氣凝膠作為性能優異的保溫隔熱材料，防火防水且壽命長達15~20年，節能減排的同時長期看兼具經濟效益。在“雙碳”背景下，氣凝膠下游多點開花，是高成長性與規模兼具的行業。
在國家政策重點支持下，我國氣凝膠市場已處于國際領跑地位。在下游需求驅動下，國內企業加速擴產，共同推進氣凝膠工藝成本的降低和產業規模的擴大。
氣凝膠是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材料。氣凝膠隔熱性極佳，其熱導率可低達0.012W/(m·K)，一寸厚的氣凝膠相當于20-30塊普通玻璃的隔熱功能；其孔隙率高達99.9%，是良好的吸附介質，也可開發做催化劑載體；同時氣凝膠還具有良好的阻燃性、絕緣性和隔音性，并且綠色環保。優異的性能使其在熱學、聲學、光學、電學、力學領域均有所應用，也被期許為“改變世界的神奇材料”。
圖表2：氣凝膠性能優異（資料來源：愛彼愛和官網，廣東省建筑節能協會公眾號，中凝科技公眾號，保溫及節能新材料展覽會公眾號，國海證券研究所）
與傳統保溫材料相比，氣凝膠保溫隔熱性能更好，使用壽命更長。氣凝膠超低的導熱系數保證其優秀的隔熱效果，隔熱性能是傳統保溫材料的2-5倍，并且從-200℃到650℃環境均可使用。同時，氣凝膠的納米孔特殊結構使其耐壓抗拉，使用壽命更是傳統材料的5倍以上。
氣凝膠突出的隔熱性能來自于其多孔結構。氣凝膠的孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，因此空隙中的空氣分子近似靜止，從而避免了空氣的對流傳熱。氣凝膠極低的體積密度及多孔結構的彎曲路徑也阻止了氣態和固態熱傳導，趨于“無窮多”的空隙壁可以使熱輻射降至最低。三方面共同作用，幾乎阻斷了所有熱傳遞途徑，使氣凝膠達到其他材料無法比擬的隔熱效果。
圖表3：氣凝膠的隔熱機理（資料來源：中凝科技官網，埃力生氣凝膠公眾號，國海證券研究所）
與傳統保溫材料相比，氣凝膠的隔熱溫度范圍廣且導熱系數低、絕熱效果好，同時使用密度更輕，不燃且疏水，綜合性能優異，是保溫隔熱界的六邊形全能戰士。
圖表4：氣凝膠與傳統保溫材料性能對比（資料來源：《工業設備及管道絕熱工程設計規范》，PCI可名文化公眾號，建環視界，中凝科技公眾號，中科潤資公眾號，愛彼愛和官網，國海證券研究所）
氣凝膠材料種類多樣，按照組分不同可分為單組分和多組分氣凝膠。其中，單組份氣凝膠包括氧化物氣凝膠、碳化物氣凝膠、有機氣凝膠、氮化物氣凝膠、碳氣凝膠和生物質氣凝膠等，在隔熱、吸附、催化、儲能轉化和生物醫用等領域均有所突破。目前，SiO2氣凝膠研發、生產、應用最為成熟，據《搶抓“碳達峰”歷史機遇，加快氣凝膠產業快速成長》，2019年占據全球69%的市場份額。
圖表5：氣凝膠種類（資料來源：《搶抓“碳達峰”歷史機遇，加快氣凝膠產業快速成長》王本力，國海證券研究所）
純氣凝膠材料質脆、易碎，常與其他材料復合使用。氣凝膠具有非常獨特的高孔隙率結構特征，骨架承受的應力及孔間的毛細管壓力差較大。因此，純氣凝膠材料呈現出質脆、易碎的性能，實用性較差，需要利用其他材料賦予它的強度等性能才能達到實際的使用效果。氣凝膠可針對不同的應用領域，與不同材料復合，形式多樣，常見的有氣凝膠氈，氣凝膠隔熱墊，氣凝膠涂料，氣凝膠保溫板、氣凝膠墻布等。
圖表6：氣凝膠常見使用形態（資料來源：中凝科技官網，愛彼愛和官網，國海證券研究所）
