麒麟电池:效能大幅提升,结构改变带来材料机遇

6月23日下午,宁德时代携第三代CTP技术-麒麟电池亮相,宣布2023年这款麒麟电池就将量产问世。

体积利用率高达72%。根据发布会公告,宁德时代的麒麟电池是当今全球最高集成度的动力电池,其体积利用率高达72%,相比宁德时代在2019年收首发的第一代CTP技术55%的体积利用率显然提升不少,这也将直接使得新能源汽的续航里程突破1000公里不再是问题。

麒麟电池:效能大幅提升,结构改变带来材料机遇
麒麟电池:效能大幅提升,结构改变带来材料机遇

换热面积扩大四倍,解决热失控问题。相比起传统动力电池将水冷功能件放臵在底部的策略,宁德时代的麒麟电池选择水冷板放臵在电芯较大面积的侧面,这样就臵于两个电芯之间,导致整体电池的换热面积扩大了四倍,电芯控温时间也缩短至以前的一半,在极端情况下还可以急速降温,有效阻隔电芯间的异常热量传导。能在一定程度上解决动力电池热扩散的问题(解决热扩散问题本身这也是宁德时代走在前沿的一个点,2020年9月,宁德时代就已经在811电池产品上实现了无热扩散技术),同时这样能够预防电池包里面单个电芯由于高温引发的连锁爆炸反应。宁德时代的麒麟电池是由平台电芯模块、可拓展电气模块、柔性可拓展热管理模块和柔性可拓展箱体模块组成。

能量密度高达255Wh/kg,比4680电池更高。麒麟电池创新的选择让多个功能模块共用底部空间,将结构防护,高压连接,热失控排气功能模块智能排布,进一步增加了6%的能量空间,而且由于麒麟电池本质上是工艺的改善,并没有在动力电池活性物质上进行改变,所以无论是磷酸铁锂材料还是三元材料都可以兼容进去,宁德时代的第三代CTP技术在应用于三元电池的情况下,其电池系统重量能量密度可以提升至255Wh/kg,体积能量密度则突破450Wh/L;而宁德时代的第三代CTP技术在应用于磷酸铁锂电池的情况,其电池系统重量能量密度可以提升至160Wh/kg,体积能量密度则突破290Wh/L。

电池结构改变带来材料机遇。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。

水冷板:热管理系统核心部件,国内市场高速增长

麒麟电池改进水冷板设计,水冷板臵于每两个电芯之间

电池最佳工作温度在10-30℃范围,电池热管理对于提升电池安全性和效率至关重要。电池是新能源汽车动力输出核心,电子、控制系统和空调系统均需要电池供电。而锂电池最佳工作温度在10-30℃范围内,工作温度过热可能导致电池热失控,环境过冷导致放电效率降低影响续航里程。电池热管理包括加热和冷却两个部分,目前电池冷却技术按照冷却媒介的不同主要分为空气冷却、液体冷却和相变冷却三类,其中液体冷却比容大、换热系数高,是目前新能源汽车最主流的冷却技术。

液冷板是电池热管理系统水冷功能模块的核心部件。液冷板是一种通过液冷流动实现热交换的模组装臵。液冷板的制造需要在金属板材内加工形成流道,并设臵进出口,冷却液体从换热模组的入口进入、出口流出以此循环,电子器件安装于金属板材的表面(中间涂装导热介质),将电子器件发出的热量带走,从而保证器件的正常工作。

电池冷却单元结构示意图
电池冷却单元结构示意图

宁德时代麒麟电池改进水冷板设计,横纵梁、水冷板与隔热垫合三为一。麒麟电池采用的宁德时代CTP3.0技术对水冷板设计进行了改进,将原本处于电芯底部的水冷板,放到了每两个电芯之间,将横纵梁、水冷板与隔热垫合三为一,集成为多功能弹性夹层,水冷板兼备隔热、缓冲和水冷的作用,这样的改进主要有三点优势:

