氣凝膠產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告-崛起氣凝膠-助力碳中和

氣凝膠產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告崛起氣凝膠，助力碳中和

1氣凝膠：15項(xiàng)世界之最齊身的材料1931年氣凝膠被發(fā)明出來，由于各類性質(zhì)非常極致，在過去的近百年里一直吸引了眾多的目光。氣凝膠憑借極低的密度、極小的孔徑、極低的隔熱系數(shù)、極低的聲音傳播速度等創(chuàng)下15項(xiàng)世界之最。同時(shí)，氣凝膠作為一類材料的統(tǒng)稱，隨著科研人員研究的深入，陸續(xù)制備了多種氣凝膠。同時(shí)，氣凝膠方便加工，制品形態(tài)多樣。綜上，氣凝膠的應(yīng)用場景眾多，從航天、軍工等要求嚴(yán)苛的高科技領(lǐng)域到工業(yè)、交通、日用等領(lǐng)域，都有氣凝膠發(fā)揮性能的地方。1.1氣凝膠是改變世界的神奇材料氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，也是世界上密度最小的固體，被稱為“凝固的煙”、“藍(lán)煙”。曾被《科學(xué)》雜志譽(yù)為“可以改變世界的神奇材料”。氣凝膠之所以“神奇”，是因?yàn)樽陨砭哂泻芏鄻O致的性質(zhì)。氣凝膠曾經(jīng)因性質(zhì)優(yōu)異創(chuàng)下15項(xiàng)“吉尼斯世界紀(jì)錄”。氣凝膠超級輕，是目前已知最輕的固體材料。在一些對重量要求苛刻同時(shí)對絕熱要求極高的場景，氣凝膠是唯一選擇。在“天問一號(hào)”火星探測器中，“祝融號(hào)”火星車表面鋪設(shè)了大面積的氣凝膠板。超輕的特性極大地減小了火星車的負(fù)擔(dān)，讓它跑得更快，跑得更遠(yuǎn)。同時(shí)，在“天問一號(hào)”著陸階段，周圍的溫度超過1000℃，而10mm左右的氣凝膠材料就能夠使溫度處于可接受的范圍，在火星車巡視階段，氣凝膠能夠確?；鹦擒囋?130℃的環(huán)境正常工作。二氧化硅氣凝膠是迄今為止保溫性能最好的材料。熱的傳遞有三種方式：熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射。最好的保溫絕熱材料需要是木桶型的。盡管空氣的熱導(dǎo)率很低，但是我們能在一定距離內(nèi)感受到空調(diào)、火爐的溫度，是因?yàn)榭諝鉄醾鲗?dǎo)和熱輻射的存在。而氣凝膠憑借極低的體積密度及納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的彎曲路徑阻止了氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)的同時(shí)，由于其孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，氣凝膠空隙中的空氣分子近似靜止，從而空氣的對流傳熱得到限制，趨于“無窮多”的空隙壁使熱輻射降至最低。氣凝膠完美對抗了三種熱的傳遞方式，導(dǎo)熱系數(shù)甚至達(dá)到0.013W/m.K以下，比常溫下靜態(tài)空氣0.025W/m.K還低，因此是迄今為止最完美的隔熱材料。在管道包裹保溫方面，達(dá)到相同的隔熱效果，氣凝膠氈的厚度僅為巖棉的三分之一厚，膨脹珍珠巖的五分之一。氣凝膠多孔的3D互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得離子、分子能夠容易地進(jìn)入內(nèi)部，而分層多孔結(jié)構(gòu)提供了高比表面積和高反應(yīng)活性接觸面，這些結(jié)構(gòu)特性使碳?xì)饽z作為超級電容器和電池中的非均相催化劑載體、吸附劑和電極材料有很好的應(yīng)用前景。除此之外，氣凝膠還有憎水率高、使用壽命長等性質(zhì)特點(diǎn)。1.2氣凝膠族譜豐富，二氧化硅氣凝膠最成熟氣凝膠是通過溶膠凝膠法，用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級多孔固態(tài)材料。目前主流的氣凝膠制備過程就是溶膠-凝膠法與超臨界干燥相結(jié)合。不同的化合物通過氣凝膠的制備過程形成了各種各樣的氣凝膠，豐富了氣凝膠的品種、完善了氣凝膠性能、讓氣凝膠能在更多應(yīng)用中。目前最常見也是發(fā)展最為成熟的氣凝膠是二氧化硅氣凝膠，二氧化硅氣凝膠屬于氧化物氣凝膠，除此之外，還有碳化物氣凝膠、氮化物氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、碳?xì)饽z、生物質(zhì)氣凝膠、復(fù)合氣凝膠及其他氣凝膠。各個(gè)分類中中已經(jīng)合成了多種化合物氣凝膠，結(jié)構(gòu)性質(zhì)各異。1.3氣凝膠形態(tài)多樣，應(yīng)用廣闊氣凝膠的形態(tài)多樣，包括氈、板、顆粒和涂料等。多樣化的產(chǎn)品形式使得氣凝膠的應(yīng)用更加靈活廣泛，下游市場需求空間巨大。