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【深涂学会 科普知识】气凝胶专家问答

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气凝胶专家交流Q:气凝胶主要技术路线有哪几种?这几种工艺的优缺点,目前市场主流工艺是哪一种?

A:主要路线按照不同的类型划分。

按反应的前驱体划分,分为有机硅源和无机硅源两个技术路线,有机硅源:正硅酸甲酯,正硅酸乙酯作为原料,无机硅源:用水玻璃之类无机化合物做反应,获取气凝胶;按工艺干燥路线划分,分为三类:二氧化碳超临界,是中国厂家最主流的干燥工艺,部分厂家用到乙醇超临界,也有部分企业在研究常压干燥生产工艺。

Q:从原材料角度来讲,目前两种硅源的主要应用有多少?

A:规模化生产中基本上用的有机硅源,一些厂家在研究和宣传上可能会讲用无机硅源。


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2021年 9-10 月起,大宗原材料上涨很多,有机硅源价格上涨很多,早期价格 11-12 元/kg,涨到27-28 元/kg,涨了两倍多,但是主流厂家还是采用有机硅源工艺,是因为使用有机硅源前期投入比较大,但是后期处理会有比较大的节省,无机硅源例如水玻璃前期硅源价格很便宜,只要有机硅源的 1/10,但是水玻璃含有钠离子氯离子等,生成气凝胶后会需要对离子进行清洗,需要运用大量溶剂,将胶体里的水替换成有机溶剂,才能进行下一步。

使用无机硅源,前面节省的成本往后迁移,总体技术路线甚至成本会更高,同时面临大量废水处理,溶剂处理,所以目前规模化生产气凝胶的厂家总体上还是会采用有机硅源。


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Q:有机硅源和无机硅源做出来的产品品质和性能差别在哪里?

A:有机硅源做出来产品品质会更好,无机硅源生成凝胶需要经过水洗,离子替换,有机溶剂置换的过程。

气凝胶是多空纳米结构,纳米直径孔洞,生成气凝胶之前充满溶剂,有机硅生产出来充满有机溶剂,不需要处理直接可以进行下一步;无机硅源做出来的产品里面充满水,清洗和溶剂置换过程中会破坏多空纳米结构,是由于分子压力不同和溶剂置换过程中的一些损伤造成的,从产品的体表面积和饱和系数来看和有机硅源做出来的产品品质有差距。

Q:从成本角度,一立方的需要多少量的有机硅源(10mm)?

目前成本占多少?

A:按照传统 10mm 计算,一立方是 100 平方,有机硅源用 3000-4000 元,具体要看厂家有机硅的重量,基本落在这个范围。

1 平 30-40 元,25-26 元/kg。

目前主流厂家较多使用正硅酸乙酯,有 1-2 家用正硅酸甲酯:贵州乌江杭天机电设备有限责任公司,跟他有技术合作的华陆新材也用正硅酸甲酯。

(1 立方米,100 平米,气凝胶重量,120kg。

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Q:正硅酸甲酯是外购还是自己合成去做?

A:所有规模化生产的气凝胶企业硅源都是外购的,无论是正硅酸甲酯还是正硅酸乙酯。

乌江航天和华陆新材也是外购。

正硅酸乙酯生成气凝胶过程中水解反应得到乙醇,但是正硅酸甲酯水解生成甲醇,所以我们不考虑采用。

Q:在成本上升的情况下,爱彼爱和会考虑用甲酯替代乙酯吗?

A:正硅酸甲酯价格上其实只便宜 1 元/kg(按华陆供应商初步报价),用甲酯的目的在于水解反应速率更高。

乙酯作原料水解反应可能需要一个小时,甲酯分子链比较短,分子结构相对松散,反应速率会快很多,40-45 分钟就可以完成。

但是正硅酸甲酯面临的问题在于,生成甲醇有毒,存在中毒事故的风险,对设备和人员防护有更高的要求。

爱彼爱和,纳诺,海鹰都采用乙酯。

用甲酯速率更高,但是风险无法接受,宁愿牺牲速率,用相对安全的原料反应,目前用甲酯就只有乌江(华陆还没形成规模化产能)。

Q:目前国内气凝胶的总规模有多大,大的几家企业的现有规模和在建产能的情况?

