
Smalley、Curl和Kroto三名科学家因发现“富勒烯”获1996年诺贝尔化学奖。美国Motorala公司于1997年申请了世界上第1件石墨烯相关的发明专利（US 1997-984315），英国物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov因发明由石墨中分离单层/薄层石墨烯高效新方法的重要贡献，获2010年诺贝尔物理学奖。从此，石墨烯在全世界掀起了研究与应用开发的热潮。
石墨烯（Graphene）是一种二维单层/少层结构的碳材料，石墨烯的特殊结构使其具有极其优异的力学性质和结构刚性，比如，单层石墨烯的厚度只有0.335纳米，是纸张的100万之一；断裂强度比最好的钢材还要高100倍，超过钻石；几乎是完全透明的，只有2.3%的光吸收，同时又非常致密的，最小的气体原子（氦原子）也无法穿透。因此，石墨烯所具有的特殊结构和性质令人充满想象。
2，石墨烯专利处于快速增长期
截止到2016年3月，石墨烯国内外专利族总数超过2万项。纵观石墨烯年度国际专利数量发展历程，该产业技术最早从1990年代开始零星出现，真正的发展阶段出现在2008年以后，产业技术出现了持续的快速增长，特别是在2010年诺贝尔物理学奖授予石墨烯科学家以后，全球石墨烯专利申请数量开始急剧增长，这一趋势延续至今。
图1 石墨烯专利年度走势
虽然石墨烯成为技术热点，但市场上成熟的石墨烯产品却很少见，一些新闻中的石墨烯产品也并没有走进平常老百姓家。主要原因在于石墨烯制备成本高。具体来说，现阶段石墨烯制备仍处于实验室阶段，实现石墨烯的工业化生产一直是业界的一个难题，这是造成石墨烯成本高的直接原因。虽然有公司声称实现了石墨烯量产，但质量不稳定性仍成为制约石墨烯下游产品发展的重要原因。
在石墨烯研究的二十年来，各国家在石墨烯技术中主要关注的都是制备技术，说明石墨烯技术还处于早期，材料的制备和处理占研究的最大比例。应用技术方面目前最受关注的是电极方面的应用。
图2 国际主要石墨烯专利技术领域分布
图3与图4分别为石墨烯主要专利技术研究领域的分布，从分类中获得。石墨烯的制备及处理和电极应用为主要研究方向。
图3主要国家专利技术分布图
图4 主要国家专利技术领域比例图
进一步对主要技术领域进行年度走势分析，可以发现石墨烯技术近些年的发展情况。由于石墨烯是一种新型的人工制备材料，其制备和处理自然成为最为主要的一项关键技术，从2008年左右进入快速发展，目前仍处于快速发展之中，其发展速度超越其他技术。石墨烯在电极材料和制备中的应用研发2010年开始快速发展至今。
图5 主要技术领域专利族年度分布
对比2011年和2014年石墨烯技术研发热点来看，3年来石墨烯的应用研发范围明显增大。2011年石墨烯主要的研究在制备、处理、测试，应用主要包括锂电池、晶体管和太阳电池透明电极。2014年除了石墨烯的后处理外，复合材料、存储器、传感器、光学器件和触摸屏等研发显著增多，显示出业界对石墨烯的研发重点从制备转移到应用。
图6 石墨烯专利技术热点（2011年6月专利数据）
图7 石墨烯技术热点（2014年7月专利数据）
二、石墨烯研究竞争格局
1，主要发达国家的战略布局
各国政府不断加大石墨烯研发的支持力度，希望在这新一轮石墨烯研究和产业化发展的竞争中抢占先机。在石墨烯大国中，美国、欧盟及其成员国、日本和韩国较先开展相关的战略部署，出台了各项支持政策和研究扶持计划，走在了全球石墨烯研究与产业化的前列。
美国通过国家基金项目早早布局石墨烯基础研究，并探寻石墨烯军事应用技术，目前已经形成较为全面的产业布局。自2006年至2011年期间，美国国家自然科学基金（NSF）已资助超过200项石墨烯相关的研发项目，包括石墨烯超级电容器应用、及石墨烯大规模纳米制造等项目；此外，美国国防部高级研究计划署（DARPA）于2008年也投资了2200万美元，用于发展超高速和低耗能的石墨烯晶体管的研发项目。