氣凝膠性質(zhì)優(yōu)異，應(yīng)用已經(jīng)遍布于石化、軍工、航天、電池、環(huán)保、建筑、交通等各個(gè)領(lǐng)域。氣凝膠對這些領(lǐng)域中的原始材料有明顯優(yōu)勢，因此替代空間巨大。在石化領(lǐng)域，氣凝膠憑借極佳的隔熱保溫性能可以作為外保溫材料，如蒸餾塔、反應(yīng)管道、儲(chǔ)罐、泵、閥門、天然氣和LNG液化氣管道、深海管道等等。在高溫蒸汽、導(dǎo)熱油或流體介質(zhì)管線外包裹氣凝膠，一方面減少了管道暴露損失熱量，另一方面這些區(qū)域往往受到重量、空間的限制，需要保溫材料輕量又輕薄，氣凝膠是唯一完美契合的材料。同時(shí)，在海上漏油事故處理中，氣凝膠質(zhì)量輕、吸附能力極強(qiáng)，也得到認(rèn)可。在環(huán)保領(lǐng)域，纖維素氣凝膠可作為吸附劑從水中吸附油和其他有毒有機(jī)物，被廣泛地應(yīng)用于吸附脫除染料廢水。此外，生物質(zhì)碳?xì)饽z可以去除水中的多種重金屬離子，如Co(II)、Cd(II)、Pb(II)和Sr(II)。在建筑領(lǐng)域，房屋門窗、墻壁的隔熱保溫正越來越被重視?，F(xiàn)有的保溫材料或隔熱能力不夠理想，或達(dá)到理想效果厚度太厚、太重，也有一些隔熱能力較好的材料但阻燃能力不佳，容易引發(fā)房屋火災(zāi)。而氣凝膠既可以作為現(xiàn)有保溫材料的升級替代，同時(shí)兼顧防火、隔聲等功能，有望顛覆建筑保溫材料現(xiàn)有格局。在軍工領(lǐng)域，氣凝膠的性能得到了充分驗(yàn)證。在軍車上覆蓋6毫米的防彈型氣凝膠就能夠承受炸藥帶來的破壞力。東風(fēng)-17以氣凝膠隔熱材料作為外衣，使得東風(fēng)-17在極快加速度的同時(shí)不被空氣摩擦所產(chǎn)生的高溫給破壞，而且氣凝膠材料良好的透波性能不會(huì)阻擋東風(fēng)-17內(nèi)部的制導(dǎo)裝置。另外，氣凝膠可以作為飛機(jī)、艦船/艇、坦克、導(dǎo)彈等的外層材料,起到防輻射、吸收紅外線和漫反射波實(shí)現(xiàn)隱形功能，屏蔽自身電子信號(hào)實(shí)現(xiàn)反偵察的功能。在水下探測中氣凝膠的低聲速和高孔隙超輕質(zhì)特性使之成為比較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料和最佳水聲反聲材料。當(dāng)然，氣凝膠也用于軍用保溫帳篷等領(lǐng)域。在航天領(lǐng)域，對材料的絕熱、輕量、抗壓能力要求最為嚴(yán)苛。俄羅斯“和平”號(hào)空間站、美國“火星探路者”探測器和“火星漫步者”探測車、我國“長征五號(hào)”運(yùn)載火箭和“祝融號(hào)”火星車都曾使用氣凝膠材料進(jìn)行絕熱保溫材料，“星辰號(hào)”飛船用來收集彗星塵也使用了氣凝膠做的采集“手套”。2016年8月，中國航天科工三院306所聯(lián)手華星美科新材料科技（江蘇）有限公司舉行簽約儀式，共同組建成立氣凝膠技術(shù)國際研發(fā)中心，力圖打造國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平的氣凝膠技術(shù)研發(fā)基地。在電池領(lǐng)域，目前鋰離子動(dòng)力電池組熱失控事故時(shí)有發(fā)生，阻止熱失控電芯向電池其他系統(tǒng)傳熱是主要解決思路。氣凝膠氈具有防火、隔熱、阻燃的特性，而且質(zhì)感柔軟、易于加工，是非常理想的預(yù)防材料；另外在熱電池應(yīng)用領(lǐng)域，氣凝膠作為熱電池保溫筒的隔熱材料能夠解決多領(lǐng)域?qū)犭姵氐母咝阅?、長壽命的要求。目前新開發(fā)的氣凝膠玻纖氈能夠?qū)㈦姵匕邷啬褪苣芰μ岣咧?00℃以上，大大提高電池的耐熱性。在交通領(lǐng)域，氣凝膠材料主要應(yīng)用在汽車防火隔熱保溫降噪層，大容量電池組防火防水保溫盒，危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車、液化天然氣運(yùn)輸船等特種運(yùn)輸工具的保溫防火層，高鐵和地鐵車體保溫隔熱降噪防火層等。在交通事故引發(fā)的火災(zāi)中，著火點(diǎn)一般集中在發(fā)動(dòng)機(jī)倉位置。在發(fā)動(dòng)機(jī)倉和駕駛艙之間加一層氣凝膠防火隔離墻，可以阻隔火勢蔓延到駕駛艙中。在日常生活中，凡是需要保溫的地方，氣凝膠都具有應(yīng)用的可能性。氣凝膠滑雪服：超薄的保溫厚度和良好的柔韌性，A級防火性能和荷葉般的疏水性能，使氣凝膠防寒服相比傳統(tǒng)羽絨服更薄一些，而且保溫性能極好?？肆_值是評定衣服保暖效果的重要指標(biāo)。研究者們總結(jié)出了一個(gè)服裝熱阻計(jì)算公式：Iclo=6.45×[（tS-tA）/Φ]-0.8在這一公式中，tS為人體溫度，通常取33.3℃；tA為環(huán)境溫度；Φ為單位面積的單層服裝在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量，一般取M的75%，M為人的基礎(chǔ)代謝熱量58W/m；Iclo為人體身上穿的所有衣服克羅值（clo）的總和，檢測表明，0.2cm厚的氣凝膠復(fù)合棉纖氈的克羅值為1.73。