氣凝膠應(yīng)用丨新能源汽車、建筑等領(lǐng)域有望飛速發(fā)展!
寧德時(shí)代發(fā)布的麒麟電池體積利用率高達(dá)72%,能量密度高達(dá)255Wh/kg,擁有快充功能,整體效能大幅提升。麒麟電池通過設(shè)立彈性夾層、改變水冷板結(jié)構(gòu)、智能利用底層空間等方式實(shí)現(xiàn)了電池更安全、更長續(xù)航里程、實(shí)現(xiàn)快充等性能提升,電池結(jié)構(gòu)的改變也伴隨著相關(guān)材料的升級與增長。麒麟電池在隔熱、輕量化、絕緣等方向上的升級將會(huì)給水冷板、導(dǎo)熱球鋁、LIFSI、聚氨酯、氣凝膠、絕緣材料等帶來投資機(jī)遇。尤其是氣凝膠,隔熱材料領(lǐng)域佼佼者,有望迎來大規(guī)模應(yīng)用。
隔熱性能優(yōu)勢顯著,生產(chǎn)技術(shù)壁壘較高
氣凝膠是一種用氣體代替凝膠中的液體而本質(zhì)上不改變凝膠本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或體積的特殊凝膠,國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)將氣凝膠定義為“以氣體為分散相的微孔固體凝膠”。因其半透明的色彩和超輕重量,有時(shí)也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨(dú)樹一幟,隔熱性能尤為突出。氣凝膠材料具有低密度、比表面積大、孔隙率高等特點(diǎn),具有耐高溫、低熱導(dǎo)率、低折射率和低聲傳播速度等特殊的熱、光、電、聲性能。依賴于自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu),氣凝膠通過無對流效應(yīng)、無窮遮擋效應(yīng)以及無窮長疏松路徑效應(yīng)具備了遠(yuǎn)超硅酸鋁、玻璃棉等傳統(tǒng)隔熱材料的隔熱性能。因而在具有極高的隔熱要求,且需要輕度較低,穩(wěn)定性較好的應(yīng)用領(lǐng)域,氣凝膠是極佳的應(yīng)用材料。
材料體系多樣化發(fā)展,下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。按照材料的不同可將氣凝膠分為無機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、混合氣凝膠以及復(fù)合氣凝膠四大類,根據(jù)各自具備的性質(zhì)對應(yīng)下游航空航天、工業(yè)設(shè)備、石油化工、建筑管道等應(yīng)用領(lǐng)域。其中無機(jī)氣凝膠的SiO2氣凝膠作為一種防火隔熱性能非常優(yōu)秀的輕質(zhì)納米多孔非晶固體材料,是目前生產(chǎn)技術(shù)及商業(yè)化應(yīng)用最為成熟的產(chǎn)品具有低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高孔隙率、高比表面積等優(yōu)異性能,在管道保溫隔熱、隔熱涂料、節(jié)能玻璃、管道防腐、吸附催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
溶液-凝膠法成為主流工藝,干燥環(huán)節(jié)是關(guān)鍵步驟。SiO2氣凝膠通常采用溶膠-凝膠法進(jìn)行制備:首先選擇合適的硅源和催化劑,并讓硅源在催化劑條件下進(jìn)行水解,水解產(chǎn)物中攜帶的羥基基團(tuán)進(jìn)行縮合反應(yīng)后形成溶膠,溶膠粒子以鏈狀結(jié)構(gòu)組成粒子團(tuán)簇,在容器中形成濕凝膠,最后通過干燥工藝將濕凝膠中的水分或溶劑除去,即可制得干凝膠,也稱為氣凝膠。制備過程中硅源的類型、催化劑的性能、以及干燥工藝的選擇,都是影響SiO2氣凝膠結(jié)構(gòu)與性能的重要因素。
干燥工藝:干燥工藝是SiO2氣凝膠由濕凝膠向干凝膠轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。干燥工藝要求在除去濕凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中填充的溶劑的同時(shí),還要保持其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不被破壞,目前工業(yè)化生產(chǎn)中主要使用超臨界干燥技術(shù)和常壓干燥技術(shù)。一般情況下,超臨界干燥技術(shù)往往選擇有機(jī)硅作為硅源進(jìn)行生產(chǎn),設(shè)備投資與能耗均高于常壓干燥技術(shù),但是產(chǎn)品純度相對較高。
傳統(tǒng)隔熱領(lǐng)域持續(xù)滲透,新能源、建筑領(lǐng)域有望形成快速增長點(diǎn)