濕凝膠干燥是制備SiO2氣凝膠最重要的步驟。SiO2氣凝膠的制備主要包括：
濕凝膠干燥要在保持其原有納米網絡結構不變的條件下, 排除其中溶劑。超臨界干燥法能夠有效防止干燥過程中凝膠破裂，但設備昂貴且工藝復雜，目前，超臨界二氧化碳干燥法為主流生產工藝。常壓干燥法設備簡單便宜，只要技術成熟即能進行連續性及規模化生產，但干燥周期長, 干燥成品品質低, 密度大且易開裂。
圖表7：SiO2氣凝膠制備過程（資料來源：《納米SiO2氣凝膠的制備及保溫隔熱性應用研究進展》舒心等，國海證券研究所）
圖表8：不同干燥技術優缺點比較（資料來源：《納米SiO2氣凝膠的制備及保溫隔熱性應用研究進展》舒心等，中國粉體網，國海證券研究所）
正硅酸乙酯是較為常用的有機硅源。氣凝膠的前驅體包括無機硅源和有機硅源，無機硅源主要為水玻璃，其材料本身成本低且原料來源廣泛，但是產品雜質含量高，后續需要較多的處理步驟，綜合成本不低。有機硅源主要包括正硅酸甲酯和正硅酸乙酯，二者生產的產品性能更加優越，但是正硅酸甲酯水解生成甲醇對人體危害較大，因此，正硅酸乙酯是較為常用的有機硅源。
圖表9：SiO2氣凝膠正硅酸乙酯路線（資料來源：《寧夏晨光新材料有限公司年產30萬噸硅基及氣凝膠新材料項目》，國海證券研究所）
圖表10：不同前驅體優缺點比較（資料來源：《5萬立方/年硅基氣凝膠復合材料項目環境影響報告書》，保溫材料與節能技術公眾號，國海證券研究所）
受制于硅源價格上漲，當前氣凝膠的材料成本約占總成本的72%。由于供應緊缺，據生意社數據，氣凝膠常用的有機硅源正硅酸乙酯已由2021年初1.3萬元/噸左右大幅上漲，最高至2021年11月，達2.8萬元/噸。參考納諾科技的環評，正硅酸乙酯按含稅價1.5萬元計算，氣凝膠的成本約8768元/立方米，折4.38萬元/噸（每立方米200公斤折算）。
圖表11：氣凝膠成本拆分（資料來源：《納諾科技有限公司年產10000立方米氣凝膠超級絕熱材料建設項目》，百川盈孚，國海證券研究所）
氣凝膠從發現至今已經經歷過三次產業化，目前正處在以我國企業為主導的第四次產業化浪潮中。1931年，Steven. S. Kistler在Nature雜志上發表《共聚擴散氣凝膠與果凍》標志著氣凝膠的發現，隨后陸續經歷了三次產業化。從2001年美國Aspen公司成立，開始第三次氣凝膠產業化至今，20年來全球氣凝膠產業已走過了研發期、導入期，目前正處于成長期前期。2010 年開始，國內首批氣凝膠生產企業陸續成功開拓了工業設備管道節能、新能源汽車安全防護、軌交車廂及船體防火隔熱保溫的應用市場，氣凝膠市場日益成熟。
圖表12：氣凝膠常見使用形態（資料來源：《<2022氣凝膠行業研究報告>：4大應用領域、成本空間及發展趨勢》，國海證券研究所）
我國氣凝膠市場已處于國際并跑地位。在國家對新材料日益重視和碳達峰對節能減碳日趨嚴格的大背景下，我國的氣凝膠行業發展顯著加快。據Allied Market Research研究報告顯示，2013—2020年全球氣凝膠市場規模從2.2億美元增加到近20億美元，年均復合增長率高達36.4%。2015—2020年，我國氣凝膠市場規模從3.3億元增加到37.16億元，年均復合增長率達到61.1%，市場增速遠超國際平均水平。Global Industry Analysts亦預測，2020~2027年，中國、加拿大、德國、日本氣凝膠市場的年均復合增速分別為22.3%、16%、14.8%和13.4%。
