目前石墨烯最重要的應用包括了電子、復合材料和儲能等行業。據分析，2015年石墨烯在電子行業的應用占到了全球石墨烯市場35.9%的收入份額，超過儲能和復合材料等其他應用市場，成為最大的石墨烯應用。預計到2020年石墨烯從電子行業取得的收入將超過全球石墨烯市場收入份額的一半，達到51.3%。
2004年，英國曼徹斯特大學（University of Manchester）的Andre Geim和Konstantin Novoselov兩位科學家成功地從石墨材料中分離出石墨烯。這兩位科學家因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。石墨烯是一個由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體材料，是目前已知的，自然界最薄、強度最高的材料。石墨烯擁有優越的光電、導熱、耐磨、耐腐蝕等性能，能夠被應用于眾多的工業領域并切實提高相關材料和系統的性能。
全球石墨烯市場還處于早期階段
雖然理論上石墨烯是只有一層碳原子厚度的材料，但市面上的石墨烯材料既有單層或者寡層的，也有多層的，而石墨烯的具體形態更是五花八門，包括了薄膜、納米片（nanosheet）、納米帶（nanoribbon）、納米圓盤（nanodisc）等。目前的商用石墨烯材料主要有兩種產品類型，一個是石墨烯粉體，又稱石墨烯微片（graphene nanoplate），一般是小于幾十層的、納米或微米級的片狀或其他形貌的石墨烯材料。石墨烯微片具有一定的機械強度，良好的導電和導熱性能，以及阻擋氣體和水分等特征性質；另一種是石墨烯薄膜（graphene film），通常指在較大的宏觀表面形成的石墨烯單層或幾層的透明膜，石墨烯薄膜具有獨特的導電性、遷移率、優異的透明度、延展性和柔性。
全球石墨烯市場還處于早期階段。根據新技術行業研究公司壹行研（Innova Research）統計，目前石墨烯最重要的應用包括了電子、復合材料和儲能等行業。壹行研的數據表明，2015年石墨烯在電子行業的應用占到了全球石墨烯市場35.9%的收入份額，超過石墨烯的儲能和復合材料等其他應用市場，成為最大的石墨烯應用。壹行研同時預測石墨烯從電子行業得到的收入將持續高速增長，預計到2020年石墨烯從電子行業取得的收入將超過全球石墨烯市場收入份額的一半，達到51.3%。
石墨烯應用的研發高潮迭起
目前，石墨烯被認為是最有可能取代硅材料的下一代半導體材料，其應用技術備受世界各國政府、跨國公司以及眾多投資者的青睞。根據壹行研統計，截至2015年底，全球對石墨烯研發的總投入已經高達24億美元。石墨烯材料的應用研發成為各大跨國公司研發部門追逐的熱點領域。
半導體巨頭，包括英特爾和IBM，分別進行了石墨烯在高性能電子產品，如場效應晶體管（FET）和集成電路芯片中的應用研究。它們還分別聯合全球知名的石墨烯研發機構，如曼徹斯特大學、麻省理工學院（MIT）、南洋理工大學（NTU）及賓州州立大學（PSU）等來持續推動石墨烯在中央處理器及芯片技術（CPU/IC）方面的研究及應用。
化學材料巨頭如巴斯夫和拜耳材料（Covestro）則側重研發性能更好的石墨烯母料及復合材料，使其具有更優越的電子、機械和熱性能，期望能應用到下游電子行業。例如巴斯夫就先后與美國的石墨烯領頭企業Vorbeck Materials和西班牙的納米材料公司Avanzare一起開發應用于電子行業的石墨烯導電涂料。
通訊及消費電子巨頭，包括三星、蘋果、諾基亞、富士康、索尼、華為等等則對石墨烯改進的透明導電膜，石墨烯導電油墨、基于石墨烯的電磁和靜電干擾組隔膜、石墨烯散熱材料等更感興趣。三星投資早在2014年就投資了全球最大的石墨烯生產廠商XG Sciences。三星SDI和XG Sciences還簽訂了聯合開發協議，主要開發應用于消費電子產品的新一代石墨烯材料輔助的鋰離子電池。而最近華為中央研究院瓦特實驗室發布的高溫鋰離子電池也采用了石墨烯散熱材料來實現三元鋰離子電池與環境間的高效散熱。據報道，該石墨烯輔助的鋰離子電池能將上限使用溫度提高10℃，并可將鋰離子電池的使用壽命延長一倍。
石墨烯的電子應用精彩紛呈
