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气凝胶在新能源产业的应用及行业分析

气凝胶在新能源产业的应用及行业分析



丨‍什么是气凝胶?

气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体。密度为3千克每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶,其最早由美国科学工作者Kistler在1931年因与其友打赌制得。气凝胶的种类很多,有硅系,碳系,硫系,金属氧化物系,金属系等等。aerogel是个组合词,此处aero是形容词,表示飞行的,gel显然是凝胶。字面意思是可以飞行的凝胶。任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,则皆可以称之为气凝胶。

丨‍为什么气凝胶对新能源产业链这么重要?

1、气凝胶用于三元电池热失控隔热

经常能看见电动车自燃的视频,从起火到整车爆燃往往只有几秒钟,主要原因就是电池内部的隔热水平不够,单个电芯的热失效扩大到整个电池组。

工信部发布了《电动汽车用动力蓄电池安全要求》,增加电池系统热扩散试验,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,为乘员预留安全逃生时间。该要求在2021年1月1日起开始实施。


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防火隔热材料最大的作用,是延缓或者阻止热扩散以及火焰的蔓延,给乘客留足时间撤离事故现场。

电池厂或者主机厂一般在电芯之间以及模组、PACK的上盖采用防火隔热材料。气凝胶导热系数低、保温效果好、不燃,相比传统保温材料,只需1/5-1/3的厚度即可达到相同的保温效果,为动力电池节省更多空间,并且保温效果及温度更稳定。

应用在新能源汽车中可以更好地实现电池的温控和电控管理及提升性能,起到绝热、防火的作用,为用户和乘客逃离现场以及灭火争取更多的时间。

2、气凝胶用于磷酸铁锂电池冬季保温

磷酸铁锂电池在低温环境下,正负极材料中带电电子运动能力变差,导致电池容量衰退和续航减少。气凝胶出色的保温性能可以使磷酸铁锂电池内各电芯不受外部低温影响


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比亚迪电池模组应用气凝胶进行隔离:

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3、气凝胶是固态电池聚合物电解质的重要成分

通过气凝胶作为聚合物基电解质的骨架,成功地设计和制造了固态电池的超强增强复合聚合物电解质。

这种新型复合电解质是由相互连接的SiO2气凝胶骨架和高导电交联PEO基电解质组成。相互连接的SiO2气凝胶不仅作为强化整个复合材料的强支柱,而且为强阴离子吸附提供了大而连续的表面,从而产生穿过复合材料的高导电通路

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4、气凝胶在汽车及动力电池领域的应用优势

主要就是单位体积隔热效果最优,阻燃,性能稳定,热缩小。符合极高的安全要求。

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在解决低温环境磷酸铁锂电池保温和高温环境三元电池热失控扩散方面,气凝胶得到了关键两条电池路线的共同认可,是锂电隔热的首选材料。

根据AspenAerogel 19 年年报,气凝胶材料近年平均价格约为30美元/平方米,每辆新能源汽车约需要2-5平方米的气凝胶复合材料,则每辆新能源汽车平均需要价值105美元的气凝胶复合材料。

根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)》中要求,2025 年时,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右,工业和信息化部副部长辛国斌表示,按照规划每年的年复合增长率必须达到30%以上。

预计2025年气凝胶复合材料在全球新能源汽车市场的潜在规模约15.75亿美元,2030年达到31.50亿美元。

图为上汽通用使用的气凝胶产品:

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丨‍政策推动气凝胶大力发展


1、高标准隔热阻燃需求推动气凝胶新一轮产业化


10月24日晚,《zgzy gwy关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》正式发布。文件第21条要求加快先进适用技术研发和推广。


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双碳工作的顶级政策对推动气凝胶应用进行了明确。

传统的隔热阻燃材料有岩棉、云母、发泡材料、玻纤等,他们各有约束性缺点,如厚度大(单位厚度保温性能低)、不阻燃、碎屑对人体有害、易松垮等。

在隔热性能高、阻燃要求高、机械性能要求高的高标准场景下(动力电池隔热、密集化工管道),只有气凝胶能够实现要求。

新需求的产生带动气凝胶新一轮产业化。

气凝胶在电池中的隔热原理:

