行業(yè)研報(bào)丨氣凝膠：改變世界的神奇材料，性能優(yōu)越用途廣
氣凝膠結(jié)構(gòu)獨(dú)特、性能優(yōu)越，被譽(yù)為改變世界的神奇材料。氣凝膠是半固體狀態(tài)的凝膠經(jīng)干燥、去除溶劑后的產(chǎn)物，外表呈固體狀，內(nèi)部含有眾多孔隙，充斥著空氣。該材料于1931年問世，是材料界炙手可熱的材料之一。它的結(jié)構(gòu)是一種多孔網(wǎng)格狀，孔徑極小，已是納米級別的結(jié)構(gòu)，孔隙率高，在孔隙之中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)， 這樣使得結(jié)構(gòu)均勻分布，可提升氣凝膠的性能。其獨(dú)特結(jié)構(gòu)帶來了優(yōu)良性能，包括密度極小、隔熱系數(shù)極低、聲音傳播速度極低、耐火性能極高、隔熱性能極強(qiáng)等，創(chuàng)下了15個世界之最。氣凝膠廣泛于應(yīng)用航空航天、軍工國防、工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域。據(jù)智研資訊，目前商業(yè)化最為成熟的是SiO2氣凝膠，2020年全球氣凝膠市占率近70%。
表 1：氣凝膠結(jié)構(gòu)及性能創(chuàng)下了 15 個世界之最
應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，第四次產(chǎn)業(yè)化正在進(jìn)行時
氣凝膠誕生于1931年， Kistler首次通過乙醇超臨界干燥技術(shù)，制備出世界上第一塊氣凝膠——SiO2氣凝膠。至今經(jīng)歷了四次產(chǎn)業(yè)化。
第一次產(chǎn)業(yè)化時間過早，當(dāng)時應(yīng)用缺乏且成本較高，最終宣告失敗。
第二次產(chǎn)業(yè)化下氣凝膠制備技術(shù)變多，出現(xiàn)了目前使用最多的CO2超臨界干燥技術(shù)和常壓干燥技術(shù)。
第三次產(chǎn)業(yè)化以AspenAerogel和Cabot氣凝膠公司的誕生為標(biāo)志，重要節(jié)點(diǎn)是NASA對氣凝膠材料的需求，開啟了商業(yè)化的可能性，應(yīng)用領(lǐng)域包括航天軍工、石油石化等。
我國在2003年開始相關(guān)科研投入增多，2004年出現(xiàn)相關(guān)企業(yè)，并在2010年至今產(chǎn)業(yè)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，國家標(biāo)準(zhǔn)、政策扶持和企業(yè)數(shù)量增多，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步開拓表明第四次產(chǎn)業(yè)化正在進(jìn)行時。
表 2：氣凝膠產(chǎn)業(yè)化歷程
圖 1：氣凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)及內(nèi)部納米骨架結(jié)構(gòu)圖
干燥工藝是氣凝膠制備的關(guān)鍵，超臨界法為主流。氣凝膠的制備包括溶膠-凝膠、老化、改性和干燥，其中干燥是 SiO2氣凝膠由濕凝膠向干凝膠轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。氣凝膠性能主要由其納米孔洞結(jié)構(gòu)決定，獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架后，由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會造成骨架的坍縮（凝膠內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的不均勻性使得與孔結(jié)構(gòu)有關(guān)的毛細(xì)管力產(chǎn)生力量差,巨大的力差將使得凝膠發(fā)生變形或碎裂）。
圖 2：氣凝膠反應(yīng)原理
表 3：氣凝膠制備工序
