气凝胶:4年规模增超7.5倍 坐稳“双碳”、新能车多风口的新材料丨黄金眼

  气凝胶,又一个将被“双碳”、新能源汽车动力猛推一把的新型材料。

  气凝胶是什么?

  气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料,具有导热系数低、防火等级高、防水效果好、使用温度范围广、使用寿命长等优良性能,是岩棉、硅酸铝针刺毯等传统保温材料的重要替代产品。

  初期仅应用于航空航天、国防军工等高端领域,现已全面应用于石油石化、工业、建筑节能、交通运输、电力等领域,应用场景不断拓展,其中油气是当前最主要的下游应用领域。

  气凝胶材料具有独特的微观结构,是由三到五个二氧化硅纳米颗粒在空间组成30到50纳米的孔结构,赋予了其隔热能力强、重量轻、使用寿命长等特性。

  与传统保温材料相比,其保温性能是传统材料的2-8倍,在同等保温效果下气凝胶用量更少;气凝胶更换周期在15年以上,而传统保温材料的更换周期在5年左右,因此全生命周期的使用成本更低。再加上防火等级高、使用温度范围广,还兼具防水效果,因此正成为替代传统的新型保温材料。

  根据IDTechEX数据,油气领域是当前气凝胶最主要的应用领域,2021年占总需求量的比例高达56%,另有18%用于工业隔热,9%用于建筑建造,8%用于交通运输。

  

资料来源:中凝科技官网

为何当下节点谈起气凝胶?

  技术带来成本下降、双碳趋势以及新能源汽车安全需求,都在推动气凝胶市场普及率快速提升。

  我国气凝胶产业起步于21世纪,仍处于早期发展阶段。过去5年国内气凝胶市场通过技术进步实现产量的快速跃升及成本的快速下降,目前在石化管道、高温反应釜、热网管道、锂电池方面具有极具竞争力的性价比,且下游龙头企业的切换诉求强烈。

  同时,在“碳达峰、碳中和”的大背景下,油气领域需要减少高温油气管道热量损失、大力发展建筑节能和新能源汽车等碳减排重点领域,有望大幅拉动气凝胶的需求。

  在我国建筑业低碳、零碳的产业转型升级的过程中,也对建筑保温材料的节能效果的要求也愈发严格,这将催化对性能更加优异的新型保温材料的需求,并且降低对其成本的敏感性。

  而在新能源汽车领域,锂电池安全性能备受重视,但是热安全问题一直以来是锂电池的痛点。

  动力电池包的工作温度范围一般在+5℃-+40℃内,高温、过充、内短路以及机械破坏都可能引发锂离子电池组的热失控,从而引发火灾或爆炸,低于此温度范围也会导致锂电池性能不佳。锂电池的安全性能亟待提高,2020年5月,由工信部发布的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》明确提出,在电池单体发生热失控后,电池系统需要在5分钟内不起火、不爆炸。

  通常来讲,在锂电池的电芯之间以及模组、PACK的上盖采用防火保温材料,能够延缓或者阻止电池组的热扩散,在电池舱与客舱之间安装防火层,能够有效减缓火势的蔓延,从而减弱电池事故带来的不利影响。

  具有导热系数低、不产生有毒气体、质轻、厚度薄等优势的气凝胶,就能够有效解决低温环境下动力电池的保温问题以及高温环境下动力电池的热失控问题、实现对电池组的有效热管理,是单位体积下隔热效果优良、安全性能较佳的动力电池隔热阻燃材料。

  例如,SiO₂气凝胶玻纤毡复合材料的高温耐受能力高于800℃,能够抵御电池包短路造成的高温能量瞬间冲击,有效防止锂离子动力电池箱中单块电池单体过热造成的连锁效应。

  并且,气凝胶还可以应用于汽车的整车结构,如车顶、门框、发动机罩等,可以起到车厢内保温、节能减排的效果,且占用空间可大幅缩小。根据美国航天航空管理局下属公司、全球气凝胶龙头AspenAerogel推算,平均每辆新能源到汽车可用到7.32平方米气凝胶产品。

  在新能源产业高速发展,锂电池朝着更高的安全性和更高能量密度的方向进步的当下,气凝胶在新能源汽车动力电池包中的需求有望大幅提升。

  

资料来源:《RecentprogressandapplicationsofaerogelsinChina》(JunShen)

  此外,气凝胶凭借其优异的吸附性能,还是一种极具潜力的储氢材料。

  新型纳米多孔碳气凝胶材料具有纳米级孔洞,孔洞率高达80%以上,比表面积可达400-1600m²/g,并具有易成型、结构可控、易掺杂等优良特性,是一种极具潜力和竞争力的多孔吸附储氢材料,未来有望应用于氢燃料新能源汽车等领域,需求空间有望拓宽。

未来市场空间到底有多大?