A:2021 年整个市场主流企业 8-9 家,规模化企业营收 9.5-10 个亿左右,通过招投标/竞标反推出来的信息,石油石化、新能源、外贸几个主要领域推出来的,数据基本准确,可能有出入。

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埃力生 1.7 亿,纳诺 1.5 个亿,乌江 1.2 亿,海鹰 1.3 亿,爱彼爱和 1-1.1 亿,河南泛锐 8000w,金纳 6000-7000w,中凝 4000-5000w,岩谷 7000w,其他比如华陆,中科润之,合计 2000-4000w。

国内目前 2021 气凝胶销售 9.5-10 个亿左右。

Q:这几家产业包括埃力生,爱彼爱和从去年开始规划者新建产能的原因?

A:气凝胶行业比较特别,销售额利差并不高,但是厂家产能比较高,产能利用率 30-40%很低。

原因 1:与气凝胶行业的需求有关。

目前石油石化和新能源两个板块占比较大,这两个板块有明显特点:气凝胶产品会跟着项目走,例如中石化有一段管线,决定 4 月份检修,整条管线以及部署设备都要停产,检修需要在短时间内完成,如果中标了这个项目,企业需要在短时间大量的供货,形成爆发性产品需求。

产能建的高可以应对峰时需求,客户对性能指标都有不同需求,备太多库存容易积压,所以通过尽量提升产能上限,实现短时间应对爆发性需求的状况。

原因 2:降低成本的需求。

以前考虑通过原材料降价进行成本控制,每年气凝胶成本都会有一定下降。

但是自 2021 年,气凝胶原材料成本增加非常快,翻了一倍多,原材料涨价对我们成本影响非常大。

影响气凝胶推广最大的问题是价格问题,需要在技术和工艺方面有一些突破和进展。

通过规模效应降价,同样时间内能产出更多数量产品,平摊到每一平方米产品上的成本更低,现在进行扩产是有这样的考虑,尽可能降低成本拉高利润空间,所以各家企业在这一方面现在投入很多,增加产线。

原因 3:看好未来气凝胶发展。

气凝胶应用领域不断扩张,比如新能源增长较快,对气凝胶需求增长较快。

其他方面增长速度不是很快,但是随着应用领域不断开发,纺织服装,LNG领域,未来更多行业会使用气凝胶,所以现在储备产能。

Q:气凝胶在新能源汽车,石化保温管道方面产品价格分别是多少?

A:石化:主要分中石化,中石油,地方炼油厂三种情况(中海油基本不用气凝胶)中石化:EPIC 价格认证,15000 元/立方,气凝胶属于 EPIC 认证一级产品中石油:气凝胶属于二级产品,不需要招框架标,价格比较低,自己招标鱼目混珠,比中石化低 20-30 元地方炼油厂:比较复杂,利润比较低,气凝胶卖不起价格,100-120 左右 新能源:新能源方面用气凝胶的厂家比较多,气凝胶分三类:预氧丝基、玻纤基、陶瓷纤维基气凝胶,每一种类型厚度不同,厚度和石油石化(10mm)不一样,在 0.5mm-4.8mm 区间,一般是 1-2mm,跨度较大。

预氧丝基的气凝胶 80-130 元/平米;玻纤基气凝胶便宜一点,0.5mm 的厚度 40 元/平,厚一点也不超过 100 元/平,主要集中在 40-90 元/平;陶瓷纤维基气凝胶,是最近 2020 年才开发的新产品,价格比较高,成本也较高,90-170 元/平。

总体平均下来,新能源 100 元/平方米(使用薄的比较多),总体平均售价不是很高。

Q:一个电池包需要用到多少气凝胶?大概一辆新能源汽车用到气凝胶价值量多少?

