产业研究 | 气凝胶：隔热材料中的“六边形战士” ，下游应用场景日益拓展，加速推动市场规模扩容

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2 气凝胶的微观结构

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3 气凝胶种类

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4 气凝胶常见形态

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：1）溶胶-凝胶法制备湿凝胶；2）湿凝胶干燥制备气凝胶两部分。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。

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。

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5 气凝胶成本拆分

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。

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%。

具体来看，近年来，我国相继发布《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》《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》《建材行业碳达峰实施方案》等一系列政策，均为气凝胶产品研发应用提供支持，持续我国气凝胶行业发展注入动力。例如，2021年9月，由中共中央和国务院联合发布的《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》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用；2024年12月，由工业和信息化部、生态环境部等四部门联合发布的《标准提升引领原材料工业优化升级行动方案（2025—2027年）》提出，重点开展超高性能气凝胶隔热材料、金属有机氢化物、金属基单原子合金催化材料、量子点材料等前沿新材料标准制修订。

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%。

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。

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。

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。

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9 气凝胶在锂电池防护领域的应用

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。

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%。

气凝胶产业链主要包括上游前驱体、中游设备、中游产品及下游应用，目前气凝胶相关企业主要位于上游有机硅源的制备及中游气凝胶材料生产领域。

尽管我国气凝胶市场起步较晚，但发展迅速，目前已处于国际并跑或领跑地位。据华经产业研究院，2014—2020年，我国气凝胶产量从0.85万立方米增加到10万立方米，年均复合增长率达到51%。整体来看，我国的气凝胶产业在逐渐摆脱之前的产品结构低端化严重，产品成本优势不明显等劣势，行业的规模扩张进程加快。