气凝胶行业研究报告.docx

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气凝胶行业研究报告

导语

气凝胶是新一代高效节能隔热材料。

气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充气态分散介质的固体材料，是世界上最轻的固体。

一、气凝胶是当前最高效节能隔热材料

气凝胶是新一代高效节能隔热材料。

气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构、并在孔隙中充气态分散介质的固体材料，是世界上最轻的固体。

由于独特的结构，气凝胶在热学、声学、光学、电学、力学等多个领域都展示出优异的性能。

目前商业化应用的气凝胶主要围绕其高效的阻热能力展开，下游用于石油化工、热力管网、锂电池、建筑建材、户外服饰、航天、军工等多个领域。

气凝胶的阻热原理是其独立的结构带来的无对流效应、无穷多遮挡板效应、无穷长路径效应。

气凝胶的导热系数在0.012~0.024W/（m·K），比传统的隔热材料低2~3个数量级，其隔热的原理在于均匀致密的纳米孔及多级分形孔道微结构可以有效阻止空气对流，降低热辐射和热传导：

1）无对流效应：

气凝胶气孔为纳米级，内部空气失去自由流动能力；2）无穷多遮挡板效应：

纳米级气孔，气孔壁无穷多，辐射传热降至最低；3）无穷长路径效应：

热传导沿着气孔壁进行，而纳米级气孔壁无限长。

与传统保温材料相比，二氧化硅气凝胶绝热毡的保温性能是传统材料的2-8倍，因此在同等保温效果下气凝胶用量更少。

以管道为例，直径为150mm的管道如果需要达到相同的保温效果，对应使用的保温材料膨胀珍珠岩、硅酸钙、岩棉、气凝胶毡的厚度分别为90mm、76mm、64mm、20mm。

根据中石化塔河炼化的测算，将常压焦化装置从传统保温材料改造成“二氧化硅气凝胶保温毛毡+单面铝箔玻纤布保温材料”组合保温的方式后，热损失降低了34.7%，保温层厚度较传统保温材料降低50%以上。

此外，气凝胶具备较长的使用寿命的优势，其使用寿命约为传统保温材料的4倍左右。

传统保温材料如岩棉、聚氨酯等在长期使用过程中容易吸水，一方面影响保温效果，另一方面在吸水后由于重力作用导致保温材料分布不均匀，尤其是在管道保温的使用场景下，容易造成保温材料在管道下部堆积，最终影响使用寿命。

气凝胶则具有优异的防水效果，其憎水率达99%以上，在长期使用过程中仍能保持稳定的结构和隔热效果。

目前商用的气凝胶通常为复合材料制品，且具有多种形态。

气凝胶存在强度低、韧性差等缺点，因此需要通过添加颗粒、纤维等增强体提高强度和韧性，也可以通过添加炭黑、陶瓷纤维等遮光剂提高遮挡辐射能力。

因此当前在售气凝胶制品往往是由气凝胶材料与基材复合制得。

根据制品形态，气凝胶制品可以分为气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布、气凝胶板材、气凝胶粉末、气凝胶浆料、气凝胶涂料等。

气凝胶材料种类繁多，其中SiO2气凝胶的商业化应用最成熟。

气凝胶按照前驱体可分为氧化物、碳化物、聚合物、生物质、半导体、非氧化物、金属七大类。

众多不同的前驱体可制备出具有不同性能的气凝胶，极大丰富了气凝胶品种的多样性，拓展了气凝胶的应用范围。

目前市场上SiO2气凝胶的应用最成熟，2019年全球二氧化硅气凝胶占比高达69%。

二氧化硅气凝胶前驱体可分为有机硅源和无机硅源。

常用的有机硅源是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯等功能性硅烷，无机硅源包括四氯化硅和水玻璃等。