理論上，人體單穿一件內(nèi)襯0.6cm厚氣凝膠復(fù)合棉纖氈的衣服，即可在-8℃的環(huán)境溫度下保證溫暖。氣凝膠復(fù)合棉纖氈的熱導(dǎo)率為3.77W/（m2·K），羽絨的熱導(dǎo)率為5.93W/（m2·K），僅0.2cm厚的氣凝膠復(fù)合棉纖氈（保溫率74.03%），即可相當(dāng)于4cm厚的羽絨纖維（保溫率78.12%）的保溫效果。氣凝膠網(wǎng)球拍：以氣凝膠為填充材料制成的網(wǎng)球拍或羽毛球拍，利用氣凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)，可以更好地吸能、減震，大大降低了患上“網(wǎng)球肘”的風(fēng)險(xiǎn)。另外，這種球拍的擊球能力更強(qiáng)大。氣凝膠登山靴：氣凝膠材料可以應(yīng)用在鞋墊、鞋面、鞋跟和踝部包裹等部位。通常的使用方法是在兩層面料中間夾一層氣凝膠材料。而使用約2mm厚的氣凝膠材料即可以滿足鞋子的保溫性能需求。2產(chǎn)業(yè)鏈或加速脫瓶頸氣凝膠自20世紀(jì)30年代發(fā)明以來一直是研究人員的寵兒，但在應(yīng)用端卻并沒有得到普及。究其原因是氣凝膠的技術(shù)不夠成熟、成本過高。目前我們看到國內(nèi)在氣凝膠原料成本和工藝技術(shù)上或有巨大突破，因此看好氣凝膠這一次的完全崛起。2.1原料成本有望下降目前產(chǎn)業(yè)化程度最高的氣凝膠為硅基氣凝膠，其生產(chǎn)成本主要集中在原料硅源、干燥設(shè)備折舊和能耗三塊，換言之氣凝膠的成本下降需要在這三方面發(fā)力。二氧化硅氣凝膠的制備過程首先要得到二氧化硅凝膠，再通過干燥手段使氣體取代凝膠中的液相從而形成氣凝膠。目前，生產(chǎn)原料有兩種。一種是無機(jī)硅源，包括水玻璃（硅酸鈉）和四氯化硅，另一種是有機(jī)硅源，包括正硅酸甲酯（TMOS，又稱四甲氧基硅烷）和正硅酸乙酯（TEOS，又稱四乙氧基硅烷）等功能性硅烷。其中，有機(jī)硅源純度高，工藝適應(yīng)性好，可以適配超臨界干燥以及常壓干燥工藝，但有機(jī)硅元作為原料的缺陷是價(jià)格高，目前國內(nèi)外采用超臨界干燥工藝的企業(yè)基本上都是采用有機(jī)硅源。無機(jī)硅源相對更加廉價(jià)，但長期以來應(yīng)用較少。一方面是由于無機(jī)硅源只能應(yīng)用于常壓干燥技術(shù)，常壓法發(fā)展還較不成熟；另一方面，以水玻璃為硅源的氣凝膠制備過程中需要大量水洗凝膠中的鈉鹽，而鈉鹽的水溶液難分離，造成大量的廢水難以處理，處理不當(dāng)可能會(huì)造成大面積的土地鹽堿化。因此，目前最主流產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)路線是正硅酸酯為原料結(jié)合超臨界干燥工藝的生產(chǎn)過程。正硅酸甲酯、正硅酸乙酯均屬于功能性硅烷。通常將主鏈為Si-O-C結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅小分子統(tǒng)稱為功能性硅烷。功能性硅烷按用途分類可以分為硅烷偶聯(lián)劑和硅烷交聯(lián)劑。硅烷交聯(lián)劑可以分為脫酸型、脫酮肟型和脫醇型三種。制作氣凝膠的正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、甲基三甲氧基硅烷等屬于脫醇型交聯(lián)劑。全球功能性硅烷市場規(guī)模從2015年的13.3億美元增至2020年的17億美元，CAGR為5%。其中亞太地區(qū)硅烷需求強(qiáng)勁，是推動(dòng)全球硅烷市場增長的主要因素。中國作為世界主要硅烷消費(fèi)國，將引領(lǐng)亞太地區(qū)硅烷市場的發(fā)展。2019年全球功能性硅烷產(chǎn)能約為62.1萬噸/年，產(chǎn)量約為43.9萬噸。功能性硅烷主要用于橡膠加工、粘合劑、復(fù)合材料等領(lǐng)域。我國是世界最大的功能性硅烷生產(chǎn)、出口與消費(fèi)國。盡管中國功能性硅烷2019年產(chǎn)能占全球功能性硅烷產(chǎn)能的69.1%，位居第一，也是最大的出口國以及主要硅烷消費(fèi)國。但我國硅烷以含硫硅烷為主。交聯(lián)劑主要依賴進(jìn)口，因此導(dǎo)致有機(jī)硅源成本高昂。隨著中國未來硅烷交聯(lián)劑產(chǎn)能的大幅提升，自給率將會(huì)逐漸提升，從而降低氣凝膠的生產(chǎn)成本。2019年，我國出口的硅烷品種主要為含硫硅烷，主要出口去向?yàn)槊绹?、印度、韓國、日本、荷蘭等國家或地區(qū)。同時(shí)，我國進(jìn)口的硅烷品種主要為環(huán)氧基硅烷及交聯(lián)劑，主要來自美國、日本和德國。未來，在安全和環(huán)保要求持續(xù)收緊、供給側(cè)改革持續(xù)推進(jìn)的背景下，硅烷企業(yè)將朝著大型化、一體化和區(qū)域化的趨勢發(fā)展。隨著新能源汽車、復(fù)合材料和表面處理等新興市場需求的壯大成熟，預(yù)計(jì)到2023年，我國硅烷總產(chǎn)量將達(dá)到39萬噸，與2019年相比，年均復(fù)合增長率為9.6%。