2022年气凝胶行业研究报告.docx

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。
图3：相同保温性能情况下，气凝胶毡用量最少

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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。
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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10001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。
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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。
图14:媒录侨格在2021年大涨(元/吨)
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贵科来源：Wind,西部证券圻发中心

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300T500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“5山行的安全逃逸时间”，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镍三元锂电池。展望未 来，为提升电池包能量密度，普通三元及磷酸铁锂电池有望使 用更薄的气凝胶隔热垫以提升电池包的成组效率，因此气凝胶 在锂电池的渗透率将进一步提升。根据鑫椤锂电数据，2021年 高镍三元锂电池占比约17%左右，则以气凝胶的单车价值量500 元测算，预计到2025年，全球锂电池用气凝胶市场空间为35 亿元。
研发中心2.2.3建筑保温市场：当前需求增速慢，远期市场空 间广阔
根据《2020年中国统计年鉴》，我国建筑业能源消耗占国内能 源消耗总量超过25%,因此在双碳目标的大背景下，建筑节能成 为亟待解决的问题。在建筑物保温中墙体承担整个建筑物节能 保温的50%以上的认为，因此开发合适的墙体保温材料成为重要 课题。
传统保温材料一般分为两类：以珍珠岩、岩棉类为代表的无机 保温材料、以聚苯乙烯、聚氨酯为代表的有机保温材料。无机 材料保温隔热性能差，且吸水率高，因此逐渐被隔热性能更 好、抗冲击性能更高的有机保温材料取代。但是几乎所有的有 机保温材料都易燃，在遇到明火后开始燃烧，并且在燃烧过程 中会分解出苯、甲苯、甲醛等，即使在聚氨酯材料中添加阻燃 剂，也只能达到国标GB8624-2012中的B级不燃标准。气凝胶 具有优异隔热性能、不易燃烧、不易吸水，是建筑保温材料的 最佳选择之一。
气凝胶价格较贵，目前在建筑节能市场渗透率相对降低，但远 期空间广阔。根据2020年国内气凝胶行业合计15.9亿元的产 值及建筑建造行业约占7%的需求来推算，2020年建筑建材用气 凝胶的销售额约在1亿左右。根据我们对建筑外墙保温材料的 测算，则2020年气凝胶在建筑保温材料的渗透率仅为0. 02%， 我们假设2025年气凝胶渗透率提升至0.12%，则到2025年国 内建筑保温外墙市场对气凝胶的需求量为13.7万方。相比石 化、热网及锂电行业，其需求相对较小。但远期来看，整个建 筑建材市场空间广阔。
综合来看，在双碳政策的催化下，气凝胶在节能保温材料市场 的渗透率将有显著提升。预计2021-2025年国内气凝胶行业的 需求空间合计为
22. 6/38.7/67. 6/115.7/184.7亿元，同比增速分别为 43%/71%/75%/71%/60%。
三、多方企业入局气凝胶材料，推动气凝胶规模化降本
3.1多方企业入局气凝胶材料，行业扩产加速
多家企业入局气凝胶行业，推动行业产能加速扩充。根据各企 业目前披露的数据，目前国内约有15.7万方气凝胶产能。随着 下游需求的快速提升，多种背景的企业开始入局气凝胶行业： 目前新进的企业的背景包括工程装备企业中国化学、传统煤化 工企业华阳新材、化肥企业华昌化工、汽车制品企业泛亚微 透、有机硅企业晨光新材和宏柏新材等。目前生产1万方的气 凝胶约需投资1.6亿元，新入局企业大多为上市公司，均有一 定的资金实力，加速了气凝胶行业产能扩张速度，根据我们的 统计，目前主流企业的扩产合计约16万方，以2年的投产周期 来算，预计2023年全行业产能将在2021年的基础上翻倍。