  1. 降低了电芯热传导,单个电芯出问题时其热扩散降低,提升了安全性;
  2. 改善了快充的效率,快充的缺点就是发热太快,电芯之间的水冷板加强了冷却效率,使得电池能用4C充电,提升快充效率;
  3. 水冷板具有缓冲作用,可一定程度提高电池寿命。每两个电芯之间使用水冷板使得单车使用量增加,单车使用水冷板的价值量有望提升。

国内液冷板市场高速增长

国内液冷板市场近五年增速超35%,预计2025年市场规模近70亿元。由于新能源电池液冷板制作工艺不同、面积不同,单板价格差异较大。根据华经产业研究院预测,假设国内乘用车液冷板单车价值量为800元,国内商用车液冷板单车价值量为1200元,我国新能源汽车用液冷板市场规模从2017年的8.59亿元增长至2021年的28.92亿元,近5年CAGR为35.44%。受益于电动化渗透率提升,新能源汽车液冷板市场规模将会逐年增加,根据智研咨询预测,2025年我国液冷板市场接近70亿元。

2020年国内液冷板市场格局
2020年国内液冷板市场格局

我国液冷板行业市场格局尚未定型,综合性热管理零部件及系统厂商具备先发优势。液冷板生产厂家一类是银轮股份、三花智控等本身是综合性热管理零部件及系统厂商,第二是纳百川、科创新源子公司瑞泰克等专门从事冷却板生产和销售的企业。2020年液冷板市占率前三名包括三花智控、纳百川和银轮股份,其中银轮股份市占率超过30%,纳百川市占率超过25%,科创新源(瑞泰克)2020年市占率1.5%,其他厂商2020年合计市占率约为9%。凭借热管理技术的相通性,飞荣达等也切入冷却板行业。

导热球铝:跟随新能源车放量与电池结构升级,需求高速增长

导热界面材料:新能源车引领 10 年 10 倍需求增长

导热界面材料,Thermal Interface Materials(TIM),是用于涂敷在散热电子元件与发热电子元件之间,降低两个电子元件之间接触热阻所使用的材料总称。高导热性的界面材料可以填满电子元件和散热器之间的间隙,从而排出间隙间的空气,提高电子元件的散热效果。

导热界面材料由基体和填料组成。基体主要有硅油、矿物油、硅橡胶、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚酰亚胺等;导热填料分两类,一类为导热绝缘填料,主要为金属氧化物、碳化物及氮化物,如Al2O3、MgO、ZnO、SiO2、BeO、BN、AIN、Si3N4、SiC和金刚石粉等;另一类为导热导电性填料,以金属粉末为主,如Ag、Ni、石墨等。导热填料添加到基体中,可提高体系的热导率,并对基体补强,提高其力学性能。

导热填料以球形氧化铝为主。导热界面材料常用的填料有氧化铝、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氢氧化铝或其混合物,其中氧化铝由于其热导率高、价格便宜、阻燃性能优异等特性,是应用最多的导热填料,而球形填料有助于发挥导热填料的热传导功能,目前市场上较多采用球形氧化铝方案。

导热界面材料产业链结构
导热界面材料产业链结构

当前需求以消费电子和通信设备为主,电子集成度提升、高频信号引入等因素推动行业增长。导热界面材料包括导热垫片、导热硅脂、导热灌封胶及导热凝胶等,终端应用于手机、电脑等电子通讯设备的CPU散热、电脑显卡、服务器等电子通讯设备的芯片散热、新能源汽车电池组件散热、电源充电器元器件散热、LED灯散热以及户外电源、变压器等场所散热、防水、防潮产品的灌封等领域。根据头豹研究院的数据,2018年导热界面材料的需求结构中,消费电子占48%,通信设备38%,新能源汽车6.2%。根据PreferenceResearch,2021全球热界面材料市场价值23亿美元,预计到2030年将达到52.5亿美元,预计2022年至2030年期间复合年增长率将达到9.6%。未来随着5G通信设备、高端智能手机等电子产品功能日趋复杂且小型化发展趋势,导热界面材料在电子领域仍将保持较快增长。