与无机硅源相比，有机硅源价格较为昂贵，但是纯度高，工艺适应性好，可以适应超临界干燥和常压干燥。

无机硅源水玻璃价格虽然较低，但是杂质较多，目前主要用于常压干燥中。

气凝胶的制备过程主要包括溶胶-凝胶、老化、改性、湿凝胶的干燥处理过程。

溶胶-凝胶过程指前驱体溶胶聚集缩合形成凝胶的过程。

但由于刚形成的湿凝胶三维强度不够而容易破碎坍塌，因此需要在母体溶液中老化一段时间提高强度或者利用表面改性减小或消除干燥应力。

干燥过程即用空气取代湿凝胶孔隙中的溶液并排出。

干燥工艺是合成步骤的关键。

湿凝胶在干燥过程中需要承受高达100Mpa-200MPa的干燥应力，该应力会使凝胶结构持续收缩和开裂，容易导致结构塌陷。

目前主流干燥工艺路线有超临界干燥、常压干燥。

超临界干燥的原理是当温度和压力达到或超过液体溶剂介质的超临界值时，湿凝胶孔洞中的液体直接转化为无气液相区的流体，孔洞表面气液界面消失，表面张力变得很小甚至消失。

当超临界流体从凝胶排出时，不会导致其网络股价的收缩及结构坍塌，从而得到具有凝胶原有结构的块状纳米多孔气凝胶材料。

早期的干燥介质主要采用甲醇、乙醇、异丙醇、苯等，但是该技术具备一定危险，且设备复杂，因此近年来又开发出以二氧化碳为干燥介质的低温环境超临界干燥工艺，通过降低干燥时的临界温度和压力，来改善干燥条件，降低危险性。

常压干燥的原理是利用低表面张力的干燥介质和相关改性剂来置换湿凝胶中的溶剂，以减小干燥时产生的毛细管作用力，避免在去除溶剂时凝胶结构发生破坏，从而实现常压干燥。

常压干燥前通常需要对湿凝胶进行长时间的透析和溶剂置换处理。

常压干燥设备成本与能耗成本相对较低、设备简单，但是对配方设计和流程组合优化要求高，而且在制备非二氧化硅气凝胶时尚不成熟。

二、气凝胶行业需求拐点向上发展期来临

2.1过去5年国内气凝胶市场已经初具规模

气凝胶发展至今近90年，国内于2012年将其产业化。

气凝胶诞生于1931年，但直到20世纪90年代国外才开始将其产业化。

但由于干燥过程成本较高，早期气凝胶只能用于航天军工和石化领域。

国内气凝胶行业起步于21世纪10年代。

2012年国内首套1000L超临界二氧化碳气凝胶干燥设备投产，标志着气凝胶的规模化生产，随后经过多次技术迭代，生产成本逐步降低。

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。

中国气凝胶市场目前还处于起步阶段，但过去5年的技术进步已经实现了较大比例的降本，2015-2020国内气凝胶材料产量年均复合增速为38.5%、气凝胶制品产量年均复合增速为38.8%。

气凝胶具有非常好的隔热性能、透光性、隔音性以及绝缘性，但目前工业界主要对其隔热性能开展一系列应用。

目前成熟的下游市场主要有石油化工行业、工业隔热行业、建筑建材行业、航空航天、锂电池行业等，其中石油化工占比56%、工业隔热占比26%。

2.2碳中和背景下气凝胶需求将快速提升

目前气凝胶行业已经初具规模，我们认为当前时点将是气凝胶行业起飞的拐点期，原因在于：

1）随着二氧化碳超临界技术的成熟以及行业的快速扩产，其成本相比10年前已经下降约80%，经济性逐步提升；2）减少高温油气管道热量流失以及提升高温反应釜的保温效率契合碳减排大趋势，气凝胶凭借优异的阻热性能，将逐步替代传统保温材料，市场空间广阔；3）新能源车与储能锂电池系统对锂电池安全性有较高要求，因此需要使用阻热性能优异的气凝胶作为锂电池的隔热材料，锂电装机的快速提升将快速拉动气凝胶需求。

2.2.1管道保温材料：

到2025年，国内管道用气凝胶的需求空间将达155亿元

我国于2020年提出“30·60”双碳目标，减少高温管道的热量流失是契合碳减排大趋势的重要一环。

炼化企业的高温管道外侧通常包覆较厚的保温材料，对管道保温可以有效降低企业能源消耗，减少碳排放。

而使用硅酸钙、复合硅酸盐、岩棉、矿渣棉等常规保温材料的管道在长周期的运行后，一方面热损失增加导致装置能耗上升，另一方面管道外表面的高温增加了烫伤事故的可能性，此外，岩棉、硅酸铝等材料容易吸水导致保温失效，聚氨酯等有机绝热材料阻燃性差，影响项目正常运行。

虽然气凝胶相对于其他保温材料而言价格仍相对较贵，但是从长周期经济性考虑，气凝胶使用寿命更长、使用量更少、不易吸水、阻燃性能好，更契合节能减排大趋势。

以350℃、4.5Mpa、流量80t/h、外径为325mm的长输蒸汽管道项目为例，将传统保温方案与气凝胶复合保温方案对比可以发现，方案1和方案2比方案3每公里每年分别节能3127.6GJ、1937.0GJ，以热价53.89元/GJ进行测算，折算后将节省16.9万、10.4万元。

