【华安证券·产业研究】低空经济产业研究系列之二：关键新材料助推产业链腾飞

原材料价格波动风险；国际贸易摩擦风险；汇率波动风险；行业趋势发生变化；下游需求不及预期风险；产业政策调整；技术路线调整等。

在低空经济的发展中，新材料产业有着不容忽视的重要作用。 新材料行业是国家战略性新兴产业的重要组成部分，对实现创新驱动发展具有重要支撑作用，是世界各国国际战略竞争的焦点，市场规模增长迅速。根据工信部统计，2022年我国新材料产业产值达6.8万亿元，预计中国新材料行业市场规模在2025年达到10万亿元，2022-2025年新材料行业年均复合增速为13.72%。新材料产业在低空经济中扮演着重要的角色，主要体现在提供技术支撑、推动产品创新、促进可持续发展。

低空经济的发展对材料性能提出了高标准、高要求。 低空经济对新材料的应用主要聚焦于低空飞行器，低空飞行器在机身结构、三电系统中将广泛使用新材料。低空飞行器对材料的要求主要有：轻质高强、耐腐蚀与耐候性、高可靠性与安全性、可加工性与可维护性、环保与可持续性。

根据南航通用航空和 volant 联合发布的《客运 eVTOL 应用与市场》对低空经济发展阶段的判断，低空经济将经历导入阶段（2025-2030 年）、爆发阶段（2030- 2035 年）、普及阶段（2035 年以后）。

基于此，我们判断，低空经济相关新材料产业的发展也将经历三个阶段。

在低空经济的导入阶段，即2030年前后，市场应用主要以短途定制化需求为主。 我们预测eVTOL市场保有量将达2.2万辆左右，与我国新能源车1600万辆保有量相比仍然很小，但相对于新能源车，eVTOL对性能的要求更高，对成本相对不敏感。因此，在这一阶段，一些性能优异、当前成本偏高的材料将在低空经济领域得到应用，市场迅速增长。首先，机身材料方面，碳纤维复材作为机身结构件的主要材料得到广泛应用；其次，这一阶段电池和电机的性能将基于当前量级有所提升，在电池领域，我们认为随着半固态电池和全固态电池的产业化加速，在这一阶段将逐步实现对传统液态锂电池的迭代，相关的电解质材料、正负极材料将逐步实现产业化应用。

在低空经济爆发阶段，即2035年前后，eVTOL的多个应用场景落地开花。 公共交通运营将逐渐普及，保有量实现快速增长，电池容量及电机功率有级别上的飞跃，助力eVTOL产品大型化、续航里程增加。因此，在这一阶段，机身结构件材料如碳纤维复合材料的需求量将进一步拉升，固态电池将在eVTOL大型化、长续航的要求下得到广泛应用。

在低空经济的普及阶段，即2035年之后，eVTOL将像新能源车一样更多进入私人市场。 满足各种类、各级别的出行需求，低空经济市场规模进一步提升。eVTOL保有量进一步提升，相关新材料需求将进一步拉升，商业化程度较成熟，eVTOL产业逐渐转向成本敏感型产业，相关材料发展趋势从高性能转向高性价比，降本增效将成为产业关注重点。

飞行器机身结构轻质高强化是性能提升关键，复合材料替代金属材料为总体趋势。 机身重量决定飞行器的飞行时间、速度、机动性、载荷能力以及航程等关键性能，并且其材料的强度、耐用性等性能将直接决定飞行器的耐用性。随着复合材料技术的发展，大型无人机中复合材料用量越来越多，逐渐取代铝合金等金属材料成为主要材料。根据国家材料腐蚀与防护科学数据中心数据，使用碳纤维复合材料结构的前机身段，比金属结构质量减轻31.5%，零部件减少了61.5%，紧固件减少了61.3%，而且抗疲劳、耐腐蚀性能大大提高。