目前，許多專業的石墨烯生產商致力于置換石墨烯材料進入現有的電子材料體系。比如用石墨烯來替代ITO（Indium tin oxide，氧化銦錫）、活性炭、銀漿等材料，來開發具有更高性價比的電子產品。具體來說，石墨烯在電子產品中的應用包括，但不限于透明導電膜（TCF）、柔性電子（flexible electronics）、邏輯器件（logic device）、傳感器（sensor）、導電漿料及油墨（conductivepaste and ink）、散熱材料（thermalmanagement/spreader）、電磁干擾屏蔽（EMI shielding）和靜電放電保護（ESD protection）、射頻識別（RFID）以及智能包裝（smart packaging）等器件和系統中。
透明導電膜是石墨烯材料最早的電子應用之一。三星電子早在2010年就和韓國成均館大學（Sungkyunkwan University）合作開發了30英寸（76.2厘米）的基于石墨烯薄膜的透明導電膜的原型。不過，要獲取完美晶格而且大尺寸的石墨烯薄膜的生產成本很高，該產品相對現有的ITO薄膜來說在成本上并無優勢，高成本限制了石墨烯在大尺寸的導電膜領域的進一步發展。因此，一些石墨烯薄膜生產商，如西班牙的Graphenea和美國的Graphene Frontiers，積極改變下游產品策略，從大尺寸導電透明膜轉向供應更高性能的小面積石墨烯膜的電子產品。這些新開發的應用包括了石墨烯射頻識別和傳感器。相關石墨烯薄膜被一些半導體和電子巨頭，如英特爾、日立、阿爾卡特朗訊等采用，正處于經濟研發階段。
石墨烯膜在觸控顯示屏和電子書屏幕的應用上嶄露頭角。在石墨烯觸控屏方面國內的石墨烯膜公司在商業進程上走得更快更遠。據報道，常州的二維碳素、第六元素及重慶墨希科技等國內主要石墨烯廠商開始給手機廠商供應石墨烯薄膜產品。其中，二維碳素早在2012年就和深圳力合光電以及無錫麗格光電共同開發了石墨烯電容式觸控面板，并于2013年投產了年產3萬平米的生產線；2015年該公司進一步聯合深圳貝特萊電子發布了采用石墨烯應變感應傳感器的壓力觸控系統Z-touch。另外，2015年3月重慶墨西科技聯合影馳（GalaPad）開發的首批3萬臺石墨烯手機上市，該產品除了采用了石墨烯制成的觸摸屏，還同時采用了石墨烯散熱膜和其他含有石墨烯的器件。國內的智能手機領導品牌如小米、酷派等也在自己的手機上做了石墨烯觸控屏的測試。不過，這些應用都還處于試驗階段，尚未形成持續的大批量出貨。
另一方面，石墨烯微片材料特有的印刷便利性以及優越的電子傳導性能使得其在導電油墨、射頻識別天線（RFID antennas）印刷以及智能包裝應用領域相對于傳統的導電銀漿材料更有優勢。具體來說，應用石墨烯粉末（微片）材料來替代傳統導電油墨中較為昂貴的銀漿等關鍵材料可以達到降低導電油墨成本的效果，同時其導電性能與基于銀漿的導電油墨相當。在這方面比較領先的有全球最大的石墨烯生產商美國的XG Sciences。該公司開發了基于自己生產的XGnP?石墨烯材料的針對電子行業客戶的定制化石墨烯導電油墨以及石墨烯涂料。另一家全球領先的石墨烯廠商美國Vorbeck Materials也開發了基于石墨烯、替代傳統印刷電子使用的導電油墨Vor-inkTM，以及基于石墨烯印刷天線的射頻識別標簽（RFID tags）Vor-tagTM產品，主要應用于智能包裝領域。歐洲領先的石墨烯廠商、意大利的石墨烯公司Directa Plus則開發了針對印刷電子電路（printed electronics circuits）的Liquid G+石墨烯導電油墨產品。由于柔性及可穿戴電子在全球的逐步普及，可以預期石墨烯導電油墨以及基于石墨烯的射頻識別標簽等產品會在接下來幾年時間內進一步滲透消費電子市場。
由于石墨烯優越的導熱、防輻射、防靜電等性能，應用石墨烯可以切實提高電子產品的散熱效率，并提高抗電子干擾和抗靜電的能力，同時實現產品輕量化。目前，美國的XG Sciences和Angstron Materials等石墨烯廠商均提供基于石墨烯材料用于電子元件的散熱冷卻和電磁干擾屏蔽器件，分別命名為“XG LeafTM”和“ANG Thermal Foil”系列產品；加拿大的Grafoid也聯合CapTherm System開發了針對LED及電動車（EV）應用的石墨烯散熱產品。壹行研預期未來會有更多的電子產品采用基于石墨烯微片的散熱器件、抗電磁干擾和靜電放電保護器件。