导热界面材料应用于新能源汽车:未来需求10年10倍。为了保证新能源电动汽车的核心部件“三电”(电池组、电控系统、驱动电机)及充电桩的安全性能与使用寿命,需要用到导热界面材料让热量及时有效的释放出去。未来10年,电动汽车市场不仅将继续快速增长,并且在这一趋势下,电动汽车电池将朝着更高的能量密度、更快的充电速度、更长的使用寿命和更高的防火安全方向发展,所有这些都需要有效的热管理和热界面材料来提供支持。IDTechEx预计,未来10年新能源车将逐渐主导导热界面材料的需求,与2020年相比,2031年电动汽车行业所需的导热界面材料量将增加10倍。

导热球铝:新能源车放量与电池结构升级带动需求高速增长

球形氧化铝的主要需求是导热界面材料,21年全球市场规模1.7亿美元。球形氧化铝粉是以火焰法将不规则角形颗粒的特定原料加工成球形而获得的一种比表面积小、流动性好的氧化铝粉体材料。根据联瑞新材的公告,球形氧化铝的应用行业主要有:

  1. 导热界面材料如导热垫片、导热硅脂、导热灌封胶及导热凝胶等;
  2. 导热工程塑料;
  3. 导热铝基覆铜板;
  4. 高导热塑封料;
  5. 特种陶瓷领域等。

根据QYResearch的数据,2018年球形氧化铝在热界面材料领域应用需求较高,占比达到48%,其次是导热工程材料,占比为17%,高导热铝基覆铜板占比约为14%。根据QYResearch的统计及预测,2021年全球球形氧化铝市场销售额达到了1.7亿美元,预计2028年将达到4.2亿美元,年复合增长率为13.9%。

2018年全球球形氧化铝不同应用领域消费量占比
2018年全球球形氧化铝不同应用领域消费量占比

新能源车行业高β驱动导热用球形氧化铝高速增长,麒麟电池或至球形氧化铝单车用量提升。球形氧化铝作为导热用界面材料的填充料,应用于动力电池BMS电池管理系统及同类型新能源储能电池模块防护、导热及粘接固定等多元场景需求;应用于动力电池PACK的热管理系统中,起到导热、灌封、防潮、防腐蚀、防震的作用;应用于电驱及车载充电机系统逆变器,满足功率器件对导热和防护的需求。当下麒麟电池全球首创的电芯大面冷却技术,基于电芯的变化,将水冷功能臵于电芯之间,使换热面积扩大四倍,或导致球形氧化铝单车用量提升。根据壹石通的公告,预估每辆新能源汽车大约需要使用不低于10公斤的导热用球形氧化铝,单价假设为3万元/吨,我们保守估计每辆纯电动车使用5公斤,2025年提升至7公斤/辆,同时假设导热用球形氧化铝在纯电动汽车中的渗透率是40%,则2021年,全球销售460万台纯电动汽车对应的球形氧化铝需求为0.9万吨,假设2025年纯电动车销量增长至1486万台,则对应全球球形氧化铝需求量为4.2万吨,4年复合增速45%。

全球生产企业较少,国内产能快速释放。2019年全球球形氧化铝产量约为2万吨左右,其中中国球形氧化铝产量为1.2万吨,在导热用球形氧化铝方面,国内厂商已成为主要供应方,占全球供应比例达到52.5%。目前全球球形氧化铝主要生产企业有新日铁住金株式会社、Denka、ShowaDenko、CMP、联瑞新材、雅安百图、壹石通等,其中联瑞新材当前名义产能1.6万吨(含21年四季度试生产产能),雅安百图2019年产能在3000吨,壹石通当前产能相对较低,但在建9800吨导热用球形氧化铝产能。