A:目前跟许多电池厂有合作,早期宁德时代,现在比亚迪,三星,国轩有项目合作。

最少用量 0.5 平方,最多 2.5 平方左右,一般 1.5-2 平方的项目比较多,一个电池 pack 用 1.5-2 平方米。

最新开发的先进厂家用到 4 平方,属于极端情况。

如果按照气凝胶毡卖出去的价格,150-200 元/裸毡。

但是气凝胶不是直接用在电池里,气凝胶属于无机隔热材料,无机隔热材料的通病是掉纤维掉粉,放到电芯模组中间间隙的位置作为防火隔热垫,随着车辆行驶过程中震动晃动颠簸,电池包周围容易掉粉,会加工。

加工气凝胶,在加工商那里完成,气凝胶毡出场先供给加工厂,加工方式很多,比亚迪覆膜 PE 膜,玻纤布,宁德时代喷涂式,硅胶框,外国用贴云母片,用其他材料封装,形成气凝胶隔热片,全方位覆盖气凝胶,不会有粉尘掉落在电池槽。

问了气凝胶毡到加工厂进行膜切(按照电池厂给的规格大小),冲切后封装,隔热片一片一片卖给厂商,一般冲切封装之后售价达到气凝胶卖给他们售价的 4-6倍,我们 100 元/平方,加工后价格 500 元/平方,一辆车 1.5-2 平方,一个电池 pack,气凝胶隔热片电池厂成本 750-1000 元,没包括组装。

除了爱彼爱和其他都不做膜切和加工的,加工厂给到电池厂价格×5。

Q:加工厂的附加值可以达到 5 倍?

A:加工厂附加值一直很高,新能源方向加工厂技术含量比较高。

模切相对简单,封装很考验技术。

很多封装设备是自主研发的,我们合作参观,都看不到封装设备,封装设备有,市场上封装设备很难实现比较好的效果。

封装住粉尘对技术是一个很大的考验,比亚迪封 PE膜技术要求高,工程师专门改造,大的加工厂基本都有很大的技术团队支持。

加工厂也面临难处,新能源汽车动力电池组,每个模组之间的空隙是比较薄的,比气凝胶隔热垫多 0.1-0.2mm,两个模组之间空隙 2mm,气凝胶隔热垫需要厚度控制很精准,1.8-2-2mm 之间,小于会晃动振动产生噪音,大于装不进去,模切厂封装后不符合规定的产品损失由模切厂承担。

加工厂总体利润还是可以的,像宁德时代,东莞硅翔被上市公司高澜股份入股,看好新能源利润营收以及未来增长。

Q:未来气凝胶在汽车方面需求量?

A:比亚迪有几个加工商的供应,我们只做了一个惠州的加工商,全面信息不了解。

2021 气凝胶销售 10 个亿,新能源汽车气凝胶大概 3.3-3.4 亿,占比 33%-34%。

Q:增速方面管道和新能源哪个更快?

A:新能源更快,2020 年新能源汽车气凝胶营收 1.7-1.8 亿,2021 年 3.4 个亿,增长 95%;石油石化方面 4.6-4.7 亿,增长不是很快,比 2020 年增长 20%左右,可能也和基数有关系,2020 年新能源基数也才 1.7 亿。

Q:现在的新能源汽车,还会有别的增量吗,还是单纯依靠新能源汽车的数量?