作為硅材料的直接競爭者，石墨烯材料在高性能電子器件中的應用，比如基于石墨烯的場效應晶體管及二極管（graphene-based field-effect transistors and diodes）等邏輯器件尚處于實驗室研發及測試階段，其大規模應用還有很長的路要走。據報道，美國IBM研究院開發出和標準硅CMOS工藝兼容的運算功能更強大的石墨烯芯片；德國AMO公司也和瑞典的Chalmers University of Technology合作開發石墨烯基場效應晶體管及二極管。此外在其他傳感器研究上石墨烯材料在替代硅材料方面也取得了實驗室內的新進展，例如2015年新加坡國立大學（NUS）的研究人員用石墨烯和氮化硼（boron nitride）制造了新型磁阻傳感器（magnetoresistance sensor，MR sensor）芯片，其性能比對應的硅基磁阻傳感器敏感200倍。
石墨烯的電子應用，哪些將勝出？
壹行研從技術成熟度和成本下降潛力這兩個主要的指標對未來五到十年最可能大規模應用的九個石墨烯電子應用做了全面的評估。這九大石墨烯電子應用分別是導電漿料及油墨、散熱器件、射頻識別及智能包裝、電磁干擾屏蔽及靜電放電保護、觸控屏和應變感應傳感器、其他傳感器、大尺寸透明導電膜/顯示屏、場效應晶體管/單電子晶體管、集成電路芯片/中央處理器等。
圖一 石墨烯材料電子行業應用前景分析
如圖一所示，其中技術成熟度分值越高表示該石墨烯應用從技術層面更加成熟，1分是處于早期實驗室研究階段，最高5分是已經進入了商業推廣階段；成本下降潛力代表相關石墨烯應用在成本方面的可行性，1分表示該應用領域使用石墨烯后成本不但沒有下降空間而且還有大幅上升，10分則表示使用石墨烯后該應用領域可以產生成本下降的空間，得分越高表示該領域應用石墨烯在成本上有優勢。因此，技術成熟度得分越高且成本下降潛力分值越高的應用領域越比較容易實現大規模應用，反之，如果這兩個指標值都很低，則表示該石墨烯應用還處于技術發展的初級階段，在成本上也不具有優勢，因而離大規模市場應用還有很長的距離。
從圖一可以看出，由石墨烯微片材料制成的導電漿料及油墨的成本下降潛力最大而且具有較高的技術成熟度，是目前最具經濟可行性的應用。另一方面，石墨烯輔助的散熱器件在替代傳統散熱材料如金屬材料及活性炭等的情況下少許增加成本，但是石墨烯的添加有助于大幅度改善散熱性能，同時也延長了電子器件的壽命。在這個應用場景中對產品性能的改善以及增強電子元件在嚴苛環境的適應性足以抵消使用石墨烯帶來的額外增加的成本，所以可以預期在高端電子產品市場能形成大批量出貨。壹行研估計五年內石墨烯在上述兩個電子領域實現大規模商業應用的可能性很大。
其次，石墨烯材料在觸控屏和應變感應傳感器、電磁干擾屏蔽/靜電放電保護、射頻識別及智能包裝的應用技術成熟度等的得分也比較高。這些應用雖然陸續進入了市場導入期，但是均存在制約大規模商用的瓶頸。比如相對現有的其他材料體系優勢不夠明確，下游應用市場的成熟度不夠，等等。壹行研認為，石墨烯在這些領域實現大規模商業應用在短期內比較困難，但在中長期（五到十年）內則有較大的可能。
再次，石墨烯薄膜應用的領域，包括大尺寸透明導電膜和顯示屏、其他傳感器、及邏輯器件和集成電路等其他電子應用的技術成熟度和成本下降潛力得分均較低，很多仍停留在實驗室開發和測試階段。在石墨烯膜方面，生產可控摻雜原子且晶格缺陷較少（完美晶型）的石墨烯薄膜仍然存在較高的技術壁壘，且大量生產時不同批次的產品質量存在較大差異，因而導致大尺寸透明導電膜成本高企。從技術發展趨勢看，預期五到十年內石墨烯材料在以上這些應用領域大規模商用的可能性較小。不過，鑒于石墨烯薄膜電子器件的一些特殊性能，這些領域內的一些高價格的石墨烯器件有希望占領體量較小的高端細分市場，雖然其整體市場滲透率不會很高。
綜上所述，石墨烯的研發受到各國政府、跨國公司和研究機構的重點關注。目前，電子是石墨烯的最大應用領域，壹行研預計電子在未來五年內將會保持最大石墨烯應用領域的地位。在眾多的電子類石墨烯應用中，石墨烯導電漿料和油墨和石墨烯輔助散熱器件的技術成熟度最高，成本下降潛力最大，因而在五年內實現大規模商業出貨的可能性最大。