壹石通导热球形氧化铝收入
壹石通导热球形氧化铝收入

LIFSI:新型锂盐性能优异,技术不断成熟助力其推广使用

电解液锂盐是电解液的重要组成部分,锂盐应该具有以下性能:易溶于有机溶剂,具有良好的电导率,具有良好的热稳定性能,电化学稳定性好,对隔膜、集流体等电池配件无腐蚀性,分解产物具有环境友好性。

目前LiPF6的热稳定性差,加热至60℃就能分解出PF5和LiF。并且LiPF6与生成的PF5可以与电解液中的微量水反应,反应生成HF等腐蚀性气体,会影响电池的循环寿命和安全性。LiFSI因其良好结构稳定性和电化学性能等优异性能,在学术界和产业界都受到了研究者的广泛青睐,也成为了产业化进程最快的新型锂盐。和LiPF6相比,LiFSI具有以下优点:

  1. LiFSI的阴离子半径更大,更易于解离出锂离子,进而提高锂离子电池的电导率;
  2. 当温度大于200℃时,LiFSI仍然能够稳定存在,不发生分解,热稳定性好,进而提高锂离子电池的安全性能;
  3. 以LiFSI为电解质的电解液,与正负极材料之间保持着良好的相容性,可以显著提高锂离子电池的高低温性能。

目前LiFSI作为电解液锂盐有两种应用方式:

  1. 可用作常用电解质LiPF6的添加剂;
  2. 作为新型电解质替代LiPF6。

目前LiFSI主要作为LiPF6的添加剂使用,其添加量从1%-18%不等,有国外龙头电解液厂商已经研发了LiFSI添加量为18%的电解液,其性能可以满足高端领域需求。有研究团队将LiFSI溶解在碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯/碳酸二乙酯(质量比为1∶1∶1)有机溶剂中,对比研究了该电解液体系在锂离子电池中的电化学性能。实验结果显示:与普通电解液相比,添加有LiFSI的电解液具有更高的电导率和锂离子迁移数,最优浓度为1.2mol/L(质量占比约13%),此时电解液具有最大的电导率。同时,将该电解液应用于锂离子电池中,电池也显示出更好的循环性能和倍率性能。

LiFSI电解液
LiFSI电解液

总体来说,LiFSI的电导率和热稳定性较六氟磷酸锂性能更优,价格方面,六氟磷酸锂的价格呈现周期性变化,LiFSI的价格随着技术工艺的成熟而逐步下降,目前LiFSI以添加剂的形式为主,随着价格的逐步下降,我们认为LiFSI在高镍趋势下有望加速其应用。预计2025年LIFSI需求有望达到6.6-9.3万吨。

目前主流工艺均用到氯化亚砜,当前工艺1吨的LiFSI消耗2.5吨氯化亚砜,预计随着LiFSI工艺不断成熟,我们认为25年左右1吨LiFSI对于氯化亚砜的单耗有望降低到1.7左右(根据环评报告,理论值为1.5),我们预计25年LiFSI对于氯化亚砜潜需求将达到11.2-15.8万吨。

双氟磺酰亚胺锂的合成工艺一般需要三个步骤:

  1. 双(氯磺酰)亚胺的合成:将氨基磺酸、氯化亚砜及氯磺酸臵于“一锅”中反应并减压蒸馏得到(ClSO2)NH(双氯磺酰亚胺),该反应生成的HCl及SO2能很容易地从反应体系中除去,促进了反应进行,因而产率很高,达99%;使用的原料毒性都较小,腐蚀性远低于氟磺酸,故为工业化生产的主流方法。
  2. 双(氯磺酰)亚胺和氟化物在催化剂存在的条件下反应获得双氟磺酰亚胺,一般选用料成本较低、且市场容量大的氟化氢作为氟化物,借助SbCl5、TiCl4、SnCl4等催化剂提升转化率,生成的产物为双氟磺酰亚胺和氯化氢,氯化氢易于挥发,进而提高双氟磺酰亚胺产品的纯度。
  3. 双(氟磺酰)亚胺和含锂化合物如氢氧化锂,碳酸锂,氟化锂进一步反应制备双氟磺酰亚胺锂。