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2、政策标准密集出台加快气凝胶快速渗透

由于气凝胶的节能、安全特性,在产业需求的爆发催化下,政策及标准密集出台。

既有中央层面的《zgzy gwy关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》也有国家标准层面的《电动汽车用动力电池安全要求》等,强化和加快了气凝胶在锂电、能源化工、绿色建筑等领域的推广。

由比亚迪、亿纬锂能等电池企业参编的《锂离子动力电池用气凝胶隔热片》明确了气凝胶技术标准,加快全行业使用气凝胶。

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丨‍气凝胶需求正在快速爆发


1、能耗双控拉动节能、保温需求


能耗双控对工业企业,尤其是拉动能源、化工企业进一步提升能效,加大保温与节能改造,对气凝胶需求产生拉动。


根据 Aspen Aerogel 19 年年报预测, 2030年能化领域的气凝胶全球市场空间约 31 亿美元。


根据中国石油管道科技研究中心研究,将三种保温方案对蒸汽管道以及地上管道上气凝胶材料与传统保温材 料的保温性能、初始投资费用、以及运行维护成本进行了对比,发现在管道上使用气凝胶材料较传统保温材料具有较大综合优势。


使用气凝胶材料所节约的能源和运行维护费用(主要指更换传统保温层的材料和人工费用),可在2~4年内超过初期 多花费的投资。在随后的利用过程中,可持续因能源节约和减少保温层更换次数为管道运营商节省开支。


此外,当管道内外温差较大、年加热时长较长、加热燃料或电能涨价时,复合使用气凝胶材料和传统保温材料的效果更好。


气凝胶毡在长输蒸汽管道(1km)经济效益:

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气凝胶材料方便施工,提高施工效率30%以上。将气凝胶毡切割成一定尺寸后,会产生一定程度的弧度,可直接放臵在管道上安装固定。气凝胶毡轻巧、硬度一定、柔韧性强、不易破碎、切割非常方便。

与传统保温材料相比,施工效率提高30%以 上,传统保温材料保温效率低,易吸水变形,经济使用寿命较短,而气凝胶避免了传统保温材料后期使用不便维护的担忧。

气凝胶保温材料所需的厚度或间距较小:

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目前全球大型石化企业如埃克森美孚、壳牌、雪佛龙、中石油、华昌化工等公司炼厂均大量采用气凝胶材料作为保温材料。

国内大炼化产业快速崛起,气凝胶应用场景放大。

据资料显示,2019年我国炼油能力已超过8.5亿吨,2020-2023 年,我国将新增炼油能力1.65亿吨,增长19.4%,全球2020-2025年将会新增炼能约 2.67亿吨,中国以及全球炼能的扩张将为气凝胶复材带来一定的增长空间。

大型石化企业均逐渐采用气凝胶材料作为保温材料:

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能化领域是目前气凝胶材料主要的应用市场,根据 Aspen Aerogel 19 年年报预测, 能化领域的全球市场空间约31亿美元。

2、汽车隔音减震应用气凝胶增多

气凝胶与ePTFE膜结合形成的复合材料同时具备优秀的隔热支撑、缓冲及隔音作用,可以用于汽车隔热保温箱体以及消费电子内置芯片中。

目前一款SiO,气凝胶与ePTFE膜复合材料作为隔热隔音材料已被应用于上汽大众途昂车型。

丨‍气凝胶行业需求拐点向上发展期来临

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、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。

2019年国内气凝胶行业下游市场应用占比:

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丨‍多方企业入局气凝胶材料,推动气凝胶规模化降本


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。


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。


丨‍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:公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。


来源:

如此被重视的气凝胶究竟怎么看?星无限资本,古北路烧烤哥,2021年10月,

气凝胶行业分析:最高效隔热材料,契合碳中和节能大趋势;未来智库,2022年2月,

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