气凝胶作为性能优异的保温隔热材料，防火防水且寿命长达15~20年，节能减排的同时长期看兼具经济效益。在“双碳”背景下，气凝胶下游多点开花，是高成长性与规模兼具的行业。
在国家政策重点支持下，我国气凝胶市场已处于国际领跑地位。在下游需求驱动下，国内企业加速扩产，共同推进气凝胶工艺成本的降低和产业规模的扩大。
气凝胶是用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。气凝胶隔热性极佳，其热导率可低达0.012W/(m·K)，一寸厚的气凝胶相当于20-30块普通玻璃的隔热功能；其孔隙率高达99.9%，是良好的吸附介质，也可开发做催化剂载体；同时气凝胶还具有良好的阻燃性、绝缘性和隔音性，并且绿色环保。优异的性能使其在热学、声学、光学、电学、力学领域均有所应用，也被期许为“改变世界的神奇材料”。
图表2：气凝胶性能优异（资料来源：爱彼爱和官网，广东省建筑节能协会公众号，中凝科技公众号，保温及节能新材料展览会公众号，国海证券研究所）
与传统保温材料相比，气凝胶保温隔热性能更好，使用寿命更长。气凝胶超低的导热系数保证其优秀的隔热效果，隔热性能是传统保温材料的2-5倍，并且从-200℃到650℃环境均可使用。同时，气凝胶的纳米孔特殊结构使其耐压抗拉，使用寿命更是传统材料的5倍以上。
气凝胶突出的隔热性能来自于其多孔结构。气凝胶的孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，因此空隙中的空气分子近似静止，从而避免了空气的对流传热。气凝胶极低的体积密度及多孔结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低。三方面共同作用，几乎阻断了所有热传递途径，使气凝胶达到其他材料无法比拟的隔热效果。
图表3：气凝胶的隔热机理（资料来源：中凝科技官网，埃力生气凝胶公众号，国海证券研究所）
与传统保温材料相比，气凝胶的隔热温度范围广且导热系数低、绝热效果好，同时使用密度更轻，不燃且疏水，综合性能优异，是保温隔热界的六边形全能战士。
图表4：气凝胶与传统保温材料性能对比（资料来源：《工业设备及管道绝热工程设计规范》，PCI可名文化公众号，建环视界，中凝科技公众号，中科润资公众号，爱彼爱和官网，国海证券研究所）
气凝胶材料种类多样，按照组分不同可分为单组分和多组分气凝胶。其中，单组份气凝胶包括氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、有机气凝胶、氮化物气凝胶、碳气凝胶和生物质气凝胶等，在隔热、吸附、催化、储能转化和生物医用等领域均有所突破。目前，SiO2气凝胶研发、生产、应用最为成熟，据《抢抓“碳达峰”历史机遇，加快气凝胶产业快速成长》，2019年占据全球69%的市场份额。
图表5：气凝胶种类（资料来源：《抢抓“碳达峰”历史机遇，加快气凝胶产业快速成长》王本力，国海证券研究所）
纯气凝胶材料质脆、易碎，常与其他材料复合使用。气凝胶具有非常独特的高孔隙率结构特征，骨架承受的应力及孔间的毛细管压力差较大。因此，纯气凝胶材料呈现出质脆、易碎的性能，实用性较差，需要利用其他材料赋予它的强度等性能才能达到实际的使用效果。气凝胶可针对不同的应用领域，与不同材料复合，形式多样，常见的有气凝胶毡，气凝胶隔热垫，气凝胶涂料，气凝胶保温板、气凝胶墙布等。
图表6：气凝胶常见使用形态（资料来源：中凝科技官网，爱彼爱和官网，国海证券研究所）
湿凝胶干燥是制备SiO2气凝胶最重要的步骤。SiO2气凝胶的制备主要包括：
湿凝胶干燥要在保持其原有纳米网络结构不变的条件下, 排除其中溶剂。超临界干燥法能够有效防止干燥过程中凝胶破裂，但设备昂贵且工艺复杂，目前，超临界二氧化碳干燥法为主流生产工艺。常压干燥法设备简单便宜，只要技术成熟即能进行连续性及规模化生产，但干燥周期长, 干燥成品品质低, 密度大且易开裂。
图表7：SiO2气凝胶制备过程（资料来源：《纳米SiO2气凝胶的制备及保温隔热性应用研究进展》舒心等，国海证券研究所）
图表8：不同干燥技术优缺点比较（资料来源：《纳米SiO2气凝胶的制备及保温隔热性应用研究进展》舒心等，中国粉体网，国海证券研究所）
正硅酸乙酯是较为常用的有机硅源。气凝胶的前驱体包括无机硅源和有机硅源，无机硅源主要为水玻璃，其材料本身成本低且原料来源广泛，但是产品杂质含量高，后续需要较多的处理步骤，综合成本不低。有机硅源主要包括正硅酸甲酯和正硅酸乙酯，二者生产的产品性能更加优越，但是正硅酸甲酯水解生成甲醇对人体危害较大，因此，正硅酸乙酯是较为常用的有机硅源。
