2022年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。
来源：西部证券 作者：杨晖
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= 0.60 m，冷油管道与热油管道的长度各为 50 m）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。
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。
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