圖表13：2015—2020年，中國氣凝膠市場規模（資料來源：《抓住“碳達峰”歷史機遇，加快氣凝膠產業快速成長》王本力）
圖表14：全球主要氣凝膠企業分布（資料來源：《抓住“碳達峰”歷史機遇，加快氣凝膠產業快速成長》王本力）
氣凝膠產業在雙碳戰略下得到國家大力支持。氣凝膠產業的發展備受關注，曾被列入國家重點節能低碳技術、建材新興產業、前沿新材料等名單。隨著雙碳目標的推進，在規劃實現碳中和的路徑中，絕熱節能是最重要的組成部分，碳達峰、碳中和的目標給了氣凝膠絕熱節能材料較大的施展空間。2021年10月24日，《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》下達重要任務，明確提出“加快碳纖維、氣凝膠、特種鋼材等基礎材料研發。”綜上來看，氣凝膠作為一種新型環保新材料，將在“碳中和、碳達峰”的戰略下得到大力支持。
圖表15：近年來氣凝膠相關產業政策（資料來源：前瞻產業研究院,新華社，國海證券研究所）
與傳統保溫材料相比，除了保溫性能優越，氣凝膠整體疏水對管道設備不會造成腐蝕，還能夠達到A級防火，同時使用壽命更長，熱損失更低，質量輕、體積小、適用范圍更加廣泛。因此，氣凝膠在油氣項目、工業隔熱、建筑建造、交通等領域均有廣泛應用，據前瞻產業研究院，2021年，各領域占比分別為56%、18%、9%、8%。
圖表16：氣凝膠與傳統保溫材料性能對比（資料來源：埃力生氣凝膠公眾號，國海證券研究所）
圖表17：氣凝膠消費結構（資料來源：前瞻產業研究院，國海證券研究所）
氣凝膠主要用于高溫油氣管線保溫，如稠油開采的地面高溫注汽管線保溫，煉化裝置、介質管線的保溫等，一般溫度在200℃~650℃之間。另外，為了防止輸送油氣的管道發生凝管或者冰堵事故，尤其在冬季或者氣候寒冷的高緯度地區，管道運營公司亦需要對輸送介質進行加熱并對管道進行保溫。
圖表18：氣凝膠在石油開采領域應用（資料來源：納諾科技官網）
圖表19：氣凝膠在石油煉化領域應用（資料來源：納諾科技官網）
氣凝膠的主要劣勢在于初始投資較高，但由于其優異的保溫隔熱性、耐老化性、疏水性等，在服役一段時間后，反而更具經濟效益。總體說來，氣候越寒冷、管輸介質溫度越高、加熱時間越長、熱價 (能源費用) 越高，則使用氣凝膠材料保溫的經濟性越好。
案例一：中國石油管道科技研究中心對某輸油站場管道的保溫改造。使用氣凝膠替代傳統巖棉等保溫材料，對于長度約100m的管道，假設冷熱油管道長度各占50%，其中冷油20℃，熱油50℃，若每年加熱6個月，使用氣凝膠材料后，僅熱能費用每年可節約8264元，4.6年后可收回期初多投資的成本。氣凝膠的使用壽命長達20年，而傳統隔熱材料3~5年就需更換，因此，氣凝膠還可以在后續的10~15年間節省因更換隔熱層而產生的材料費、人工費等，若考慮這部分費用，約3.6年即可回收初期多出的投資。
案例二：中石油克拉瑪依石化公司對初始溫度約435℃的蒸汽管線保溫改造。采用氣凝膠和防水涂料復合保溫材料替代原始復合硅酸鹽保溫材料，新保溫材料使用壽命可長達10年以上，改造后年節約蒸汽量1.85萬噸，對應年節約成本175.75萬元，初始投入材料費+施工費606.7萬元，根據5%的年折舊率計算得出的年經濟效益為127.72萬元。投資回收期為4.5年。
圖表20：案例一中，使用材料的投資維護成本（資料來源：《氣凝膠高效保溫材料在站場地上管道應用的經濟性分析》穆承廣等）