  随着气凝胶应用技术的不断成熟、产业化的不断推进,叠加政策的大力支持,近年来产量和需求量已经在大幅提升了。

  产量方面,2021年我国气凝胶材料和气凝胶制品的产量分别为12.1万立方米、15.4万吨,2016-2021年CAGR分别为20.8%、32.6%。需求方面,2021年我国气凝胶材料和气凝胶制品的需求量分别为11.9万立方米、17.9万吨,2016-2021年CAGR分别为25.1%、21.2%。市场规模方面,2018-2021年,我国气凝胶市场规模由9.25亿元增长至17.56亿元,年增长率均维持在20%以上。

  未来在节能减排的大背景下,随着气凝胶产业化的不断推进,其成本有望持续下降,在油气领域作为需求基石的同时,建筑建造、交通运输和其他新兴领域正成为气凝胶需求增长新动能。

  根据住建部及国家统计局数据,2021年我国油气管道里程累计达到15万公里,集中供热管道里程50.7万公里。假设2022-2025年每年新增油气和集中管道供热里程为2017-2021年每年新增里程的平均值。机构测算,预计到2025年,我国境内油气长输管道和集中供热管道对气凝胶的总需求量约为92.3万立方米,对应金额约为124.6亿元。

  而在新能源车领域,根据中国汽车工业协会数据,2021年我国新能源汽车销量高达352.1万辆,同比增长157.6%。乘联会预测2022年我国新能源汽车销量将达600万辆,IDC预测2025年将增至1300万辆。泛亚微透招股说明书(2020年发布)提到,每辆新能源汽车的SiO₂气凝胶复合材料使用量为2-5平方米,售价约为100元/平方米。机构以此基础测算出,到2025年,我国新能源汽车用气凝胶的需求空间有望增至19.5亿元。

  根据AspenAerogel2020年年报预测,2025年国内气凝胶需求将达到100万m³/年,对应市场空间约150亿元,较2021年增长7.5倍以上;全球需求量将达到160万m³/年,市场规模达到46亿美元。

  又据艾邦高分子引用的Aspen预测数据,2021至2030年,气凝胶产品在电动汽车隔热领域的市场空间将高达300亿美元,行业成长空间很大。

  

数据来源:智研咨询

产业链上又有哪些企业?

  气凝胶产业链包括上游硅源、中游气凝胶材料制品以及下游应用。

  硅源根据干燥方式以及制备方法种类的不同,可分为无机硅源和有机硅源。无机硅源包括四氯化硅和硅酸钠,有机硅源则包括正硅酸甲酯和正硅酸乙酯,有机硅源是目前市场上主流路线。

  中游气凝胶产品种类多样,以纳诺科技、晨光新材、宏柏新材、埃力生等生产厂家为代表。气凝胶的下游应用市场较为广泛,目前主要集中于管道保温行业、石油化工行业、炉体保温、建筑保温、汽车保温、舱体保温、军事领域、航空航天等领域。

  

资料来源:头豹研究院

  首先从技术角度考虑,气凝胶的制备过程分为两步:制备湿凝胶、将湿凝胶通过特殊手法干燥。干燥过程是生产气凝胶的核心过程,工艺包括超临界干燥、常压干燥、真空冷冻干燥以及亚临界干燥等。其中,超临界干燥是最早实现批量制备气凝胶技术,目前已经较为成熟,也是国内外气凝胶厂商所广泛采用的技术。

  短期内行业技术壁垒在于常压干燥技术的突破。

  二氧化碳超临界干燥技术是最早实现批量生产的技术,目前大多数产能以二氧化碳超临界为主。常压干燥技术具有设备简单,成本低廉的优势,通过此技术持续降低气凝胶制备成本是行业内公认的趋势。常压干燥技术难点在于如何通过配方设计、工业流程设计、设备匹配设计等匹配常压干燥技术。目前国内拥有常压干燥技术的气凝胶公司较少,仅有纳诺科技、中凝科技、阳中新材三家公司。

  而长期来看,硅源获取途径决定气凝胶成本,因此产能规模、产业链一体化等因素需要重点关注。

  目前国内气凝胶产能主要集中在头部企业埃力生(7万m³/年)和纳诺(3万m³/年)。

  宏柏新材则是已满足生产纳米孔多功能气凝胶材料生产线建设的条件,正在推进“功能性气凝胶生产基地建设项目”,建成后将新增1万立方米功能性气凝胶年产能,据其2021年报,该项目预计于2022年底将释放部分产能,2023年逐步达产。

  泛亚微透通过与浙江大学合作,开发出两种高性能SiO₂气凝胶复合材料,可分别用于汽车隔热保温箱体与新能源动力电池包中,目前在建有1604立方米/年气凝胶、24万立方米/年SiO₂气凝胶与e-PTFE膜复合材料产能。

  晨光新材拟建设“年产21万吨硅基新材料及0.5万吨钴基新材料项目”,其中包括5万吨气凝胶产能。另外,公司又规划建设“年产2.3万吨特种有机硅材料项目”,其中包括2000吨气凝胶产能。

  此类企业有望在气凝胶需求放量期间,收获一波发展助力。

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