另外國內(nèi)常壓干燥技術(shù)也在進(jìn)步，未來不再是制約無機(jī)硅源的瓶頸。四氯化硅大部分為多晶硅副產(chǎn)物。據(jù)頭豹研究院數(shù)據(jù)顯示，每生產(chǎn)1千克多晶硅將產(chǎn)生10-15千克四氯化硅。而四氯化硅隨著多晶硅產(chǎn)能的陸續(xù)投放，原料供給充足。中國多晶硅產(chǎn)量連續(xù)七年位居全球首位。2020年中國多晶硅產(chǎn)量為39.2萬噸，同比增長14.6%，約占全球產(chǎn)量的73%。由于下游光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，硅料長期處于供不應(yīng)求的局面，自2017年起多家硅料企業(yè)均開啟多晶硅產(chǎn)能擴(kuò)張，2015-2020年中國多晶硅年產(chǎn)量從16.5萬噸增長至39.2萬噸，復(fù)合增速18.9%，同時(shí)中國多晶硅產(chǎn)量占全球比例連年上升。預(yù)計(jì)在2021-2025年間，多晶硅料產(chǎn)量仍將處于高速增長期。按照復(fù)合增長率20%,預(yù)計(jì)到2025年我國多晶硅年產(chǎn)量將達(dá)近100萬噸，副產(chǎn)的四氯化硅就將達(dá)1000萬～1500萬噸。原材料充足以及產(chǎn)業(yè)鏈一體化的形成將有效降低氣凝膠材料成本中樞，在市場上的替代效應(yīng)更為明顯。2.2干燥工藝取得進(jìn)步氣凝膠的生產(chǎn)首先是溶膠-凝膠反應(yīng)過程，然后是利用干燥工藝去除孔內(nèi)液體。為了去除溶劑而不會(huì)使孔隙塌陷，干燥工藝對于氣凝膠的合成至關(guān)重要，而干燥工藝在氣凝膠成本中也占有絕對分量。干燥工藝可分為超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥以及常壓干燥。目前超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝是主流干燥工藝。超臨界干燥技術(shù)率先實(shí)現(xiàn)批量制備氣凝膠技術(shù),目前已經(jīng)較為成熟。超臨界干燥是通過對壓力和溫度的控制使溶劑在干燥過程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)，形成一種超臨界流體，處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而可以實(shí)現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。由于超臨界干燥工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)產(chǎn)品純度高，因此被廣泛應(yīng)用于軍工、航天等領(lǐng)域，但超臨界設(shè)備屬于特種設(shè)備，制造有門檻、投入高，使得成本承壓。而常壓干燥工藝的設(shè)備投入較低，對廉價(jià)硅源接納能力強(qiáng)，但由于常壓干燥工藝對配方設(shè)計(jì)和流程組合優(yōu)化要求高，目前工藝不夠成熟。超臨界干燥包括高溫超臨界干燥、二氧化碳超臨界干燥。1984年，瑞典隆德集團(tuán)以正硅酸甲酯為硅料、采用高溫超臨界干燥生產(chǎn)二氧化硅氣凝膠的工程中，因高壓釜泄漏甲醇蒸汽發(fā)生爆炸。美國ArlonHunt發(fā)明了以正硅酸乙酯為硅源，搭配超臨界二氧化碳干燥技術(shù)（以二氧化碳作為干燥介質(zhì)），一方面正硅酸乙酯毒性較正硅酸甲酯更低，更一方面由于二氧化碳的臨界點(diǎn)溫度和壓力更低，使得干燥過程的盡管目前超臨界干燥工藝日益成熟、產(chǎn)品質(zhì)量滿足產(chǎn)業(yè)化要求，但是超臨界干燥設(shè)備制造具有一定門檻，且原料有機(jī)硅源價(jià)格較高。而根據(jù)NASA數(shù)據(jù)顯示，常壓干燥的制造成本是超臨界工藝的1/20。因此，常壓干燥工藝仍然一直被生產(chǎn)廠家、研究機(jī)構(gòu)所關(guān)注的。常壓干燥原理是采用疏水基團(tuán)對凝膠骨架進(jìn)行改性，避免凝膠孔洞表面的硅羥基相互結(jié)合并提高彈性，同時(shí)采用低表面張力液體置換凝膠原來高比表面積的水或乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。但常壓干燥對前期處理要求很高，且在干燥過程中由于孔隙中固液界面的表面張力非常大，易發(fā)生收縮和開裂。因此只有對常壓工藝成熟的生產(chǎn)企業(yè)才具有競爭優(yōu)勢，否則成本優(yōu)勢并不突出。此外，研究員也在研究其他創(chuàng)新性方法生產(chǎn)氣凝膠。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，當(dāng)蜻蜓從幼蟲中脫殼而出時(shí)，翅膀像果凍一樣，但在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)膨脹變硬并變得完全干燥，變成類似于氣凝膠的多孔分層結(jié)構(gòu)。