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动力电池需要什么样的气凝胶?

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宁德时代发布的麒麟电池体积利用率高达72%,能量密度高达255Wh/kg,拥有快充功能,整体效能大幅提升。麒麟电池通过设立弹性夹层、改变水冷板结构、智能利用底层空间等方式实现了电池更安全、更长续航里程、实现快充等性能提升,电池结构的改变也伴随着相关材料的升级与增长,我们认为,麒麟电池在隔热、轻量化、绝缘等方向上的升级将会给水冷板、导热球铝、LIFSI、聚氨酯、气凝胶、绝缘材料等带来投资机遇。


尤其是气凝胶:隔热材料领域佼佼者,有望迎来大规模应用。


隔热性能优势显著,生产技术壁垒较高


气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不改变凝胶本身的网络结构或体积的特殊凝胶,国际纯化学与应用化学联合会将气凝胶定义为“以气体为分散相的微孔固体凝胶”。因其半透明的色彩和超轻重量,有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。


内部结构独树一帜,隔热性能尤为突出。气凝胶材料具有低密度、比表面积大、孔隙率高等特点,具有耐高温、低热导率、低折射率和低声传播速度等特殊的热、光、电、声性能。依赖于自身独特的结构,气凝胶通过无对流效应、无穷遮挡效应以及无穷长疏松路径效应具备了远超硅酸铝、玻璃棉等传统隔热材料的隔热性能。因而在具有极高的隔热要求,且需要轻度较低,稳定性较好的应用领域,气凝胶是极佳的应用材料。

   
   


材料体系多样化发展,下游应用领域广泛。按照材料的不同可将气凝胶分为无机气凝胶、有机气凝胶、混合气凝胶以及复合气凝胶四大类,根据各自具备的性质对应下游航空航天、工业设备、石油化工、建筑管道等应用领域。其中无机气凝胶的SiO2气凝胶作为一种防火隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料,是目前生产技术及商业化应用最为成熟的产品具有低密度、低导热系数、高孔隙率、高比表面积等优异性能,在管道保温隔热、隔热涂料、节能玻璃、管道防腐、吸附催化等领域具有广泛的应用前景。


   


溶液-凝胶法成为主流工艺,干燥环节是关键步骤。SiO2气凝胶通常采用溶胶-凝胶法进行制备:首先选择合适的硅源和催化剂,并让硅源在催化剂条件下进行水解,水解产物中携带的羟基基团进行缩合反应后形成溶胶,溶胶粒子以链状结构组成粒子团簇,在容器中形成湿凝胶,最后通过干燥工艺将湿凝胶中的水分或溶剂除去,即可制得干凝胶,也称为气凝胶。制备过程中硅源的类型、催化剂的性能、以及干燥工艺的选择,都是影响SiO2气凝胶结构与性能的重要因素。


硅源的选择:硅源大体上可以分为单一硅源、复合硅源、功能性硅源三大类,而单一硅源按照材料种类又可细分为无机硅源(硅酸钠)与有机硅源(正硅酸甲酯(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS))两种。以正硅酸甲酯和正硅酸乙酯为代表的有机硅源虽然成本相对较高,但是具有工艺适应性好、产品纯度高等显著优势,是目前规模化生产二氧化硅凝胶的主流选择。


   


干燥工艺:干燥工艺是SiO2气凝胶由湿凝胶向干凝胶转变的关键步骤。干燥工艺要求在除去湿凝胶网络结构中填充的溶剂的同时,还要保持其网络结构不被破坏,目前工业化生产中主要使用超临界干燥技术和常压干燥技术。一般情况下,超临界干燥技术往往选择有机硅作为硅源进行生产,设备投资与能耗均高于常压干燥技术,但是产品纯度相对较高。


   


传统隔热中高端领域持续渗透,新能源、建筑领域有望形成快速增长点


气凝胶的优势较为突出,在高端工程、设备建造等领域应用相对广泛。一方面由于气凝胶的产品性能优越且密度较低,因而在多数保温、隔热应用领域里具有非常好的适用性,但气凝胶的生产壁垒相对较高,设备投入相对较大,工艺把握相对较难,因而气凝胶的成本也相对较高,因而主要在工程、设备对于应用场景、使用效果等领域要求较高的场景中使用。


   