超臨界干燥已成主流。氣凝膠制備技術(shù)核心在于避免干燥過程中由于毛細(xì)管力導(dǎo)致納米孔洞結(jié)構(gòu)塌陷。目前產(chǎn)業(yè)界使用的干燥包括超臨界干燥和常壓干燥，其中超臨界干燥法是最早量產(chǎn)的技術(shù)，也最為傳統(tǒng)和主流。盡管超臨界干燥操作過程復(fù)雜、使用設(shè)備費(fèi)用高，但是此方法仍然是獲得高品質(zhì)、高性能 SiO2氣凝膠的最佳選擇。
表 4：超臨界與常壓干燥對比
氣凝膠產(chǎn)業(yè)參與者眾多，規(guī)劃產(chǎn)能近百萬方
氣凝膠產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的硅源企業(yè)、中游的氣凝膠材料、制品和封裝企業(yè)， 下游則包括石油石化、新能源、航空航天、建筑節(jié)能、紡織服裝等領(lǐng)域的企業(yè)。目前產(chǎn)業(yè)上游以有機(jī)硅源為主，產(chǎn)業(yè)下游中石油石化領(lǐng)域的需求最大，新能源的增速最快。
圖 3：國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)業(yè)鏈
氣凝膠材料已有產(chǎn)能21.7萬方，在建擬建產(chǎn)能97.5萬方，未來全部達(dá)產(chǎn)后產(chǎn)能規(guī)?？蛇_(dá)119.2萬方。目前技術(shù)路線仍以超臨界干燥為主，常壓干燥則僅有納諾科技、中凝控股等少量廠商使用。現(xiàn)有廠商可分為早期玩家和新進(jìn)入者。早期玩家包括納諾科技、廣東埃力生等， 新進(jìn)入者包括化學(xué)工業(yè)工程企業(yè)中國化學(xué)、有機(jī)硅企業(yè)晨光新材和宏柏新材等。
表 5：氣凝膠材料和制品產(chǎn)能情況
下游動力電池、管道保溫和建筑材料領(lǐng)域?yàn)橹饕枨?/strong>
下游需求旺盛，油氣、交通和建筑領(lǐng)域最受關(guān)注。據(jù)IDTechEx數(shù)據(jù)，2021年全球油氣領(lǐng)域和工業(yè)隔熱在氣凝膠材料下游結(jié)構(gòu)中占比為56%和18%，建筑建造和交通領(lǐng)域占比為9%和8%。預(yù)計(jì)2026年油氣領(lǐng)域和工業(yè)隔熱占比將降低至47%和15%，建筑建造和交通領(lǐng)域占比會提升至14%和13%。油氣領(lǐng)域應(yīng)用場景為管線保溫的氣凝膠隔熱氈，交通領(lǐng)域主要為新能源汽車鋰電池的電芯之間以及模組、PACK的上蓋采用防火保溫材料和電池艙與客艙之間安裝防火層等， 建筑領(lǐng)域則可用于保溫外墻以提高節(jié)能效果。
圖 4：2021 氣凝膠下游結(jié)構(gòu)
圖 5：2026E 氣凝膠下游結(jié)構(gòu)
氣凝膠可用于管道保溫，以350°Ｃ，4.5MPa，流量80t/h，外徑為325mm 蒸汽管道為例，在兩種保溫方案中使用氣凝膠后，與傳統(tǒng)保溫方案相比雖然初始造價更高，但氣凝膠的優(yōu)良保溫性能使每1Km管線每年可分別節(jié)能熱量可折合人名幣17.2萬元、10.7萬元，增加的投資成本僅需3.2、2.4年回收，且管線每公里溫降更小，使得用戶端蒸汽溫度的提高，可輸送給用戶的蒸汽熱值增加，同時提高了用戶的產(chǎn)能與生產(chǎn)。
表 6：氣凝膠管道保溫經(jīng)濟(jì)性分析
相較其他保溫材料，直徑為150mm的油氣管道如果需要達(dá)到相同的保溫效果，對應(yīng)使用的保溫材料膨脹珍珠巖、硅酸鈣、巖棉、氣凝膠氈的厚度分別為90mm、76mm、64mm、20m，氣凝膠具備保溫層材料用量少、保溫效果更好、使用壽命更長的優(yōu)點(diǎn)，油氣領(lǐng)域需求預(yù)計(jì)持續(xù)提升。國內(nèi)中石油、中石化等已采用氣凝膠用于管線保溫。
圖 6：氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料厚度對比
圖 7：氣凝膠材料可應(yīng)用于管道保溫
表 7：氣凝膠較傳統(tǒng)保溫材料性能優(yōu)異