聚氨酯:动力电池催生高端聚氨酯新材料需求增长

聚氨酯材料除应用于汽车内饰以外,还大量应用在动力电池的制造上。由于锂离子电池的电化学储能装臵的需求不断增长,对于大型应用例如电网存储和电动交通工具,经常使用串并联阵列连接的多个单元,让单体构成电池组,而安全性是大型单元持续存在的问题。如充放电过程中单元容易因热胀冷缩而发生形变、车辆运行过程中因震动而造成的相互挤压、单个电池的热失控状态引起相邻电池单元的热失控传播问题等。因此在动力电池组件中使用的电池衬垫或缓冲垫必须具备足够硬度以保持部件固定到位;必须拥有高压缩复原特性以应对电池使用过程中的尺寸变化;必须拥有较好的保温性能来减少组件之间的热传导率,而聚氨酯材料独特的软硬段嵌段共聚的结构赋予了其优秀机械性能,以及非常宽的硬度可调节范围,其在锂离子电池恶劣的使用工况下依旧可以提供可靠的缓冲、隔振和密封性能,是其他弹性体产品无法替代的。

锂电池中聚氨酯材料应用
锂电池中聚氨酯材料应用

亲质、坚硬、导热高效的聚氨酯电池外壳正在逐渐受到青睐。通过拉挤成型工艺将聚氨酯材料和玻璃纤维或碳纤维可制成模块化、轻质且坚固的电池外壳,为电池组减重同时可封装更多锂离子电池单元;在电池外壳中,填入基于聚氨酯改性的粘合剂和缝隙填料,改善从电芯到冷却设备的热传递,提高电池的导热性,带来更高性能表现。

动力电池CTP、4680等工艺创新提升能量密度,同时对安全性要求提升。为了实现更长距离的续航,提升电池能量密度是动力电池厂家的核心追求之一。除了电池材料上的创新,CTP(Cell to Pack)、CTC(Cell to Chassis)、4680电池等工艺创新,也将提升电池包的能量密度。但提升电池能量密度的同时,也提升了电池散热、隔热、缓冲、保温等性能的需求,催生了新材料在动力电池领域的应用。从宁德时代发布的专利看,动力电池对聚氨酯等新材料的应用需求提升。

海外材料公司研发电池用新型材料,满足电池安全性需求

以科思创为例,科思创是拜耳集团的子公司,其高科技聚合物材料广泛应用于诸多关键行业,包括汽车、电气和电子、建筑、运动休闲等,2020年实现收入859亿元。为解决碰撞时电池安全问题,采用成熟的拉挤成型工艺,采用耐用聚氨酯树脂和玻璃纤维或碳纤维制作复合框架零件,生产出坚固轻质的电池外壳。

以罗杰斯为例,公司PORON聚氨酯和BISCO硅胶防振衬垫是得到汽车行业认可的解决方案,可以用作减振和隔振材料,能够可靠地提供持续的反弹力,让单体电池成组,同时起到防尘防水密封作用,避免因振动造成损坏。

麒麟电池对于新材料使用存在巨大边际带动。聚氨酯材料的使用已经在传统锂电池中得到验证,随着电池容量的进一步扩大,厂商对于轻量化、缓冲性、导热性新材料的需求将更加旺盛。