欧盟拟10年投入10亿欧元批准石墨烯旗舰项目，联合欧盟各国继续加强石墨烯的前沿技术和产业化应用。英国更是提出“让石墨烯在英国制造”的口号，英国财政部在石墨烯项目上的投入累计已超过1.4亿英镑。在亚洲，日本经济产业省已于2011 年开始创新融合材料研究项目，就碳纳米管和石墨烯的批量合成进行重点支持，5 年研究周期的经费高达9 亿日元。韩国政府则将石墨烯材料及产品定位为未来革新产业之一，并已投入14亿美元研发经费，全力推动产业发展。韩国产业通商资源部于2013年宣布在未来6年内，将投入4,230万美元，协助民间企业进行石墨烯应用产品和相关技术的商品化工作。此外，韩国知识经济部也预计于2012年至2018年期间，针对石墨烯产业提供 2.5亿美元的资助，其中1.24亿美元用于技术研发，其余用作商业化研究。除了资金赞助，韩国更以国家名义联合国内50 多家研究机构和企业组成石墨烯联盟，形成合力，共同推动石墨烯相关技术的商业化。
从国家竞争力来看，由国家金融信息中心指数研究院编制的2015 年《新华（常州）石墨烯指数报告》从竞争潜力、竞争行为和竞争绩效3 个维度综合评价了全球10 个石墨烯产业发展较强的国家。结果显示全球石墨烯产业综合实力美国处于相对领先的地位，日本、中国得分较接近，中国在竞争潜力和竞争行为方面呈现出较强的优势。
2，先进企业竞争情况
从企业竞争力来看，美国Nanotek 公司在2002 年申请了第一个石墨烯制备工艺及组成技术美国专利，是世界上最早实现石墨烯技术量产的公司，石墨烯生产能力及新能源应用技术居世界领先地位。目前Nanotek 公司已发展为全球最大的石墨烯生产企业，具备年产30 吨单原子层石墨烯能力，预计未来两年内，年产量将进一步增至300 吨。另外像波音公司（Boeing）也相当积极的从事这方面的研究。此外，除了官方及民间业者外，美国很多大学像西北大学、麻省理工、莱斯大学、加州大学等等，都已在石墨烯领域有可商用化的研发成果及获得一定数量的专利。
三星是韩国石墨烯产品研究开发的领头羊，发展重点在高速晶体管、触控面板及可挠式面板等。此外，与美国及中国大陆相仿，韩国的大专院校也一样投入了很多心力在石墨烯的研究开发上。
目前日本专利数量最多的是日立公司，但实际上，日本学界对石墨烯的技术开发也是一大推手。日本学术振兴会（JSPS）自2007年起开始资助石墨烯的技术开发。此外，日本名古屋大学及东北大学也在产学合作的方式下，分别开发出电子组件和医疗等领域，及汽车的电池材料的石墨烯应用。
石墨烯技术专利申请人排名中，三星、韩国科学技术院和海洋王照明科技有限公司排名前三位，分别属于韩国和中国。排名前10位的专利权人中，韩国占了一半席位。除上述两个机构外，还有LG公司、成均馆大学和延世大学。我国在石墨烯技术专利数量上拥有绝对领导地位，在全球专利申请人排名中也得到了体现，有4家机构进入前10位。美国专利总数量虽然排名第二，但是前10位中只有IBM一家美国企业，处于第8位。
选取专利数量排名前六位的企业和科研机构对技术领域分类。结果显示：海洋王照明科技有限公司不仅关注石墨烯的制备和提纯，对石墨烯在电极制备中的应用研发也很重视。三星电子和韩国成均馆大学在石墨烯在电子器件中的应用有研发优势；清华大学更为关注石墨烯的电极材料中的应用。
三、中国石墨烯专利情况
1.中国石墨烯专利数量占据世界首位
所谓专利优先权是指申请人在一个国家第一次提出申请后，可以在专利法规定的期限内就同一主题向其他国家申请保护，这一申请在某些方面被视为是在第一次申请的申请日提出的。通常而言，发明人会在本国就其发明创造第一次提出专利申请，所以优先权专利申请的地域分布可以反映国家的技术实力。全球石墨烯专利主要分布在中、美、韩、日、德等国家。