现阶段气凝胶的下游需求主要来自于油气领域。2021年,石油化工占气凝胶总需求的56%,其次是工业隔热占比约为18%,其余需求领域占比均在10%以下。气凝胶在石油化工领域主要应用于能源基础设施包含蒸馏塔、反应管道、储罐、泵、阀门、天然气和LNG液化气管道等设备的保温材料。在高温蒸汽、导热油以及工艺流体介质管线是热电、炼油、化工等领域至关重要的设备当中,气凝胶管道能够很好的减少管道暴露所带来的热损失。根据IDTechEX预测,到2026年国内石油化工领域的需求占比仍高达47%,未来石油化工领域仍将是气凝胶下游需求的主战场。


2020年,国内气凝胶制品和气凝胶材料产量分别为12.6万吨与10万立方米,分别同比增长28.05%与27.88%,均呈现出快速上升趋势。伴随气凝胶的供给企业不断增多,工艺不断完善,气凝胶有望在现有保温隔热需求领域实现中高端应用的渗透,从而持续带动市场需求的提升和扩展。


   


建筑领域是拉动气凝胶需求的主力军。在碳中和的战略背景下,建筑保温隔热材料也向节能、环保以及高效等方向发展。当前市场上主要的建筑保温材料,如岩棉、玻棉等无机纤维棉,存在纤维结构疏松,易吸湿等问题,使用周期中保温性能会大幅下降。聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等有机保温材料存在火灾风险。二氧化硅气凝胶轻质、导热低、寿命长且疏水性能好,可以满足建筑领域的保温隔热防火隔音防水等需求。目前,二氧化硅气凝胶的应用形式主要有气凝胶节能玻璃、气凝胶涂料、气凝胶毡垫、气凝胶板材、气凝胶混凝土和砂浆以及屋顶太阳能集热器等。2015-2020年,国内建筑外墙保温材料市场规模接近1500亿元,年均复合增长率约为16.4%,二氧化硅气凝胶的替代空间巨大


   


现阶段新能源汽车主要以锂离子电池作为动力电池,而极端条件下热失控是新能源汽车动力电池的重大安全隐患。气凝胶隔热材料在新能源汽车领域主要应用于动力电池电芯之间的隔热阻燃以及模组与壳体之间的隔热防震、电池箱的外部防寒层和高温隔热层,从而更好地实现电池的温控和电控管理,大幅降低电池发生热失控的可能性。与传统的IXPE隔热泡棉相比,气凝胶隔热片在使用温度、导热系数、阻燃性能等多方面核心指标具有明显优势。


   


电池安全性要求带动隔热材料需求持续提升。伴随电池包对于安全性能要求的进一步提升,气凝胶作为更高端的隔热材料可以大幅提升电池的安全性能,因而在电池应用中不断渗透,其中三元电池的压实密度更高,续航里程更长,对于安全性的要求使得相关电池包生产过程中逐步选用更为高端的气凝胶材料,渗透率不断提升,而其他的磷酸铁锂动力电池以及储能电池领域也有逐步切入,一方面伴随下游的电池出货量的不断提升,作为PACK隔热材料的气凝胶应用将随之提升,同时伴随成本的管控和渗透率的提升,气凝胶的应用占比也将进一步增大,预期新能源电池也将带动气凝胶需求的快速放量,成为除建筑领域的另一大潜力市场。


假设2025年我国新能源车销量在1200万辆,气凝胶在新能源车的使用渗透率达到一半,平均每辆新能源车使用3平方的气凝胶,预计气凝胶在我国新能源车领域的需求市场有望提升至1800万平,以80元/平计算,对应的市场空间有望达到14.4亿元。


   


国内企业逐步加大对于气凝胶的布局。伴随气凝胶的应用需求逐步提升国内的布局企业也逐步增多,国内早期主要将气凝胶应用于航空、军工等领域,伴随民用应用需求的提升,开始逐步向民用领域拓展,也逐步开始有更多的企业切入布局,建议关注具有气凝胶产能布局或者在建布局的企业中国化学、泛亚微透、华昌化工、华阳股份、宏柏新材、晨光新材。


   



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内容来源:国金化工新材料以及互联网,RIO材料说整理

来源:锂电那些事
振动复合材料化学电路光学通用航空航天船舶轨道交通声学材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-06-21
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