原因是蜻蜓身體會(huì)產(chǎn)生碳酸氫鹽分子，釋放二氧化碳?xì)怏w，調(diào)節(jié)身體壓力并同時(shí)干燥翅膀，這會(huì)”吹出“水分，讓它們的翅膀變得干燥，穩(wěn)定，輕盈且結(jié)實(shí)。實(shí)驗(yàn)人員受此啟發(fā)，通過在硅膠中加入碳酸氫鹽溶劑，并采用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳從內(nèi)向外干燥凝膠，同時(shí)，二氧化碳被鎖在孔質(zhì)結(jié)構(gòu)中，防止了氣凝膠的塌陷。研究人員宣稱，這項(xiàng)技術(shù)將使生產(chǎn)成本降低96％，從每公斤100美元左右降至4美元。2.3市場需求增長突出過去七年，我國氣凝膠市場規(guī)模穩(wěn)步高速增長。我國氣凝膠市場主要分氣凝膠制品和氣凝膠材料兩部分。氣凝膠制品的市場規(guī)模從2014年2.07億元增長到2020年的14.1億元，復(fù)合增長率達(dá)到37.7%；氣凝膠材料的市場規(guī)模從2014年1.83億元增長到2020年的15.9億元，復(fù)合增長率達(dá)到43.4%。從全球市場看，與隔熱材料整體市場比較，氣凝膠市場規(guī)模雖然目前占比不是很大，但增長尤為迅速。目前氣凝膠下游需求結(jié)構(gòu)有56%來自油氣項(xiàng)目，18%用于工業(yè)隔熱，9%用于建筑建造，8%用于交通。而在2026年，將有14%用于建筑，而交通領(lǐng)域的需求將增至13%。目前眾多研究機(jī)構(gòu)報(bào)告都表明，未來全球范圍內(nèi)的新能源汽車高速增長幾乎已經(jīng)成為共識(shí)，對于新能源汽車來說續(xù)航里程的提升需要高能量密度的動(dòng)力電池支持，但高能量密度電池的安全性是目前需要解決的難題。氣凝膠作為電池?zé)峁芾淼年P(guān)鍵材料將扮演重要角色。根據(jù)我們?nèi)A安團(tuán)隊(duì)預(yù)測，2025年我國汽車與工業(yè)管道領(lǐng)域氣凝膠的市場規(guī)模將達(dá)到64-77億元，2030年市場規(guī)模將達(dá)到183-234億元。如考慮在建筑建材、航天軍工、日常生活等其他領(lǐng)域氣凝膠需求增長，以及碳中和加速帶來爆發(fā)性增長，市場規(guī)模增長空間會(huì)更大。2.4新增供給有利市場目前國際上關(guān)于氣凝膠的研究主要集中在德、美、法、日等國，而在國內(nèi)，氣凝膠也已經(jīng)有超過二十年的研究歷史，主要研究單位以國家納米中心、中科院、國防科大、同濟(jì)大學(xué)等為代表。可以說，氣凝膠是我國少數(shù)從工藝到產(chǎn)業(yè)化都能與國際水平相提并論的頂級新材料，未來氣凝膠產(chǎn)業(yè)有望成為我國的王牌產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)全球發(fā)展。目前我國氣凝膠產(chǎn)業(yè)代表性的生產(chǎn)企業(yè)有數(shù)十家，技術(shù)路線主要以成熟的二氧化碳超臨界萃取工藝為主，而超臨界萃取工藝的壁壘之一是干燥設(shè)備。其中，貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司是國內(nèi)唯一集超臨界萃取裝備設(shè)計(jì)、制造為一體的生產(chǎn)廠家，具有較強(qiáng)的超臨界萃取成套裝備開發(fā)設(shè)計(jì)和超臨界流體技術(shù)應(yīng)用研究能力，與國內(nèi)外設(shè)備相比更加節(jié)能。近年也有企業(yè)新建產(chǎn)能采用常壓干燥工藝、減壓干燥工藝。納諾科技現(xiàn)有1萬方氣凝膠超級絕熱材料中5000方是常壓法，5000方是超臨界，新建12000方也將采用常壓法。根據(jù)弘大科技官網(wǎng)介紹，弘大科技自主設(shè)計(jì)研發(fā)的低成本減壓干燥技術(shù)能夠使年產(chǎn)100立方米氣凝膠的生產(chǎn)設(shè)備投資由5000萬元降到200萬元。隨著以華陸新材為代表等在建產(chǎn)能陸續(xù)投產(chǎn)，此外還有宏柏新材等公司準(zhǔn)備量產(chǎn)，我們認(rèn)為供給端的擴(kuò)大將有利于氣凝膠的市場滲透率的提升和成本下降。3崛起重點(diǎn)在于存量替代和增量拓展長期以來，氣凝膠的技術(shù)成果層出不窮，但我們認(rèn)為，在繼續(xù)探索新技術(shù)、低成本技術(shù)手段生產(chǎn)氣凝膠的同時(shí)，后續(xù)更應(yīng)注重氣凝膠的應(yīng)用開發(fā)。簡言之，對于具有極致性質(zhì)的氣凝膠材料，尋找性價(jià)比契合的市場領(lǐng)域比做好氣凝膠更重要。3.1技術(shù)升級和應(yīng)用拓展成就氣凝膠氣凝膠的發(fā)展歷史就是一個(gè)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用拓展互相促進(jìn)的過程。自1931年氣凝膠誕生以來，氣凝膠歷經(jīng)四次產(chǎn)業(yè)化。