A:新能源汽车量的增加,原来用量 1.5-2 平方/电池 pack,现在最新接到厂家项目书,用量 4 平方,可能一个电池 pack 用量会翻倍。

另外,三元锂电,高镍,快充,市场占比进一步扩大,这种技术带来防火隔热需求也会使气凝胶需求量更进一步增加,622,523 会变少, 211,955 会变多。

个人认为任何一个产品在某领域使用会有一定的寿命,发展到某个阶段就不再需要这个材料,气凝胶在国内新能源汽车领域最早是宁德时代 2016 年开始用,但是是否会一直在新能源汽车的电池组里应用不一定,宁德时代在研究新的动力固态电池,预计2030 年可以量产,可能推迟一两年,新电池热稳定性有一个提升,可能就不需要气凝胶做动力电池组,阻燃硅胶泡棉,三聚氰胺泡棉可以满足需求。

气凝胶在 2016-2032 年,有 15年左右的应用时间。

Q:换算方式,1 立方米 10mm 厚,100 平方 3000-4000 元,25-26 元/kg,折算系数?

A:没有成本系数,是根据生产用量计算出来的,生产用量有一个配比的方式。

一般来说,气凝胶国标密度:200±20kg/立方米。

Q:采购正硅酸乙酯会发生紧缺情况吗?

A:2021 年 10-11 月非常紧张,现在价格下降一点,大规模采购 24-26 元/kg,小规模比这个价格高 5-6 元/kg 也正常。

之前限电、国家大力发展光伏产业,对硅的用量需求很大。

1平方米采购成本,除了前端的硅,还要疏水改性的硅烷,还需要气凝胶复合材料的增强纤维,加上人工水电,现在成本 90 元/平方。

以前所有原材料便宜,含硅的都便宜。

卖 150 给下游是合理的价格。

新能源汽车用硅量不用那么多,厚度薄。

Q:爱彼爱和,高光达,高澜东莞三个厂产能和售价?

A:这里面包括两种类型企业,爱彼爱和有生产气凝胶能力和加工能力,预氧丝基、玻纤基、陶瓷基气凝胶都有,爱彼爱和专做气凝胶,宁德时代的三元方和锂电,市场占有率 80%左右。

预氧丝基:爱彼爱和,海鹰,泛锐,埃力生,是通过认证的,玻纤:爱彼爱和,海鹰,泛锐,岩谷。

另外一些企业买气凝胶加工,高澜。

预氧丝基主流 2-3mm,售价 80-130 元,成本不到一半。

高光达,和埃力生合作,拿预氧丝,加工方式是喷涂,高光达现在不良率很高,现在在宁德做的很少。

高澜股份,入股东莞硅翔,在气凝胶隔热垫供应链比较厉害,但凡有涉及到的企业都会参与,来源:海鹰,纳诺,泛锐。

东莞硅翔,供应量多少不太清楚。

给宁德时代供给最大的是,爱彼爱和和东莞硅翔。

泛亚微透的相关进展,收购大音希声,吹嘘获得宁德时代实验室认证,其实通过实验室认证只是项目非常初始的阶段,像我们很多产品都通过宁德时代实验室的认证,但是最终这些产品都没有供货,首先看产品是否具备大规模量产的能力,实验室打样很简单,量产是否能达到实验室同等品质又是一个问题,如果出现供应产品不合格,不及时,出现反工,造成生产线停线,造成主机厂停线,造成的损失是按分钟计算,一定要对产品很有把握才会去做。

第二,通过认证后,产品质量还需要有一个商务认证,宁德在行业名声不好,它经常用一个产品的价格去压另外一个产品价格,它给出的价格,利润空间很低。

Q:按去年国内新能源车气凝胶 3 亿收入,国内 300w 量乘用车,单车 200 计算,高镍渗透率可以达到 50%?

A:这样计算国内新能源汽车总体销量,存在两个问题。

第一,新能源汽车气凝胶的营收,并不是全指国内,不是国内气凝胶,很多气凝胶厂家除了销售给国内的宁德时代,比亚迪,还有国外的企业,三星 SDI,LG 也有部分在用,SK,也有很多在中国采购,因为价格便宜。

第二,用量全归到高镍不太准确,高镍三元锂是在用,像 622,早期 523 也在用。

另外一条技术路线磷酸铁锂,除了比亚迪刀片电池,别的有些企业也在用。

Q:正硅酸乙酯,24-26 是价格,计算出来单耗比 0.2 低一些?