优先权专利的申请量的国际分布上，中国处于绝对的领先地位，占据产业技术所有优先权专利的54%，表明我国在石墨烯技术的研发方面处于全球前列。排名第二的是美国，占总量的17%。韩国位居第三，占16%。日本第四，占5%。排名前4位的国家占了所有优先权专利的92%。韩国、美国和日本等的专利申请数量与中国有较大的差距，这是因为该领域目前处于产业化前夕，需要政府的大力支持，中国政府在石墨烯技术领域的诸多专项支持极大推动了该国在石墨烯技术领域的研发速度，为未来在行业内领先地位奠定了坚实的基础。
对深圳海洋王照明集团的相关专利进行初步解读后发现，该集团大部分石墨烯专利都与石墨烯在电池、电容器等中的应用相关，还有不少石墨烯薄膜制备相关的专利，该集团在石墨烯领域的专利布局投入不容小觑。
除深圳海洋王照明集团外，目前中国大陆针对石墨烯的研发可以说是以学研为主，主要有清华大学、浙江大学，哈尔滨工业大学等。至于在整体产业应用方面，则分别涵盖太阳能电池、锂电池、触控屏、CVD、及透明导电薄膜等等。
2.中国专利海外布局相对薄弱
美国、韩国和日本对世界市场的争夺非常激烈，除了对本国进行专利保护外，为了在国外生产、销售石墨烯材料和产品，必须在国外地区申请相关专利以求获得知识产权保护，同时该国同族专利的申请也可以反映出其市场战略。
图2可以了解到，美国除在本国申请外，同时重点关注中国、日本、韩国、欧洲等国家和地区。韩国在专利总量上少于美国，除本国市场外，重点关注美国、日本、中国等地区。日本对于国外市场，重点关注美国、中国和韩国的专利布局。
中国虽然专利数量排名首位，但主要针对本国市场，在国外市场专利布局不多。中国、韩国、美国、日本四个主要技术原创国中，韩国、美国和日本的海外布局最多，中国专利量虽然远远高于其他几个国家，但是专利海外布局相对薄弱。
技术原创国和技术目标申请国排名基本相似，可见中国、韩国、美国、日本不仅是石墨烯技术的主要技术原创地，也是主要技术保护地。从各原创国的技术申请范围来看，韩国、美国和日本都在积极进行全球布局，中国在这方面还需要进一步加强。
结合上面对技术发源地和技术申请地的分析，对中国、韩国、美国、日本、几个主要技术原创国之间的技术流动进行分析，可以看出这样的特点：
（1）中国：中国专利体量大，但国外专利技术布局少，在日本、韩国、美国都仅有少量布局；
（2）日本：日本技术流向美国的最多，达到7.7%；
（3）韩国：韩国技术流向美国和韩国的最多，分别达到26.9%、27.5%；
（4）美国：美国流向日本和韩国的最多，分别达到22%、9.3%。
四、石墨烯的产业应用建议
1，石墨烯产业应用概况
从现有石墨烯产业发展情况来看，目前已知的应用领域包括电子器件领域、能源领域、环保领域以及金属制品的电磁防护、防腐涂料、油墨等等。按照业内的划分，石墨烯的应用可以分为初级应用（领域主要是消费电子类产品）、中高级应用（领域主要是超高频率发射器等器件产品）和高级应用（领域主要是芯片等）三个层次。石墨烯的应用领域与其尺寸有高度关联性，不同尺寸石墨烯的应用领域分布如图1所示。
近年来，石墨烯在电子器件相关领域、能源领域以及其他应用领域取得了一定进展。
（1）在电子器件领域，石墨烯主要用作散热材料、柔性触控屏材料、传感器材料和芯片材料等。柔性触控屏材料和传感器材料用在消费电子类产品上，市场需求和增长空间较大，是各个企业积极研发的重点领域。芯片材料属于石墨烯材料的高级领域应用，目前IBM 在石墨烯晶体管领域持续引领前沿科技。
（2）在能源领域，石墨烯在锂电池、燃料电池等二次电池中具有技术应用推广优势。2015年12月18日《科学》杂志发表了中科院上海硅酸盐所的研究成果——氮掺杂有序介孔石墨烯，该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的“超强电池”。