碳纤维复合材料因其轻质高强特性成为eVTOL机身理想材料，在eVTOL机身中占据主导。 碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料，在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分明显，比钢铁材料轻50%，比铝材轻30%。将碳纤维复合材料用于eVTOL，能够帮助机身整体重量减少30%-40%，碳纤维的轻量化设计不仅提高了eVTOL的搭载能力，还改善了能量消耗和续航里程。在eVTOL中，复合材料使用量占所有材料使用量的比例超过70%，其中90%为碳纤维复合材料。根据 Stratview Research 的数据， eVTOL 使用的复合材料中，约有75-80%将用于结构部件和推进系统，其次是梁、座椅结构等内部应用，占12-14%。电池系统、航空电子设备和其他小型应用组合起来将占剩余的8-12%，碳纤维复合材料主要用于结构部件和推进系统，包括框架、翼面和螺旋桨。

高载重eVTOL采用航空航天级高性能碳纤维，多为T700/800及以上型号。 一般来看，T300碳纤维在局部结构件中进行使用，而机翼主梁和旋翼更多使用T700或T800碳纤维。同时碳纤维型号选择受eVTOL机身重量影响。较低载重级别的eVTOL，采用T300到T700碳纤维；而较高载重级别的eVTOL，采用T800级以上的碳纤维较多，如Overair公司的Butterfly（最大起飞重量2000kg）原型机采用东丽新一代T1100碳纤维，搭配3960环氧树脂预浸料，用于建造试飞飞行器上的主要机身部件，Joby S4（最大起飞重量2400kg）的核心承力结构广泛采用了东丽T800和T1100规格的碳纤维。eVTOL的大型化趋势将为高性能碳纤维带来更多市场空间。

eVTOL有望带动碳纤维约5000吨需求。根据中国复材工业协会，eVTOL 使用复合材料占其自重可达 70%以上，且其中超 90%复合材料是碳纤维。 根据前文预计，2024-2030 年国内 eVTOL市场需求量为 2.2万架，应用以短途定期载客飞行、企业和私人包机、医疗转运及空中游览飞行为主。初代主流客运机型性能航程为150-200 公里，速度为200-250公里/时，载客量为4-5 人。以峰飞五座载人eVTOL产品V2000EM（盛世龙）为例，其起飞重量2000公斤，可载5人，巡航速度可达200公里/小时。机身占最大起飞重量比例为25%-30%，合理假设单台 eVTOL 复材重量占其机身结构重量比例为 70%，碳纤维复材占全部复材比例为 90%，其中碳纤维在树脂基碳纤维复合材料中占比约为65%，以此估计单台 eVTOL 碳纤维需求量约为204.8-245.7kg。若按2030年国内eVTOL保有量为2.2万架，估计eVTOL产业将为我国碳纤维产业带来约4504.5-5404.4吨需求。随着应用领域和大吨级eVTOL市场的开拓，碳纤维需求规模将会进一步增加。

2023年碳纤维复材与碳纤维需求下跌，低空经济或成新增长点，预计2024年碳纤维市场规模将超170亿元。 2023年，中国碳纤维复合材料需求量与碳纤维需求同步降低，碳纤维复合材料总需求量为106,269吨，对比2022年的114,506吨，降低了7.2%；碳纤维总需求量2023年下降至6.9万吨，相较于2022年减少7.2%。需求降低的主要原因在于风电叶片、体育休闲、航天航空等传统主流碳纤维需求有所减量，但长期来看碳纤维未来增长预期较为稳定；同时凭借飞行汽车、低空经济等应用场景，在长期的需求用量上，碳纤维材料的市场渗透率还有可观的上升空间，市场规模仍会稳步扩大。根据中商产业研究院数据，2022年中国碳纤维市场规模为128.1亿元，同比增长20.69%。预计2024年将达171.4亿元。

中低级别碳纤维已完成国产化，航空航天级碳纤维国产化空间较大。 中国碳纤维产能已经成为世界第一，占全球市场的1/3。根据赛奥碳纤维数据，2023年，国产碳纤维在国内市场的占有率达到76.7%，创下历史新高。2023年T300/T400级别碳纤维产能占比约为62%；T700/T800级别碳纤维产能占比仅约35%。纤维下游应用结构反映高性能碳纤维国产化率较低，根据赛奥碳纤维数据，2023年我国体育休闲、风电叶片领域的碳纤维应用占比高于全球，但航空航天的碳纤维应用需求占比仅为11.8%，低于全球的19.1%，说明国产高性能碳纤维供不应求。国内仅有部分厂家实现T800碳纤维的供给，如中复神鹰、江苏恒神等，高性能碳纤维壁垒依然较高。