A:3000/25,26,每个厂家有自己的配方配比,都不一样,取一个相对中位数计算。

取了一个保守一点的数字,单耗计算高一点也正常,涉及厂家配方问题。

成本上涨比较多,单看正硅酸乙酯,1 万多/吨涨到 2 万多/吨。

疏水剂硅烷,硅烷偶联剂原来 30-40 元/kg,现在涨到 80-90 元/kg,二硅氮烷。

Q:未来原来做正硅酸乙酯的厂家扩产意愿会领先于气凝胶需求,还是正硅酸乙酯涨到一定程度才会愿意扩产?

A:上游原料厂家经营不太清楚。

国内最大的正硅酸乙酯是晨光,扩产意愿不太清楚,但是对硅的采购是一个比较大的问题,气凝胶供应问题不能只看正硅酸乙酯,还要往上看到硅。

Q:埃力生产能扩得比较大?

A:生产不饱和的状态,开工率全年不到 50%的话折旧摊下来能否抵过规模效应带来的优势取决于投入的阶段,投入是从 0-1 的话比较困难,但是我们现在是 4-5,5-6,附属设备已经配套齐全,只需要增加核心设备,投入相对来说影响没那么高。

产能扩得很大,但是订单没能拿下来也成为气凝胶行业很大的一个问题。

同时,看好气凝胶未来应用的发展,服饰、以及国内 LNG 用的相对少,产能还是会用的上的。

1 百万平方一个亿投资额,总的投资额摊多少,从 0-1 还不够,这个数字偏低,相当于 8-9 万平方/月,一个亿投资额少了。

Q:投到多少万方再去增加核心设备可以达到 4-5 的情况,埃力生扩到 8 万方总的投资额大概是多少?

A:从 07-现在 14 年不止 5 亿,去年从 5 扩到 8 万立方,300 万平方,投资额只增加了 5-6千万。

核心设备是指固化线、超临界高压釜,两者都有。

高压扩一倍,容量也在扩(现在我们是 3000)

Q:现在石化厂管道有蒸汽管道在用吗?

A:石化蒸汽管道,是相对比较少的,主要还是热电厂那边的管道,给工业区的工厂输送蒸汽管道。

这种蒸汽管道和中石化生产管道比例,没有统计过。

民用供热管道,除了北京供热在用,其他的都不在用。

给工业区输送蒸汽的,架空和地埋式的都在用,很多情况跟着负荷结构,气凝胶和玻纤混用。

Q:聚氨酯泡棉,硅胶泡棉,三聚氰胺泡棉价格?

A:聚氨酯泡棉看质量,一般 1X 元/平方,比较便宜。

Q:1 万方投资里,哪些是比较刚性(核心的超临界设备,扩大在投资也降不下去的投资成本),哪些是其他土地和工艺工程(边际成本会降低),这两部分占比?

A:固化线和超临界设备是没办法避免的投资成本,增产的话,需要把数量往上提或者把容量往上提,起始投资需要预先进行一个设计;溶剂处理系统一开始需要建立一套,扩产之后不需要再动了;闸门的动力系统,锅炉,其他配套设备,大的变压器,开始时可以往大的设计,把未来需求投入进去,以后增加产线,配套不用增加很大费用。

Q:5-8 万方,后面投资强度有下降吗,最新 1 万方投资强度大概有多大?

A:现在一万方投资 2000-3000 万, 成熟的工艺是这样的。

Q:成本中疏水剂大概多少?疏水剂选择?

A:我们主要用六甲基二硅氮烷,其他厂家可能会用到三甲氧基硅烷,成本占 12%。

9000 元的成本里会有 1000 多元是这个。

Q:气凝胶三种工艺中主要是使用二氧化碳超临界干燥,对于新进入者技术壁垒强吗?