图表9：SiO2气凝胶正硅酸乙酯路线（资料来源：《宁夏晨光新材料有限公司年产30万吨硅基及气凝胶新材料项目》，国海证券研究所）
图表10：不同前驱体优缺点比较（资料来源：《5万立方/年硅基气凝胶复合材料项目环境影响报告书》，保温材料与节能技术公众号，国海证券研究所）
受制于硅源价格上涨，当前气凝胶的材料成本约占总成本的72%。由于供应紧缺，据生意社数据，气凝胶常用的有机硅源正硅酸乙酯已由2021年初1.3万元/吨左右大幅上涨，最高至2021年11月，达2.8万元/吨。参考纳诺科技的环评，正硅酸乙酯按含税价1.5万元计算，气凝胶的成本约8768元/立方米，折4.38万元/吨（每立方米200公斤折算）。
图表11：气凝胶成本拆分（资料来源：《纳诺科技有限公司年产10000立方米气凝胶超级绝热材料建设项目》，百川盈孚，国海证券研究所）
气凝胶从发现至今已经经历过三次产业化，目前正处在以我国企业为主导的第四次产业化浪潮中。1931年，Steven. S. Kistler在Nature杂志上发表《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶的发现，随后陆续经历了三次产业化。从2001年美国Aspen公司成立，开始第三次气凝胶产业化至今，20年来全球气凝胶产业已走过了研发期、导入期，目前正处于成长期前期。2010 年开始，国内首批气凝胶生产企业陆续成功开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、轨交车厢及船体防火隔热保温的应用市场，气凝胶市场日益成熟。
图表12：气凝胶常见使用形态（资料来源：《<2022气凝胶行业研究报告>：4大应用领域、成本空间及发展趋势》，国海证券研究所）
我国气凝胶市场已处于国际并跑地位。在国家对新材料日益重视和碳达峰对节能减碳日趋严格的大背景下，我国的气凝胶行业发展显著加快。据Allied Market Research研究报告显示，2013—2020年全球气凝胶市场规模从2.2亿美元增加到近20亿美元，年均复合增长率高达36.4%。2015—2020年，我国气凝胶市场规模从3.3亿元增加到37.16亿元，年均复合增长率达到61.1%，市场增速远超国际平均水平。Global Industry Analysts亦预测，2020~2027年，中国、加拿大、德国、日本气凝胶市场的年均复合增速分别为22.3%、16%、14.8%和13.4%。
图表13：2015—2020年，中国气凝胶市场规模（资料来源：《抓住“碳达峰”历史机遇，加快气凝胶产业快速成长》王本力）
图表14：全球主要气凝胶企业分布（资料来源：《抓住“碳达峰”历史机遇，加快气凝胶产业快速成长》王本力）
气凝胶产业在双碳战略下得到国家大力支持。气凝胶产业的发展备受关注，曾被列入国家重点节能低碳技术、建材新兴产业、前沿新材料等名单。随着双碳目标的推进，在规划实现碳中和的路径中，绝热节能是最重要的组成部分，碳达峰、碳中和的目标给了气凝胶绝热节能材料较大的施展空间。2021年10月24日，《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》下达重要任务，明确提出“加快碳纤维、气凝胶、特种钢材等基础材料研发。”综上来看，气凝胶作为一种新型环保新材料，将在“碳中和、碳达峰”的战略下得到大力支持。
图表15：近年来气凝胶相关产业政策（资料来源：前瞻产业研究院,新华社，国海证券研究所）
与传统保温材料相比，除了保温性能优越，气凝胶整体疏水对管道设备不会造成腐蚀，还能够达到A级防火，同时使用寿命更长，热损失更低，质量轻、体积小、适用范围更加广泛。因此，气凝胶在油气项目、工业隔热、建筑建造、交通等领域均有广泛应用，据前瞻产业研究院，2021年，各领域占比分别为56%、18%、9%、8%。
图表16：气凝胶与传统保温材料性能对比（资料来源：埃力生气凝胶公众号，国海证券研究所）
图表17：气凝胶消费结构（资料来源：前瞻产业研究院，国海证券研究所）
气凝胶主要用于高温油气管线保温，如稠油开采的地面高温注汽管线保温，炼化装置、介质管线的保温等，一般温度在200℃~650℃之间。另外，为了防止输送油气的管道发生凝管或者冰堵事故，尤其在冬季或者气候寒冷的高纬度地区，管道运营公司亦需要对输送介质进行加热并对管道进行保温。