电动化为低空飞行器的主要动力路线。 《通用航空装备创新应用实施方案(2024-2030年)》指出，以电动化为主攻方向，兼顾混合动力、氢动力、可持续燃料动力等技术路线，加快航空电推进技术突破和升级，开展高效储能、能量控制与管理、减排降噪等关键技术攻关。到2030年，以高端化、智能化、绿色化为特征的通用航空产业发展新模式基本建立，支撑和保障“短途运输+电动垂直起降”客运网络、“干-支-末”无人机配送网络、满足工农作业需求的低空生产作业网络安全高效运行，通用航空装备全面 融入人民生产生活各领域，成为低空经济增长的强大推动力，形成万亿级市场规模。

eVTOL电池成本占比高，电池产业有望迎来新增长。 一般情况下，机载三电系统成本占eVTOL整机成本接近50%，电池成本占其中的四成，综合计算得电池成本约占eVTOL整机成本的20%。根据高工锂电研究所的预测，预计2040年eVTOL将带动相关电池市场规模超万亿元人民币。

eVTOL电池为技术制高点，性能要求“三高一快”。

高能量密度： 电池的能量密度指电池单位质量所能储存的电能的多少。理想的商业电动飞行需要电池能量密度提高到 400 Wh/kg 以上。目前，不同厂商不同型号的车用液态锂电池的能量密度在100-300Wh/kg区间，暂时无法满足eVTOL电池的需求。

高功率密度： 电池的功率密度指电池单位质量所能输出的最大功率，功率密度越高，汽车的加速性能越好，充电速度越快。根据飞行汽车研究实验室的研究，对于固定翼eVTOL来说，在飞行高度300-600米的条件下，以200-300公里/小时的速度航行100公里，所需的电池性能的功率密度为800-1000W/kg。锂电池的质量能量密度主要由正极克容量、负极克容量以及正负极电势差决定。因此eVTOL对功率密度的更高要求推动了电池正、负极材料的升级换代。

高安全性： 极高的安全性也是对航空电池的一大挑战。美国FAA和欧盟EASA分别要求飞行事故率在千万分之一和十亿分之一以下，这对电池的可靠性提出了近乎苛刻的要求。

快充——高充电倍率： 起降等特殊场景要求eVTOL电池的理想瞬间充放电倍率须在5C以上，而目前电动汽车充电倍率基本在4C以下。

液态锂电池性能难以完美满足eVTOL商业化需求，固态电池、氢燃料电池前景广阔。 对于低空飞行领域，兼备高能量密度与高安全性的下一代电池技术是更好的动力来源。当前液态锂电池的材料体系逐渐达到上限350Wh/kg；在高温、低温、碰撞、穿刺等特殊情况下，存在安全隐患，过充、过放等情况可能导致热失控反应，甚至引发火灾或爆炸；此外，锂离子电池的循环寿命相对较短，且在制造过程中对环境影响较大，这些都是制约其在eVTOL领域大规模应用的因素。与之相比，固态电池和氢燃料电池性能更优，更加适配eVTOL商业化运行的需求。固态电池的能量密度在400Wh/kg以上（欣视界当前固态电池450Wh/kg以上，麻省固能当前锂金属电池417Wh/kg以上），且本征安全性较好。氢燃料电池脱离锂电体系，直接以氢气为燃料，其能量密度已达800Wh/kg，高于eVTOL能量密度要求。在充能效率方面，氢燃料电池只需要加注氢气，其效率远高于锂电池及固态电池的充电速度，仅需3-10分钟即可充能完成，满足快充需求。