同时，管线的每公里温降由原来的6.9℃降至4.8℃，可以大大降低热损。

由于气凝胶毡生产成本高，气凝胶复合保温方案的初始投资成本较高。

以1km蒸汽管道施工测算，方案1、2、3的总造价分别在99.3、70.4、44.9万元，方案1、2分别比方案3贵54.4、25.5万元，对应于上述的每年节省16.9万、10.4万的能源成本，则方案1、2分别将于3、2年后收回增加的初始投资成本。

气凝胶保温材料的替换周期长，经济性进一步提升。

以长度为100m（管道平均外径D0=0.60m，冷油管道与热油管道的长度各为50m）的地上保温管道为例，气凝胶保温材料与传统保温材料的投资施工成本来看，单次人工材料总费用分别是3.44万、1.15万，而两种方案的使用年限分别为10-15年、3-4年，即在12年内，气凝胶保温材料无需更换，而传统保温材料需要更换三次。

此外，在保温层均为2cm，冷油温度20℃，热油温度50℃的前提下，全年节约热量23746kWh，按0.16元/kWh（煤炭价格为900元/吨时对应的热价）的热价折算，全年节约总能量费用为3692元。

继续以上述案例为例探讨能源价格对气凝胶方案经济性的影响：

在上述案例中，气凝胶方案将比传统方案节省热量23.746MWh/年，我们分别将煤炭价格在300-1500元/吨、天然气价格在2-8美元/mmbtu、原油价格在50-110美元/桶之间波动的情景下测算气凝胶方案相对于传统方案的经济性，得出的结论是气凝胶方案大概率在4-7年的时间内比传统方案更具经济性。

考虑到双碳背景下能源价格持续上涨，我们认为气凝胶方案的经济性拐点已经来临。

到2025年，国内油气管道和集中供热管道对气凝胶的需求空间将达120亿元。

当前国内约有油气管道14.5万千米，集中供热管道50.73万千米，假设存量保温管道的保温材料替换周期为4年，油气管道半径30cm、集中供热管道半径85cm，同时根据2020年气凝胶制品产值15.9亿及石化与工业领域80%的市场占比锚定，预计2021-2025年存量管道的替代比例分别为1%/2%/3%/5%/8%，增量管道的替代比例为10%/15%/30%/50%/80%,2021-2025年油气管道和集中供热管道对气凝胶的需求空间分别为

18.57/32.82/58.40/100.03/154.83亿元。

2.2.2锂电池：

系统安全考核加严提升气凝胶渗透率

热失控是动力电池安全事故的主要原因，碰撞、针刺、过充过放等都会引起锂电池热失控，如何控制热失控是衡量锂电池企业制造水平的关键因素。

锂电池企业通常从两种思路解决锂电池热失控问题：

1）通过优化电池制造过程控制遏制热失控诱因的发生；2）在电芯热失控已经发生的情况下，通过系统层面的手段将热失控遏制在模组、Pack层面或延缓蔓延时间。

其中第一条思路较为考验电池企业的综合制造能力，目前大多数电池企业的安全制造能力均不过关，第二条解决思路主要依赖隔热材料的选择，对电池企业的制造门槛要求相对较低，因此将是多数电池企业解决热失控的主要选择。

国家自2021年开始从系统层面考核锂电池安全性，第二条思路成为大多数车企和电池长的主流选择。

《电动汽车用动力蓄电池安全性要求》于2021年1月1日起正式实施，该文件将锂电池系统安全作为考核重点，并新增系统热扩散测试，要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸。

而要实现“5min的安全逃逸时间”，则需要对电池包的隔热材料多做改进，延缓故障电池包的爆炸时间。

锂电池系统对隔热材料的要求是隔热性能优异的同时需要具备优异的阻燃性能，常规隔热材料聚氨酯由于在环境温度超过140摄氏度后容易燃烧，因此不适合作为锂电池的阻燃材料。

此外，出于对体积能量密度的追求，锂电池厂在Pack设计时给电芯之间隔热层预留的空间并不大，气凝胶兼具阻燃性能好及用量少的特点，成为锂电池电芯隔热材料的最佳选择。

根据宁德时代和上汽集团等专利显示，目前较为主流的隔热方案是在电芯之间放置气凝胶插片，同时在模组和上盖之间设置云母片。

由于气凝胶目前相对于普通隔热材料价格相对较贵，因此目前气凝胶主要用于更易发生热失控的高