A:新进入者制备气凝胶,技术壁垒不太高,如果想要达到高效率低成本,还要花比较长时间摸索。

二氧化碳超临界可以买到整套设备,贵州乌江,岩谷,迈格里特,会有整套设备去提供。

生产气凝胶用二氧化碳超临界,买到设备难度不大,但是水平还是有很大区别,工艺改造和优化需要时间积累。

Q:疏水剂三甲氧基硅烷,成本 1000 多,加上正硅酸乙酯 3000-4000,硅成本占到 50%?

A:硅+玻纤的成本占比 60%, 原材料降成本对气凝胶很重要。

另外 40%是制造成本,摊销折旧和人工成本,和一些容器成本,这一部分规模效应没办法降太多。

如果现在上游硅源厂家也生产气凝胶,价格上会更占优势,晨光做气凝胶,价格会更便宜。

Q:埃力生考虑往上游拓展,收购、自建、合作?

A:有可能收购,对一个上游厂家入股/控股,自建可能性最小,基本没可能,不要说从上游自建正硅酸乙酯,连下游加工厂模切封装,爱彼爱和下游这一套我们都没有去做,我们精力有限,主要资金放在研发和生产,宁愿拓宽应用领域,应用到各个领域。

从能力上来说往上游做也有难度,正硅酸乙酯生产的能耗,带来的一系列环评、管理工作,我们目前不太愿意涉足做这一块。

Q:去年正硅酸乙酯价格涨到 30000+,今年气凝胶需求端增速?

如果正硅酸乙酯再涨价,能否承受这个成本?

A:以前新能源每年都有电池厂签合约有价格的下降,今年不会有这个情况,因为成本已经受压很厉害,未来正硅酸乙酯价格再不断往上涨,成本上会有很大压力。

对我们来说,比其他厂家担心的少一点,目前还是有些特殊的核心技术手段控制总的成本,属于最核心的技术秘密。

从配方,工艺,设备来说,我们目前还是比较保守,可能还会有比较激进的改动,即使硅源成本涨到 30 元/kg,我们的成本也不会变动太大,但是一段时间之内产品质量可能会有波动。

需求增速方面,新能源汽车预计会有比较大的增幅,保守估算 80-90%;石油石化对我们来说比较稳定,每年增速 15-25%;热网热电方面,2021 年受大宗原材料(尤其钢铁)上涨,很多项目延期没有开工,2021 年热网热电方面比 2020 年还下降很多,几乎腰斩,今年热网热电会恢复 2020 水平甚至比 2020 年好。

其他潜在需求:2021 年外贸爆发,国外疫情,我们出口在 2021 年比 2020 年增长翻了一番,今年前三个月外贸比去年增长 20%左右。

Q:海外格局?

A:海外我们通过欧洲代理商进行销售,不太了解。

Q:国内今明两年扩产企业情况?

A:埃力生扩到 8 万立方(目标 10 万立方),乌江要扩到 3 万立方,海鹰扩到 2.5 万立方,泛瑞从 0.75 提到 1.5 万立方(基数低),爱彼爱和听说扩到 2 万立方,纳诺听说扩到 6 万立方。

Q:常压干燥可能成为主流工艺?

A:目前不太可能。

气凝胶三类产品:气凝胶板,气凝胶毡,纯气凝胶,纯气凝胶常压干燥可以做,其他两项产品常压干燥做出来质量会差一点。

主要问题在于,常压干燥过程中,溶剂萃取和挥发实际操作过程中最终会造成结构伤害(超临界不会),生产出来的气凝胶毡表面平整性比较差,厚薄不均现象严重,制约了它的发展,常压干燥溶剂处理问题比较大,有机硅通过二氧化碳超临界干燥萃取出来的溶剂处理设备比较简单。

无论成本如何,常压干燥达不到二氧化碳超临界做出来的产品质量,目前不用做过多考虑。

来源:普华永道

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