图表18：气凝胶在石油开采领域应用（资料来源：纳诺科技官网）
图表19：气凝胶在石油炼化领域应用（资料来源：纳诺科技官网）
气凝胶的主要劣势在于初始投资较高，但由于其优异的保温隔热性、耐老化性、疏水性等，在服役一段时间后，反而更具经济效益。总体说来，气候越寒冷、管输介质温度越高、加热时间越长、热价 (能源费用) 越高，则使用气凝胶材料保温的经济性越好。
案例一：中国石油管道科技研究中心对某输油站场管道的保温改造。使用气凝胶替代传统岩棉等保温材料，对于长度约100m的管道，假设冷热油管道长度各占50%，其中冷油20℃，热油50℃，若每年加热6个月，使用气凝胶材料后，仅热能费用每年可节约8264元，4.6年后可收回期初多投资的成本。气凝胶的使用寿命长达20年，而传统隔热材料3~5年就需更换，因此，气凝胶还可以在后续的10~15年间节省因更换隔热层而产生的材料费、人工费等，若考虑这部分费用，约3.6年即可回收初期多出的投资。
案例二：中石油克拉玛依石化公司对初始温度约435℃的蒸汽管线保温改造。采用气凝胶和防水涂料复合保温材料替代原始复合硅酸盐保温材料，新保温材料使用寿命可长达10年以上，改造后年节约蒸汽量1.85万吨，对应年节约成本175.75万元，初始投入材料费+施工费606.7万元，根据5%的年折旧率计算得出的年经济效益为127.72万元。投资回收期为4.5年。
图表20：案例一中，使用材料的投资维护成本（资料来源：《气凝胶高效保温材料在站场地上管道应用的经济性分析》穆承广等）
图表21：案例二中，改造前后数据对比（资料来源：《高温蒸汽管线保温改造方案及经济效益分析》赵辉等）
3.3 2025年，气凝胶在油气领域市场空间预计达54.4亿元
参考“十四五”现代能源体系规划，假设2021~2025年，油气管道总里程复合增速为3.7%，我们预计至2025年全国油气管道总里程为17.4万千米；参考中国石油管道科技研究中心发表文献数据，假设管道平均外径0.6m，保温层厚度2cm，计算得到气凝胶单耗为40立方/千米；参考中国绝热节能材料协会数据，假设2021年我国气凝胶在存量和新建管道领域渗透率分别为0.5%、10%，预计2023和2025年，气凝胶在油气管道领域的需求分别为17.6、51.8万立方，对应市场空间19.4、54.4亿元，2021~2025年复合增速达71.9%。
图表22：2021~2025年，气凝胶在油气领域市场空间测算（资料来源：《2020年中国油气管道建设新进展》高鹏等，《2021年中国油气管道建设新进展》高鹏，中国绝热节能材料协会，国海证券研究所）
气凝胶可用于动力电池防护及整车防护。目前锂电池的工作温度范围为 -20℃-60℃ ，若没有合适的散热方案，外部加热、过充、内短路等容易导致锂电池热失控 ，进而可能引发电动汽车起火、爆炸等事故。而温度过低又会导致电动车的续航里程降低，并有可能对电池产生损害。据2020年工信部组织制定的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，在电池单体发生热失控后，电池系统需要在5分钟内不起火、不爆炸。气凝胶是A级不燃防火材料，主要用于电芯之间以及电池模组、PACK上盖的防火隔热，一方面，可以通过隔热防止电池升温，降低热失控的发生率；另一方面，能够在因热失控而产生火灾时，阻止火势蔓延，争取逃生时间。
图表23：锂电池热失控原理（资料来源：金纳科技官网）
图表24：气凝胶在锂电池安全防护领域应用示意图（资料来源：爱彼爱和官网）
4.2 国内前十大电池厂商大都开始使用气凝胶隔热材料
与传统锂电池隔热材料相比，气凝胶性能更优。目前常用的传统动力电池保温隔热材料有泡棉、塑料泡沫、超细玻璃棉、陶瓷化硅橡胶等，与传统隔热片相比，气凝胶隔热片兼具阻燃性能高、体积轻及用量少的特点，综合性能更优。
目前，国内前十大电池厂商大都开始使用气凝胶隔热材料。锂电池安全性一直是新能源汽车行业关注的重点，2020年以来，气凝胶隔热片已逐步在动力电池领域获得广泛应用，宁德时代、弗迪电池、中创新航、国轩高科、欣旺达等头部电池厂商纷纷开始使用。除电池厂外，比亚迪、吉利、中国中车等汽车厂商也开始通过气凝胶来提升车辆的安全性能。
图表25：动力电池模组用气凝胶隔热片和IXPE隔热泡棉性能对比（资料来源：《第二十届上海国际保温材料与节能技术展》，国海证券研究所）
4.3 2025年，气凝胶在中国新能源车领域市场空间预计达33.5亿元