由于气凝胶材料具有较强的技术壁垒，目前大多数的新入局者 均采用股权投资的形式进入气凝胶行业。中国化学子公司华陆 工程于2015年开始便与中国航天科工十院航天乌江公司开展战 略合作协议，作为化学工程EPC企业，中国化学通过布局气凝 胶保温材料，可以同时为客户提供EPC方案及关键材料。阳煤 集团（现更名为华阳新材）于2018年参股气凝胶企业深圳中 凝、华昌化工于2021年参股气凝胶企业爱彼爱和、泛亚微透于 2021年收购气凝胶企业大音希声60%股权。
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3. 2各玩家竞争力分析 （1）短期看干燥技术的突破与优势竞争
在气凝胶的合成过程中，干燥步骤具有较强的技术壁垒，干燥 技术路线的选择直接影响气凝胶性能。国内气凝胶企业也根据 干燥技术路线的不同而被划分为多个派别。由于国内企业大多 以与学校合作的方式引入干燥技术而起家，因此也根据各家技 术来源进行划分。国内最早的气凝胶企业纳诺科技在2004年通 过引入清华大学的二氧化碳超临界技术起家，随后又在2007年 与同济大学合作开发常压干燥技术。目前最大的气凝胶厂商广 东埃力生的技术来源于国防科技大学，以二氧化碳超临界技术 为主。中国化学参股的贵州航天乌江以设备起家，2011年开始 从气凝胶设备提供商转向气凝胶生产，其二氧化碳超临界技术 来自于航天三院，华陆新材的工艺技术也由航天乌江提供。厦 门纳美特、安徽弘辉、华夏特材等一些中小企业则使用厦门大 学的酒精超临界技术。
当前国内三种干燥路线并行发展，由于二氧化碳超临界干燥技 术综合性能最佳，目前大多数产能以二氧化碳超临界干燥为 主，采用二氧化碳超临界干燥路线的企业在当前阶段具有一定 优势。当前常用的三种干燥工艺有二氧化碳超临界干燥、乙醇 超临界干燥和常压干燥。从设备投资来看，常压干燥的成本最 低，从安全性来看，常压干燥的安全性最高，而从生产效率来 看，乙醇超临界的生产效率最高，从产品性能来看，乙醇超临 界的产品性能稍弱于二氧化碳超临界和常压干燥。
(2)中期看产业链分工
在全行业大多数玩家突破干燥过程中的壁垒并产出相对均质化 的产品后，我们认为届时产业链分工决定企业竞争力。气凝胶 细分环节分为生产企业、加工企业以及生产加工一体化企业， 目前国内除了纳诺科技和爱彼爱和既可以生产又可以加工气凝 胶制品外，埃力生等企业则只提供气凝胶材料给加工厂，通过 加工企业进一步加工成制品。加工企业通常外购气凝胶材料， 再根据下游客户的定制化需求加工成特定形状。在气凝胶行业 发展初期，各厂商的产品具有较大差异，产业链话语权掌握在 生产企业手中，即为当前气凝胶行业现状。而在生产环节技术 取得突破即全行业大多数企业产出相对均质化的产品后，客户 资源将成为各个企业角逐的重点。生产和加工环节一体化布局 的企业一方面掌握生产环节，另一方面直接与下游客户对接， 具有较强的渠道壁垒，该类企业将在气凝胶行业发展中期最具 优势。
（3）长期看原料自给优势
由于原料成本占比超过50%，当气凝胶行业产能开始过剩时，原 料自给能力成为气凝胶企业竞争力的重要考量。我们根据纳诺 科技1万方气凝胶超级绝热材料项目对二氧化硅气凝胶的合成 成本进行拆分。该项目采用乙醇超临界干燥技术，根据我们的 测算，单方总成本为9067元，其中原材料成本占比66%、能源 成本占比11%、人工成本占比5%、折旧成本占比19%。从气凝胶 成本结构中可以看出，原材料占较大比例，对于二氧化硅气凝 胶而言，原材料一般为无机硅源和有机硅源，硅化工企业在这 一阶段的成本优势凸显。
四、重点公司分析 晨光新材：公司主营功能性硅烷，拥有“三氯氢硅-氯硅烷-中 间体-功能性硅烷”产业链。公司于2021年11月宣布建设“年 产2.3万吨特种有机硅材料”项目，其中包括2000吨气凝胶， 预计将于2022年投产。
宏柏新材：公司主营功能性硅烷，具有“硅块-氯硅烷-中间体- 功能性硅烷”的完整产业链布局。公司于2020年上市之时募投 项目之一为1万方功能性气凝胶项目，项目建设周期为18个 月，预计将于2022年投产。
泛亚微透：公司是汽车制品供应商，主要产品包括透气栓与透 气膜、耐水压透声膜、ePTFE膜复合吸音棉和气体管理产品。 2021年收购大音希声60%股权，开始进军气凝胶行业，目前规 划建设1604万方气凝胶项目。大音希声此前在军工用气凝胶领 域深耕多年，公司或凭借其成熟的技术快速切入气凝胶市场。
中国化学：公司是化工建设项目EPC总包企业。旗下华陆工程 分别持股华陆新材51%、航天乌江6.8%股权。由于公司是化工 项目EPC承包商，在部分建设项目中需要使用气凝胶，因此华 陆新材在建5万方气凝胶项目预计大多数为自用。航天乌江以 超临界设备起家，目前拥有1.2万方、在建1.2万方气凝胶产 能。
华昌化工：公司为化肥企业，参股7%的爱彼爱和为气凝胶行业 龙头，拥有1万方、在建2.5万方气凝胶产能。爱彼爱和已经 进入锂电池头部企业供应链，并拥有从生产到加工的完整布 局，竞争力较为凸显。
华阳新材：司为山西省煤化工头部企业，通过与深圳中凝合作 成立子阳中新材进入气凝胶领域（深圳中凝目前持有阳中新材 51%股权），阳中新材目前2万方产能已于2019年投产，其工 艺路线为常压干燥法。