液态电池向固态电池演变为技术趋势，电解质、正/负极材料将分阶段迭代。 电池迭代将从电解质入手，将固态电解质引入并替代电解液。第一代电池仍有电解液，即为半固态电池，正极材料主要为三元材料、磷酸铁锂、高镍三元、富锂材料等，负极材料主要为石墨、硅碳负极，可能采用预锂化技术提高能量密度；第二代电池将进一步减少电解液的含量，即准固态电池，正极材料转向主要使用高镍三元、富锂锰基等，负极材料则采用硅基负极。最终，在全固态电池中，负极材料采用硅基、锂金属材料，正极材料则包括超高镍、富锂材料。这种迭代路径不仅提高了能量密度，也增强了电池的安全性和稳定性。但是当前全固态电池仍有许多问题亟待解决。电池倍率和低温性能不佳，与高电压正极相容性差；循环寿命较差，急需高能量高稳定性正、负极材料研发；全固态电池中电极/电解质界面阻抗大、界面稳定性不良、界面应力变化等界面问题。

3.1.1固态/半固态电解质匹配eVTOL高能量密度、安全性要求

固态/半固态电解质有望替代液态电解质成为行业主流。 固态电解质成本约占固态电池成本的36%，是固态电池中最核心的材料。相比于液态电解质，固态电解质具有以下优点，更适用于eVTOL：

高能量密度： 固态电解质电化学窗口更宽，可匹配电极电位更高的正极材料，工作电压更高，从而提高电池的效率和能量密度，而液态电池能量密度已接近上限。

高稳定性： 传统的液态电解质在高温或高电流密度下会发生蒸发、分解或反应，导致电解液的性质发生变化，从而影响电池的性能甚至引起爆炸等事故。而固态电解质因为具有固态结构，不易发生蒸发和分解等问题，因此具有更高的稳定性。

高安全性： 由于固态电解质不含液体，因此不会出现泄漏和挥发的情况，避免了因电解液泄漏或挥发引起的安全隐患。

固态电池的电解质主要有聚合物、硫化物和氧化物三种。 固态电解质对应性能的关键评价指标主要包括离子电导率、机械性能、电化学稳定性和电化学窗口（氧化电压）等。聚合物固态电解质由聚合物基体和锂盐构成，具有机械加工性能优、低电极/电解质界面阻抗等优点，但热稳定性有限，室温下离子电导率较低，且使用锂金属作为电池负极时，锂枝晶生长的问题难以控制。氧化物固态电解质通常对环境空气和高温更为稳定，且原料易于获得，商业化进程较快，但离子电导率低。氧化物固态电解质中 O 被 S 取代后即硫化物固态电解质。S 的原子半径和极化率大，造成晶格畸变形成较大的离子通道。S与 Li+间结合力较弱，体系内可移动载流子数量大，因而硫化物固态电解质表现出较好的离子电导性，最有望取代液态电解质。但硫化物电解质存在空气稳定性差、电化学稳定窗口（ESW）窄、制备条件复杂、充放电稳定性低、与电极材料的界面稳定性低等缺点，商业化进展较慢，但已有部分企业布局硫化物技术路线。

半固态/固态电池产业化加速，固态电池仍处于科研攻坚阶段，国内企业布局eVTOL航空领域。 根据中商产业研究院数据，2023年中国固态电池的市场空间达到约10亿元，预计2024年中国固态电池市场空间将达到17亿元，2030年将增至200亿元。在产业化进展方面，半固态电池商业化加速，已有企业能实现量产，固态电池仍处于攻坚期。多数企业预计在2026-2027年实现半固态电池产业化，2028年以后实现全固态电池商业化；在eVTOL布局方面，不少电池企业已和eVTOL制造企业深度绑定，共同研发适航电池或者将自身产品直接交付于eVTOL企业。例如，宁德时代表明凝聚态电池正在进行民用电动载人飞机项目合作开发；中创新航与小鹏汽车深度绑定；亿航智能与欣界能源（原欣视界）、国轩高科均有战略合作；麻省固能电池正在联合峰飞航空进行测试；孚能科技电池已获时的科技定点；正利新能、孚能科技、亿纬锂能均与国外厂商有合作；其他厂商例如清陶能源、卫蓝新能源正在提升电池能量密度并加强与新能源汽车企业的合作，太蓝新能源电池能量密度已突破720Wh/kg，应用领域广阔。