氣凝膠的優(yōu)勢較為突出,在高端工程、設(shè)備建造等領(lǐng)域應(yīng)用相對廣泛。一方面由于氣凝膠的產(chǎn)品性能優(yōu)越且密度較低,因而在多數(shù)保溫、隔熱應(yīng)用領(lǐng)域里具有非常好的適用性,但氣凝膠的生產(chǎn)壁壘相對較高,設(shè)備投入相對較大,工藝把握相對較難,因而氣凝膠的成本也相對較高,因而主要在工程、設(shè)備對于應(yīng)用場景、使用效果等領(lǐng)域要求較高的場景中使用。
現(xiàn)階段氣凝膠的下游需求主要來自于石油化工領(lǐng)域。氣凝膠在石油化工領(lǐng)域主要應(yīng)用于能源基礎(chǔ)設(shè)施包含蒸餾塔、反應(yīng)管道、儲罐、泵、閥門、天然氣和LNG液化氣管道等設(shè)備的保溫材料。在高溫蒸汽、導(dǎo)熱油以及工藝流體介質(zhì)管線是熱電、煉油、化工等領(lǐng)域至關(guān)重要的設(shè)備當(dāng)中,氣凝膠管道能夠很好的減少管道暴露所帶來的熱損失。根據(jù)ID TechEX預(yù)測,到2026年國內(nèi)石油化工領(lǐng)域的需求占比仍高達(dá)47%,未來石油化工領(lǐng)域仍將是氣凝膠下游需求的主戰(zhàn)場。
伴隨氣凝膠的供給企業(yè)不斷增多,工藝不斷完善,氣凝膠有望在現(xiàn)有保溫隔熱需求領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)中高端應(yīng)用的滲透,從而持續(xù)帶動(dòng)市場需求的提升和擴(kuò)展。
建筑領(lǐng)域是拉動(dòng)氣凝膠需求的主力軍。在碳中和的戰(zhàn)略背景下,建筑保溫隔熱材料也向節(jié)能、環(huán)保以及高效等方向發(fā)展。當(dāng)前市場上主要的建筑保溫材料,如巖棉、玻棉等無機(jī)纖維棉,存在纖維結(jié)構(gòu)疏松,易吸濕等問題,使用周期中保溫性能會(huì)大幅下降。聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等有機(jī)保溫材料存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。二氧化硅氣凝膠輕質(zhì)、導(dǎo)熱低、壽命長且疏水性能好,可以滿足建筑領(lǐng)域的保溫隔熱防火隔音防水等需求。目前,二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用形式主要有氣凝膠節(jié)能玻璃、氣凝膠涂料、氣凝膠氈墊、氣凝膠板材、氣凝膠混凝土和砂漿以及屋頂太陽能集熱器等。
現(xiàn)階段新能源汽車主要以鋰離子電池作為動(dòng)力電池,而極端條件下熱失控是新能源汽車動(dòng)力電池的重大安全隱患。氣凝膠隔熱材料在新能源汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用于動(dòng)力電池電芯之間的隔熱阻燃以及模組與殼體之間的隔熱防震、電池箱的外部防寒層和高溫隔熱層,從而更好地實(shí)現(xiàn)電池的溫控和電控管理,大幅降低電池發(fā)生熱失控的可能性。與傳統(tǒng)的IXPE隔熱泡棉相比,氣凝膠隔熱片在使用溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、阻燃性能等多方面核心指標(biāo)具有明顯優(yōu)勢。
電池安全性要求帶動(dòng)隔熱材料需求持續(xù)提升。伴隨電池包對于安全性能要求的進(jìn)一步提升,氣凝膠作為更高端的隔熱材料可以大幅提升電池的安全性能,因而在電池應(yīng)用中不斷滲透,其中三元電池的壓實(shí)密度更高,續(xù)航里程更長,對于安全性的要求使得相關(guān)電池包生產(chǎn)過程中逐步選用更為高端的氣凝膠材料,滲透率不斷提升,而其他的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池以及儲能電池領(lǐng)域也有逐步切入,一方面伴隨下游的電池出貨量的不斷提升,作為PACK隔熱材料的氣凝膠應(yīng)用將隨之提升,同時(shí)伴隨成本的管控和滲透率的提升,氣凝膠的應(yīng)用占比也將進(jìn)一步增大,預(yù)期新能源電池也將帶動(dòng)氣凝膠需求的快速放量,成為除建筑領(lǐng)域的另一大潛力市場。
假設(shè)2025年我國新能源車銷量在1200萬輛,氣凝膠在新能源車的使用滲透率達(dá)到一半,平均每輛新能源車使用3平方的氣凝膠,預(yù)計(jì)氣凝膠在我國新能源車領(lǐng)域的需求市場有望提升至1800萬平,以80元/平計(jì)算,對應(yīng)的市場空間有望達(dá)到14.4億元。
國內(nèi)企業(yè)逐步加大對于氣凝膠的布局。伴隨氣凝膠的應(yīng)用需求逐步提升,國內(nèi)的布局企業(yè)也逐步增多,國內(nèi)早期主要將氣凝膠應(yīng)用于航空、軍工等領(lǐng)域,伴隨民用應(yīng)用需求的提升,開始逐步向民用領(lǐng)域拓展,也逐步開始有更多的企業(yè)切入布局。