圖表21：案例二中，改造前后數據對比（資料來源：《高溫蒸汽管線保溫改造方案及經濟效益分析》趙輝等）
3.3? 2025年，氣凝膠在油氣領域市場空間預計達54.4億元
參考“十四五”現代能源體系規劃，假設2021~2025年，油氣管道總里程復合增速為3.7%，我們預計至2025年全國油氣管道總里程為17.4萬千米；參考中國石油管道科技研究中心發表文獻數據，假設管道平均外徑0.6m，保溫層厚度2cm，計算得到氣凝膠單耗為40立方/千米；參考中國絕熱節能材料協會數據，假設2021年我國氣凝膠在存量和新建管道領域滲透率分別為0.5%、10%，預計2023和2025年，氣凝膠在油氣管道領域的需求分別為17.6、51.8萬立方，對應市場空間19.4、54.4億元，2021~2025年復合增速達71.9%。
圖表22：2021~2025年，氣凝膠在油氣領域市場空間測算（資料來源：《2020年中國油氣管道建設新進展》高鵬等，《2021年中國油氣管道建設新進展》高鵬，中國絕熱節能材料協會，國海證券研究所）
氣凝膠可用于動力電池防護及整車防護。目前鋰電池的工作溫度范圍為 -20℃-60℃ ，若沒有合適的散熱方案，外部加熱、過充、內短路等容易導致鋰電池熱失控 ，進而可能引發電動汽車起火、爆炸等事故。而溫度過低又會導致電動車的續航里程降低，并有可能對電池產生損害。據2020年工信部組織制定的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，在電池單體發生熱失控后，電池系統需要在5分鐘內不起火、不爆炸。氣凝膠是A級不燃防火材料，主要用于電芯之間以及電池模組、PACK上蓋的防火隔熱，一方面，可以通過隔熱防止電池升溫，降低熱失控的發生率；另一方面，能夠在因熱失控而產生火災時，阻止火勢蔓延，爭取逃生時間。
圖表23：鋰電池熱失控原理（資料來源：金納科技官網）
圖表24：氣凝膠在鋰電池安全防護領域應用示意圖（資料來源：愛彼愛和官網）
4.2 國內前十大電池廠商大都開始使用氣凝膠隔熱材料
與傳統鋰電池隔熱材料相比，氣凝膠性能更優。目前常用的傳統動力電池保溫隔熱材料有泡棉、塑料泡沫、超細玻璃棉、陶瓷化硅橡膠等，與傳統隔熱片相比，氣凝膠隔熱片兼具阻燃性能高、體積輕及用量少的特點，綜合性能更優。
目前，國內前十大電池廠商大都開始使用氣凝膠隔熱材料。鋰電池安全性一直是新能源汽車行業關注的重點，2020年以來，氣凝膠隔熱片已逐步在動力電池領域獲得廣泛應用，寧德時代、弗迪電池、中創新航、國軒高科、欣旺達等頭部電池廠商紛紛開始使用。除電池廠外，比亞迪、吉利、中國中車等汽車廠商也開始通過氣凝膠來提升車輛的安全性能。
圖表25：動力電池模組用氣凝膠隔熱片和IXPE隔熱泡棉性能對比（資料來源：《第二十屆上海國際保溫材料與節能技術展》，國海證券研究所）
4.3? 2025年，氣凝膠在中國新能源車領域市場空間預計達33.5億元
參考泛亞微透招股說明書，假設2021年，氣凝膠在新能源汽車領域的單車價值為500元/輛，2023~2025年，隨著工藝成熟略有下降。2021年，氣凝膠滲透率參考高鎳三元電池滲透率，假設為15%，在新能源汽車追求長續航里程，以及更高的能量密度的背景下，氣凝膠的滲透率有望加速提升。據我們預測，2025年，氣凝膠在全球和我國新能源汽車領域的市場空間分別可達60.4、33.5億元，2021~2025年復合增速分別為85.8%、88.4%。