第一次產(chǎn)業(yè)化是美國孟山都公司主導(dǎo)，但由于成本過高、應(yīng)用開發(fā)滯后而失敗；第二次產(chǎn)業(yè)化在20世紀(jì)80年代，因高溫超臨界爆炸以及新技術(shù)經(jīng)營不善而告終；第三次產(chǎn)業(yè)化中美國AspenAerogel成功將氣凝膠商業(yè)化，將其應(yīng)用于航天軍工、石化領(lǐng)域，受到市場青睞；目前氣凝膠處于我國主導(dǎo)的第四次產(chǎn)業(yè)化過程中，新增眾多產(chǎn)能的同時(shí)進(jìn)一步將氣凝膠的應(yīng)用拓展到了電池、交通等民用領(lǐng)域?；仡櫄饽z的產(chǎn)業(yè)化歷程，數(shù)次受挫都與市場需求開發(fā)不足和價(jià)格過高有關(guān)。作為絕熱材料，氣凝膠必須直面其他廉價(jià)材料的競爭。而技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)能擴(kuò)大、市場認(rèn)識(shí)的提高、需求升級將有助于這一市場的發(fā)展。因此，氣凝膠的必經(jīng)之路是普及應(yīng)用的過程。近年來，我國陸續(xù)推出有關(guān)氣凝膠的政策文件，對氣凝膠的產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行指導(dǎo)和促進(jìn)。3.2氣凝膠替代傳統(tǒng)材料是“降維打擊”在純粹追求性能的前提下，氣凝膠對同類材料相比是“降維打擊”。目前除了在一些領(lǐng)域氣凝膠不夠經(jīng)濟(jì)，在隔熱、防水、防火、耐壓、透氣等多個(gè)維度，氣凝膠都很能打。在耐久性方面，硅基氣凝膠本身是很脆，但通過與增強(qiáng)纖維等材料的復(fù)合制備，硅基氣凝膠材料耐用性已經(jīng)足夠，理論使用年限約為20年（與一般建筑物的壽命相當(dāng)）,最低使用年限15年。在工業(yè)管道領(lǐng)域替代硅酸鹽氈等傳統(tǒng)保溫材料。為在油氣開采中需盡可能做好注汽管道的保溫、盡可能縮小注汽鍋爐與井口間的蒸汽溫降，在電力行業(yè)熱電聯(lián)產(chǎn)中做好管道保溫方可提高熱電聯(lián)產(chǎn)的輻射范圍。長期以來，工業(yè)管道采用硅酸鹽氈等做保溫材料，其使用壽命短、結(jié)構(gòu)松散，而且吸水導(dǎo)致管道表面腐蝕嚴(yán)重。替代品氣凝膠氈具有柔韌度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，疏水性能好，經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在工業(yè)管道既可有效降低能源損耗，又可延長管道使用壽命。根據(jù)實(shí)際案例分析，管道外徑為88.9mm，蒸汽溫度350°C，1000m長，氣凝膠與傳統(tǒng)保溫材料的使用厚度、保溫效果對比如下：方案一：氣凝膠氈作為保溫材料，內(nèi)層用鋁箔降低熱輻射，保溫層外用彩鋼板防護(hù)；方案二：氣凝膠氈作為主體保溫材料，復(fù)合硅酸鹽氈輔助保溫，內(nèi)層用鋁箔降低熱輻射，保溫層外用彩鋼板防護(hù)；方案三：復(fù)合硅酸鹽氈作為保溫材料，內(nèi)層用鋁箔降低熱輻射，保溫層外用彩鋼板防護(hù)。3.3汽車領(lǐng)域是氣凝膠最具確定性的增量領(lǐng)域在汽車領(lǐng)域，氣凝膠材料既可以用于整車制造，又可以用于新能源汽車電池。整車方面，氣凝膠材料可以起到防火、隔熱、保溫、降噪等作用，在駕駛倉和發(fā)動(dòng)倉間加一層氣凝膠防火隔離墻，汽車著火點(diǎn)一般集中在發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車內(nèi)飾多是織物等易燃物，氣凝膠防火隔離墻可阻止火勢進(jìn)入駕駛倉，為司機(jī)和乘客的撤逃留有更多寶貴時(shí)間。電池方面，目前新能源汽車的動(dòng)力源主要來自于以鋰離子電池為主的動(dòng)力電池系統(tǒng)。應(yīng)消費(fèi)者對電動(dòng)汽車?yán)锍痰男枨?，?dòng)力電池的能量密度在不斷提高。根據(jù)《中國制造2025》關(guān)于動(dòng)力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020年，單個(gè)電芯級別的能量密度達(dá)到300Wh/kg；2025年，達(dá)到400Wh/kg；2030年，達(dá)到500Wh/kg。在能量密度不斷提高的同時(shí)，動(dòng)力電池的安全性成為新的瓶頸。近年來，屢有新能源車起火新聞見之報(bào)端。其中電池自燃占起火原因的比例高達(dá)38%。鋰離子動(dòng)力電池在發(fā)生熱失控是一個(gè)連鎖放熱過程，不是瞬間完成的。隨著溫度不斷升高依次是：高溫容量衰減——SEI膜分解——負(fù)極——電解液反應(yīng)——隔膜熔化過程——正極分解反應(yīng)——電解質(zhì)溶液分解反應(yīng)——負(fù)極與粘接劑反應(yīng)——電解液燃燒等。