我國油氣管道應(yīng)用空間近百億。經(jīng)過20年的發(fā)展，管徑不斷增大。根據(jù)《我國長輸天然氣管道現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》，我國管徑大多在DN600到DN1000區(qū)間，我們選取 DN800作為油氣管道的管徑。管徑DN800管網(wǎng)約需要30mm氣凝膠保溫層，單公里管道的氣凝膠用量約80立方。根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，截至2020年底油氣管道總里程達(dá)到17.5萬公里。根據(jù)《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，2025年我國油氣管網(wǎng)規(guī)模有望達(dá)到24萬公里。2021-2025年預(yù)測數(shù)值以平均里程增長計(jì)算。預(yù)計(jì) 2025 年年油氣管道領(lǐng)域氣凝膠用量為101萬方，對應(yīng)市場空間101億元，2021-2025的CAGR為33%。
表 8：2021-2025 年中國油氣管道領(lǐng)域氣凝膠市場空間預(yù)測
鋰電池的防火隔熱需求是最受關(guān)注的下游領(lǐng)域之一。目前鋰電池受到擠壓、針刺、短路、過熱等都會導(dǎo)致新能源車起火，起火仍是新能源車痛點(diǎn)。根據(jù)AutoInsurance EZ，燃油車著火概率為1.5%，而混動車既裝有高壓電池，又有內(nèi)燃機(jī)，車輛發(fā)生火災(zāi)的可能性為3.4%。現(xiàn)有采用的防護(hù)氈結(jié)構(gòu)簡單，容易變形，使其不能很好地與電池組全面接觸，且在電池發(fā)熱嚴(yán)重時其并不能起到很好的隔熱效果。而 SiO2氣凝膠玻纖氈復(fù)合材料的高溫耐受能力高于800℃，能夠抵御電池包短路造成的高溫能量瞬間沖擊，有效防止鋰離子動力電池箱中單塊電池單體過熱造成的連鎖效應(yīng)。目前，寧德時代、比亞迪等動力電池廠商均有推廣使用氣凝膠產(chǎn)品。
圖 8：多因素觸發(fā)電池?zé)崾Э?/strong>
圖 9：氣凝膠氈可應(yīng)用于鋰電池隔熱防火材料
氣凝膠材料可用于鋰電池的電芯之間以及模組、PACK的上蓋采用防火保溫材料，延緩或者阻止電池組的熱擴(kuò)散；還可用于電池艙與客艙之間的防火層，能夠有效減緩火勢的蔓延。此外，氣凝膠還可以應(yīng)用于汽車的整車結(jié)構(gòu)，如車頂、門框、發(fā)動機(jī)罩等，可以起到車廂內(nèi)保溫、節(jié)能減排的效果。據(jù)我們謹(jǐn)慎測算，目前氣凝膠單車價值量約為 500元，未來隨著氣凝膠規(guī)?；髢r格將有所下降。我們根據(jù)IDC和Navigant的 2022-2025年全球和中國新能源車產(chǎn)量數(shù)據(jù)，預(yù)測2025年全球和中國新能源氣凝膠市場空間為58億元和31億元，2021-2025年的CAGR均高達(dá)80%以上。
表 9：2021-2025 年中國新能源領(lǐng)域氣凝膠市場空間預(yù)測
在建筑的內(nèi)墻或外墻使用保溫隔熱材料，可減少因內(nèi)部空間與外界溫差而造成的能量損失，有利于節(jié)能降耗。達(dá)到同樣建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，氣凝膠氈/板保溫層一般需要15mm～25mm, 市售其他材料需要40mm～50mm。根據(jù)《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》，到2025年我國既有建筑節(jié)能改造面積將達(dá)3.5億平方米以上，保溫材料需求廣闊。我們假設(shè)建筑面積未來五年不變，氣凝膠滲透率持續(xù)提升，預(yù)計(jì)2025年中國建筑材料氣凝膠市空間將達(dá)5.41億元。
表 10：2021-2025 年中國建筑材料領(lǐng)域氣凝膠市場空間預(yù)測
其他應(yīng)用方面，2021年氣凝膠其他領(lǐng)域占比9%，市場空間約1.58億元，假設(shè)該領(lǐng)域規(guī)模不變，通過估算得到2025年國內(nèi)氣凝膠主要應(yīng)用市場規(guī)模需求有望超百億。
表 11：2022-2025 氣凝膠部分下游應(yīng)用需求空間預(yù)測