公司研发并量产多款动力电池新材料产品。公司2021年中报披露,公司成功研制出多种新能源车配套聚氨酯产品,部分产品已通过客户要求的产品测试,开始小批量生产并试销。

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”。

内部结构独树一臶,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。

气凝胶隔热原理
气凝胶隔热原理

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。

二氧化硅气凝胶制备流程示意图
二氧化硅气凝胶制备流程示意图

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。

2014-2020国内气凝胶需求量快速增长
2014-2020国内气凝胶需求量快速增长

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。

气凝胶作为锂电池隔热材料极具潜力。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。

我过电池出货量将持续保持高速增长
我过电池出货量将持续保持高速增长

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。

绝缘材料:需求稳步向上,新领域带来新增长

绝缘材料是在允许电压下不导电的材料,我国市场规模稳步增长。绝缘材料的电阻率很高,通常在1010-1022Ω〃m的范围内,在直流电压作用下不导电或导电极微。绝缘材料的主要作用是在电气设备中将不同电位的带电导体隔离开来,使电流能按一定的路径流通,还可起机械支撑和固定,以及灭弧、散热、储能、防潮、防霉或改善电场的电位分布和保护导体的作用。我国是最大的电气绝缘材料市场,2020年的市场份额高达占45%,近几年我国绝缘材料行业的市场规模持续扩大,2018年市场规模约为250亿元,目前已经逐渐增长至接近300亿元的规模。

全球绝缘材料市场国家分布
全球绝缘材料市场国家分布

下游应用领域持续拓宽,新领域有望快速增长。从产业链角度来看,上游原料包含有机化合物、高分子聚合物和无机物等,目前下游除了可以用于与传统的电力工业外,还可以用于汽车、新能源和5G通信板块,在碳中和背景下需求有望持续提升。

绝缘材料对保障电工产品长期安全可靠运行具备重要意义。为了防止绝缘材料的绝缘性能损坏造成事故,必须使绝缘材料符合国家标准规定的性能指标。而绝缘材料的性能指标很多,各种绝缘材料的特性也各有不同,常用绝缘材料的主要性能指标有击穿强度、耐热性、绝缘电阻和机械强度等。

气体绝缘材料:能使有电位差的电极间保持绝缘的气体。气体绝缘遭破坏后有自恢复能力,具备电容率稳定、介质损耗极小、不燃、不爆、化学稳定性好、不老化、价格便宜等优点。常用的气体绝缘材料可分为天然气体绝缘材料(空气、氮、氢、二氧化碳等)、合成气体绝缘材料(六氟化硫等)。

液体绝缘材料:又称绝缘油,是用以隔绝不同电位导电体的液体。主要取代气体,填充固体材料内部或极间的空隙,以提高其介电性能,并改进设备的散热能力。液体绝缘材料可分为矿物绝缘油、合成绝缘油和植物油3大类。工程上使用最多的仍然是矿物油。

固体绝缘材料:除了需要隔绝不同电位导电体一般还要求兼具支撑作用。固体绝缘材料种类较多,主要可以分成无机(耐高温、不易老化但加工性能较差)和有机(柔韧、易加工但易老化且耐热性能较差)两大类。无机固体绝缘材料主要包括云母、电瓷、玻璃和其他制品等;有机固体绝缘材料分为天然有机材料(天然橡胶、丝绸、棉布等)和合成有机材料(绝缘漆、塑料和合成橡胶等)。

麒麟电池散热面积增大,对应电接触面积增大后对绝缘漆的需求或将同步提升。绝缘漆由基料、阻燃剂、固化剂、颜填料、和溶剂等组成。按照使用范围绝缘漆可以分为浸渍漆、漆包线漆、覆盖漆、硅钢片漆、防电晕漆等五类,根据产品的特性可应用在各种不同的领域,其中漆包线漆的细分品类较为丰富,应用也相对广泛。麒麟电池结构的变化导致散热面积扩大,未来对绝缘漆的需求也有望提升。

东材科技为绝缘材料龙头,产品盈利能力稳步向上。绝缘材料是公司的传统业务,产销量规模在7万吨左右,目前绝缘材料收入占公司业务50%以上。公司业务以新型绝缘材料为基础,重点发展光学膜材料、电子材料、环保阻燃材料等系列产品,广泛应用于发电设备、特高压输变电、智能电网、新能源汽车、轨道交通、消费电子、平板显示、电工电器、5G通信等领域。随着公司绝缘材料在新领域应用的拓宽和产品的优化升级,毛利率也显著提升,从2018年的15.5%提升至2021年的24.8%。

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