這為我們解決動(dòng)力電池?zé)崾Э靥峁┝怂悸贰Ｍㄟ^在電池組內(nèi)增加隔熱層，阻斷熱失控從失控單體向周圍傳播，從而可以降低電池組的損害以及附帶的破壞作用。2020年5月12日，GB38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》發(fā)布。這是我國電動(dòng)汽車領(lǐng)域首批強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)之一，于2021年1月1日實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)在優(yōu)化電池單體模組安全要求的同時(shí)，重點(diǎn)強(qiáng)化了電池系統(tǒng)熱安全、機(jī)械安全、電氣安全以及功能安全要求，試驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋系統(tǒng)熱擴(kuò)散、外部火燒、機(jī)械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環(huán)、振動(dòng)、泡水、外部短路、過溫、過充等。特別要求電池單體在熱失控后，電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸，為成員安全預(yù)留逃生時(shí)間。做好電池組熱管理至關(guān)重要，寧德時(shí)代、上汽通用、宇通客車等公司的解決方案是在電芯之間放置氣凝膠。氣凝膠材料導(dǎo)熱系數(shù)低，防火、防水性能優(yōu)異，占用空間小，壽命長，且對環(huán)境無污染，是最佳的汽車電池隔熱材料。同時(shí)，動(dòng)力電車的性能受溫度影響較大，溫度過低會(huì)影響到再生制動(dòng)系統(tǒng)的性能，充電速度過慢而且充不滿電，氣凝膠也能保障電池溫度不會(huì)過低。根據(jù)上汽通用公司介紹，公司在純電動(dòng)MAV別克微藍(lán)的電芯之間加入了納米級氣凝膠，為別克微藍(lán)410KM版140Wh/kg的高電池能量密度和13.1kW·h的低能耗做出了貢獻(xiàn)，強(qiáng)化了別克微藍(lán)電池組的安全性，為別克微藍(lán)的高壓系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)安全ASILD（汽車安全性等級最高等級）標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。4重點(diǎn)企業(yè)分析4.1中國化學(xué)中國化學(xué)是一家集勘察、設(shè)計(jì)、施工為一體，知識(shí)技術(shù)相對密集的工業(yè)工程公司，是我國化學(xué)工業(yè)工程領(lǐng)域內(nèi)資質(zhì)最為齊全、功能最為完備、業(yè)務(wù)鏈較為完整的工業(yè)工程公司之一。公司開展“三年五年規(guī)劃，十年三十年愿景目標(biāo)”中長期發(fā)展戰(zhàn)略，以人才技術(shù)優(yōu)勢為依托，實(shí)現(xiàn)研發(fā)和實(shí)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，使實(shí)業(yè)成為推動(dòng)企業(yè)發(fā)展的重要板塊，其中氣凝膠項(xiàng)目的建設(shè)是一項(xiàng)重大突破。當(dāng)前公司氣凝膠產(chǎn)品的在建項(xiàng)目位于重慶。中國化學(xué)氣凝膠項(xiàng)目建設(shè)單位是中化學(xué)華陸新材料有限公司，建成后中國化學(xué)氣凝膠項(xiàng)目將成為中國領(lǐng)先、世界一流的集研發(fā)、生產(chǎn)、上下游供應(yīng)鏈為一體的氣凝膠新材料產(chǎn)業(yè)基地。中化學(xué)華陸新材料有限公司（簡稱“華陸新材”）于2020年09月23日成立，由華陸工程科技有限責(zé)任公司（簡稱“華陸科技”）控股。2018年12月，華陸科技投資參股中國航天科工集團(tuán)貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司（簡稱“航天烏江”）。航天烏江是國內(nèi)唯一集超臨界萃取裝備設(shè)計(jì)、制造為一體的生產(chǎn)廠家，具有較強(qiáng)的超臨界萃取成套裝備開發(fā)設(shè)計(jì)和超臨界流體技術(shù)應(yīng)用研究能力，與國內(nèi)外設(shè)備相比更加節(jié)能。華陸科技對航天烏江原氣凝膠復(fù)合材料生產(chǎn)線進(jìn)行改造和技術(shù)升級，聯(lián)合航天烏江進(jìn)行大規(guī)模、連續(xù)化生產(chǎn)氣凝膠復(fù)合材料全過程工藝流程開發(fā)，新增了溶劑高效回收系統(tǒng)、智能行車機(jī)器人與超臨界干燥設(shè)備快開裝置協(xié)同控制系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)軍用技術(shù)轉(zhuǎn)民用。