圖表26：2021~2025年，氣凝膠在新能源車領域市場空間測算（資料來源：GGII，泛亞微透招股說明書，中國汽車工業協會，Navigant，電池中國公眾號，國海證券研究所）
氣凝膠可用于建筑的墻體、屋頂、地板、玻璃等保溫隔熱。根據《2020 年中國統計年鑒》，我國建筑業能源消耗占國內能源消耗總量超過25%。據熱企數據，一個采暖季室溫每提高1℃，每平方米供熱面積就要多用1千克煤，假如用氣凝膠絕熱板保溫，一個采暖季，每平米將節省5kg煤，以每戶120平方米核算，一個采暖季每戶將節省600kg煤，能夠帶來十分可觀的節能減排效益。
我國建筑保溫材料市場規模超1700億元，氣凝膠滲透率仍較低，未來應用空間廣闊。據QYResearch，2021年，我國建筑保溫材料市場規模達1718.7億元，2017-2021年復合增長率達21%。但根據中科潤資公眾號數據，受社會認知度和價格等因素制約，2020年，氣凝膠在建筑保溫材料的滲透率僅為0.02%。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產業規模的擴大，未來在建筑隔熱領域的市場空間廣闊。
圖表27：建筑散熱示意圖（資料來源：華陸新材公眾號）
圖表28：建筑保溫材料市場規模（資料來源：QYResearch，國海證券研究所）
5.2? 2025年，氣凝膠在建筑領域市場空間預計約20億元
根據《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》明確，到2025年，城鎮新建建筑全面建成綠色建筑，建筑能源利用效率穩步提升，建筑用能結構逐步優化，建筑能耗和碳排放增長趨勢得到有效控制，基本形成綠色、低碳、循環的建設發展方式，氣凝膠在建筑領域滲透率有望加速提升。
建筑保溫材料市場規模的增速，主要參考《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》對建筑節能及裝配式建筑的規劃。2020年，氣凝膠在建筑領域的市場規模約3.3億元，對應在建筑保溫材料市場規模的滲透率約0.23%，氣凝膠的綜合性能優異，在國家將綠色建筑作為實現新型城鎮化的重點任務的背景下,其滲透率有望持續提升。據我們測算，預計2023和2025年，氣凝膠在我國建筑領域市場規模預計分別達9.8、20.0億元，2021至2025年復合增速達33%。
圖表29：建筑保溫材料市場規模（資料來源：QYResearch，中科潤資氣凝膠公眾號，國家統計局，國海證券研究所）
6.1 2025年，我國氣凝膠市場空間預計約122.6億元
氣凝膠作為性能優異的保溫隔熱材料，節能減排的同時長期看兼具經濟效益，在“雙碳”背景下，其滲透率有望持續提升。據我們測算，預計2023和2025年，我國氣凝膠市場規模預計分別達48.6、122.6億元，2021至2025年復合增速達68.9%。
圖表30：2021~2025年，我國氣凝膠市場規模測算（資料來源：《2020年中國油氣管道建設新進展》高鵬等，《2021年中國油氣管道建設新進展》高鵬，中國絕熱節能材料協會，GGII，泛亞微透招股說明書，中國汽車工業協會，Navigant，電池中國公眾號，QYResearch，中科潤資氣凝膠公眾號，國家統計局，前瞻產業研究院，國海證券研究所）
原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：氣凝膠供需兩旺，滲透加速