（3）石墨烯在包括电线电缆的电磁防护、船舶等产品金属表面的防腐涂料、重金属污染物的吸附、海水淡化等等领域具有一定的应用前景。虽然受制于产业标准尚未建立，行业缺乏规范，对石墨烯产品的定义和产品规格还没有形成统一标准，但是部分企业已经着手建设石墨烯涂料生产线。
（4）石墨烯作为碳质材料吸附剂，包括活性炭、碳分子筛、碳纳米管、富勒烯，以其高比表面积、物理化学性质稳定和经济高效的特性，被广泛地应用于环保领域。
但是，石墨烯发展要迎来春天，还要从两个方面进行探索和培育。
一是技术上要重点关注大尺寸单层石墨烯的规模化生产新技术。只有完整的单层石墨烯结构才能发挥其卓越的性能。在制备过程中结构被破坏，或是层数无法精确控制到单层，都将对石墨烯及产品性能带来很大影响。多层石墨烯的性能与石墨相似，而价格并不比石墨有优势。
二是要重点关注下游应用产业的培育。下游应用如何能够实现突破，是石墨烯实现产业化发展最大的瓶颈。石墨烯作为一种通用新材料，在应用于不同产品领域时，需要做更为精准的调试。下游企业在摒弃传统工艺、生产链的同时，还需要花大精力研发产品，这使得不少企业在漫长的研发周期以及巨大的前期成本投入面前陆续放弃。不太乐观地说，即使石墨烯材料生产出了性能优异的产品，但哪怕5%的技术风险，都会影响下游的需求。石墨烯理论上可以代替硅，但要推广到市场上产业化生产和应用，还要做大量的工作。目前仍没有形成完整的产业链，没有或者只有很少应用石墨烯的产品能够规模化生产，对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研机构的研究使用。
2，上海石墨烯的可行路径：决胜未来的是高端研究与应用
上海高校和科研机构有很多团队正在致力于石墨烯的相关研究（表1）。宝山区政府目前已成立了上海超碳石墨烯产业技术有限公司，运作石墨烯产业功能平台，超碳石墨烯公司与中国石墨烯产业技术创新战略联盟签署了《上海石墨烯产业技术功能型平台共建协议》。
当前，国内石墨烯相关领域的研究中心和工业中心，几乎都在做相似的研究和重复的工作，主要集中在石墨烯薄片、石墨烯填料、复合材料、涂层和防腐蚀领域。对于上海而言，建议把重点放在有重大影响的技术、有绝对优势或者潜在巨大影响力的新兴领域，可以考虑如下几方面：
一是研究成立上海石墨烯国际合作创新研究院。参考英国曼彻斯特的石墨烯研究所、剑桥的石墨烯工业研究中心，或者瑞典查尔姆斯理工大学的石墨烯研发中心等机构，建设上海石墨烯国际合作创新研究院，这将对上海地区石墨烯产业发展产生巨大影响力。
二是石墨烯技术应用于电子信息领域与金融业。在电子信息领域石墨烯还没有找到它的致胜应用，还没有研制出能够战胜硅基或者射频技术的功能器件。上海在集成电路和微电子制造和设计领域有着坚实的基础，能够为技术的使用提供可靠的平台。同时，上海要建设国际金融中心，可以考虑在银行业和金融业中发展基于石墨烯技术的应用。
三是石墨烯应用于新型功能材料。在可穿戴设备这一被看好的未来领域，虽然还没有诞生利用了石墨烯而产生变革性影响的产品，但是来自英国和爱尔兰的教授们已经用实验证明，石墨烯的透明和柔韧性能能够克服现在的可穿戴设备在适配人体结构上存在的致命缺陷，它的强导电性是解决可穿戴设备续航问题的出路之一，可以说石墨烯是可穿戴设备真正实现可穿戴的重要途径。上海布局大健康产业，可穿戴设备是产业链中的重要环节，而石墨烯时代的到来必定是可穿戴设备发展的强大支撑，应及早布局。同时，上海的航运业非常强大，石墨烯涂层和防腐蚀的广泛应用能够构建出航运业的高科技发展蓝图，提升船只使用寿命，降低维护成本。
总而言之，石墨烯的产业化发展正处于关键阶段，石墨烯有很多机遇，也有很多挑战，注重应用研究，突破下游产业应用，占领市场份额，引领上海企业向新技术新产业变革，前景美好但未来之路漫漫！