在此之前，中國化學(xué)也曾助力陽煤集團(tuán)建成投產(chǎn)亞洲最大氣凝膠項(xiàng)目。2018年，陽煤集團(tuán)與深圳中凝科技有限公司達(dá)成戰(zhàn)略合作，合資成立了陽中新材氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)。擬建設(shè)項(xiàng)目為30萬立方米/年氣凝膠絕熱氈、2萬噸/年氣凝膠粉體、5萬噸/年功能性聚酯纖維。項(xiàng)目分三期建設(shè)，一期項(xiàng)目建設(shè)產(chǎn)能為2萬立方米/年氣凝膠氈、1000噸/年氣凝膠粉體。中國化學(xué)旗下賽鼎公司作為一期項(xiàng)目的總承包單位，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)年開工、當(dāng)年建成、當(dāng)年投產(chǎn)的“氣凝膠速度”，幫助陽煤集團(tuán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展。4.2泛亞微透公司通過對ePTFE（膨脹聚四氟乙烯）膜的改性及與基礎(chǔ)吸音棉、高性能干燥劑、SiO2氣凝膠等材料復(fù)合，不斷開發(fā)具有特殊聲、電、磁、熱、防水透氣、氣體管理、耐候耐化學(xué)等特性的組件產(chǎn)品。公司生產(chǎn)的氣凝膠產(chǎn)品應(yīng)用于航天、集中供熱、集中供冷、石油、天然氣、化工、建筑、交通、冶金、電子、環(huán)保等領(lǐng)域，氣凝膠材料在高鐵列車保溫隔聲、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)保溫、冷庫、冷藏車保冷、太陽能集熱器、帳篷、鞋墊、羽絨服、登山鞋等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。2019年公司開建年產(chǎn)1604立方米SiO2氣凝膠與24萬平方米ePTFE膜復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，產(chǎn)品為常壓法SiO2氣凝膠1520m3/a、超臨界法SiO2氣凝膠84m3/a、常壓法SiO2氣凝膠與ePTFE膜復(fù)合材料20萬m3/a、超臨界法SiO2氣凝膠與ePTFE膜復(fù)合材料4萬m3/a。其中氣凝膠生產(chǎn)項(xiàng)目為公司與浙江大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，此前已經(jīng)通過了小試及中試。2021年公司以1.56億元收購上海大音希聲新型材料有限公司60%的股權(quán)。大音希聲生產(chǎn)的無機(jī)固態(tài)氣體超效絕緣材料（氣凝膠）通過遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心“A-60”級艙壁及甲板耐火試驗(yàn)、取得中國船級社工廠認(rèn)可及型式認(rèn)可證書。同時(shí)大音希聲認(rèn)真貫徹武器裝備質(zhì)量管理體系，公司生產(chǎn)的無機(jī)固態(tài)氣體超效絕熱材料（氣凝膠）通過了海裝鑒定、裝艦[2012]11號(hào)和海裝艦[2018]75號(hào)，經(jīng)過軍方嚴(yán)格審核后獲得了中央軍委裝備發(fā)展部頒發(fā)的《裝備承制單位注冊證書》。公司收購大音希聲使得公司具有實(shí)現(xiàn)氣凝膠產(chǎn)業(yè)在軍用、民用高端領(lǐng)域的快速增長的能力，進(jìn)一步提高了公司的綜合競爭力。2020年11月，泛亞微透在互動(dòng)平臺(tái)上稱，公司募投項(xiàng)目產(chǎn)品SiO2氣凝膠玻纖氈復(fù)合材料主要應(yīng)用于三元鋰電池包電芯間隔斷，與寧德時(shí)代在洽談合作。4.3華昌化工公司目前已經(jīng)已經(jīng)形成了煤化工、鹽化工、石油化工等多產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)格局。2021年3月4日，公司公告增資參股愛彼愛和新材料有限公司（簡稱“愛彼愛和”）7.04%。愛彼愛和是國內(nèi)一家氣凝膠材料生產(chǎn)企業(yè)，在河北滄州、河南許昌建立了兩個(gè)生產(chǎn)基地。滄州基地主要生產(chǎn)氣凝膠粉和氣凝膠復(fù)合氈系列產(chǎn)品，主要為石油煉化、火力發(fā)電、原油開采、化工等領(lǐng)域企業(yè)提供高效節(jié)能產(chǎn)品，并為許昌基地提供氣凝膠主材；許昌基地主要負(fù)責(zé)氣凝膠材料深加工，產(chǎn)品包括車用氣凝膠防火毯系列、電池用氣凝膠隔離片系列，氣凝膠防火毯提供給宇通客車（根據(jù)公司介紹，2018年成為成為宇通客車氣凝膠最大供應(yīng)商）、吉利汽車、申龍客車等知名客車企業(yè)，氣凝膠隔離片則主要供給寧德時(shí)代（根據(jù)公司介紹，2019年成為寧德時(shí)代、鋒巢等動(dòng)力電池的主要供應(yīng)商）、國軒高科、天津力神、中航鋰電等企業(yè)。愛彼愛和于20