参考泛亚微透招股说明书，假设2021年，气凝胶在新能源汽车领域的单车价值为500元/辆，2023~2025年，随着工艺成熟略有下降。2021年，气凝胶渗透率参考高镍三元电池渗透率，假设为15%，在新能源汽车追求长续航里程，以及更高的能量密度的背景下，气凝胶的渗透率有望加速提升。据我们预测，2025年，气凝胶在全球和我国新能源汽车领域的市场空间分别可达60.4、33.5亿元，2021~2025年复合增速分别为85.8%、88.4%。
图表26：2021~2025年，气凝胶在新能源车领域市场空间测算（资料来源：GGII，泛亚微透招股说明书，中国汽车工业协会，Navigant，电池中国公众号，国海证券研究所）
气凝胶可用于建筑的墙体、屋顶、地板、玻璃等保温隔热。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%。据热企数据，一个采暖季室温每提高1℃，每平方米供热面积就要多用1千克煤，假如用气凝胶绝热板保温，一个采暖季，每平米将节省5kg煤，以每户120平方米核算，一个采暖季每户将节省600kg煤，能够带来十分可观的节能减排效益。
我国建筑保温材料市场规模超1700亿元，气凝胶渗透率仍较低，未来应用空间广阔。据QYResearch，2021年，我国建筑保温材料市场规模达1718.7亿元，2017-2021年复合增长率达21%。但根据中科润资公众号数据，受社会认知度和价格等因素制约，2020年，气凝胶在建筑保温材料的渗透率仅为0.02%。随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的扩大，未来在建筑隔热领域的市场空间广阔。
图表27：建筑散热示意图（资料来源：华陆新材公众号）
图表28：建筑保温材料市场规模（资料来源：QYResearch，国海证券研究所）
5.2 2025年，气凝胶在建筑领域市场空间预计约20亿元
根据《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》明确，到2025年，城镇新建建筑全面建成绿色建筑，建筑能源利用效率稳步提升，建筑用能结构逐步优化，建筑能耗和碳排放增长趋势得到有效控制，基本形成绿色、低碳、循环的建设发展方式，气凝胶在建筑领域渗透率有望加速提升。
建筑保温材料市场规模的增速，主要参考《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》对建筑节能及装配式建筑的规划。2020年，气凝胶在建筑领域的市场规模约3.3亿元，对应在建筑保温材料市场规模的渗透率约0.23%，气凝胶的综合性能优异，在国家将绿色建筑作为实现新型城镇化的重点任务的背景下,其渗透率有望持续提升。据我们测算，预计2023和2025年，气凝胶在我国建筑领域市场规模预计分别达9.8、20.0亿元，2021至2025年复合增速达33%。
图表29：建筑保温材料市场规模（资料来源：QYResearch，中科润资气凝胶公众号，国家统计局，国海证券研究所）
6.1 2025年，我国气凝胶市场空间预计约122.6亿元
气凝胶作为性能优异的保温隔热材料，节能减排的同时长期看兼具经济效益，在“双碳”背景下，其渗透率有望持续提升。据我们测算，预计2023和2025年，我国气凝胶市场规模预计分别达48.6、122.6亿元，2021至2025年复合增速达68.9%。
图表30：2021~2025年，我国气凝胶市场规模测算（资料来源：《2020年中国油气管道建设新进展》高鹏等，《2021年中国油气管道建设新进展》高鹏，中国绝热节能材料协会，GGII，泛亚微透招股说明书，中国汽车工业协会，Navigant，电池中国公众号，QYResearch，中科润资气凝胶公众号，国家统计局，前瞻产业研究院，国海证券研究所）
新能源电池安全管理解决方案呼之欲出，特别是，具有隔热、阻燃等功能特点的新材料受到市场青睐，气凝胶隔热片是其中最重要的新材料之一。气凝胶隔热片主要用于电池包中、电池单体之间的隔热、阻燃，也可用于车身的隔热、阻燃。气凝胶企业产业链从成胶，封装，到电池包、管道等下游应用，从材料的前驱体到各种纤维如陶瓷纤维，玻璃纤维，泡棉等，以及封装材料如PET、PI膜，热熔胶、硅胶框等，同时也包括在生产过程中的设备，如超临界设备，热压机，模切设备。欢迎相关产业链人士加入。
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