国内固态电解质主要选择氧化物和硫化物路线，适配高比容正负极材料。 在技术路线选择方面，电池厂商技术路线已向固态电池开拓，行业主要选择氧化物和硫化物路线，聚合物较少。目前氧化物路线的固态电池商业化进程较快，硫化物路线正在加速产研突破。电池正极材料多采用高镍路线，富锂路线也在加速试验；负极材料多采用硅碳负极和锂金属负极。固态电解质配合高比容负极将合作提升电池的能量密度。

氧化物电解质综合性能较好，国内商业化进展快，核心痛点在于离子电导率低和界面接触问题。 氧化物电解质展现出良好的电化学稳定性和热稳定性，电化学窗口宽，可以在高压平台下运行，并且原材料成本较低、加工技术成熟，有望较快实现商业化。但是要实现商业化面临着离子电导率低和界面接触问题。与硫化物固态电解质相比，氧化物电解质的离子电导率相对较低，限制了其在高功率密度应用中的性能，为了提高离子电导率，研究人员正在探索新的材料配方、纳米结构设计以及界面工程策略。由于氧化物电解质通常较为坚硬和脆性，导致与柔性电极材料之间的接触不够紧密，界面电阻增加，会影响电池的充放电效率和循环稳定性，界面接触问题的解决方向主要有界面改性技术，包括使用缓冲层、涂层或优化电极材料的微观结构。

硫化物固态电解质离子电导率高，核心痛点在于空气稳定性差、电化学窗口窄等问题，距离大规模产业化存在技术突破空间。 硫化物电解质是目前离子电导率最高的固态电解质，同时相比于液态电解质，其固态性能使其能兼容更高比容的正、负极材料，在理论上能够提供更高的能量密度。但目前硫化物固态电解质仍主要处于研究和开发阶段，尚未实现大规模产业化应用，核心痛点在于硫化物电解质空气稳定性、电化学稳定性差。由于S对水分和氧气非常敏感，容易在接触空气时发生分解，生成有毒的硫化氢等副产品。这种敏感性要求在生产、加工、储存和应用过程中都必须在严格的干燥和惰性气氛条件下进行，增加了制造成本和工艺复杂性。此外，硫化物固态电解质的电化学窗口相对较窄，这意味着它们在高电压下可能不稳定，限制了与高电压正极材料的兼容性。这可能导致电池在充放电过程中电解质分解，影响电池的循环稳定性和安全性。目前研究人员正在探索新的合成策略、添加剂、涂层技术以及与其他材料的复合，以提高其空气稳定性和电化学窗口，同时降低界面电阻和成本。

3.1.2高比容量、快充性能优异，硅基负极材料进入上升期

硅基负极显著提升电池能量密度，助力电池性能迭代。锂电池的质量能量密度主要由正极比容量、负极比容量以及正负极电势差决定。 目前商业化的锂离子电池主要采用石墨作为负极材料，其理论比容量为372mAh/g，其能量密度提升已遭遇瓶颈。硅基负极材料的理论比容量高达4200mAh/g左右，是传统碳负极材料的10倍左右，这意味着使用硅负极材料可以在相同体积和重量的情况下存储更多的能量，是提高电池能量密度的技术突破点。但由于硅负极在充放电过程中会发生体积膨胀，特别是当硅与锂反应时，体积膨胀可以达到420%，会造成严重的安全问题。因此，硅碳复合材料和硅氧复合材料是硅基负极的主要技术路线。硅氧负极体积膨胀率小，且具有较高的电导率和较低的电化学反应电位，具有良好的循环稳定性，但目前成本较高。硅碳负极材料比容量高，具有一定的成本优势，膨胀系数低于硅负极，但依旧较高。

“硅基元年”已至，市场规模迅速扩大，即将打开百亿市场。 中国硅基负极市场规模在2023年显著增长，业内称之为“硅基元年”。2019-2023年，硅基负极行业市场规模从3.71亿元增长至76.38亿元，CAGR为83.12%，预计2029年将达到123亿元，届时占全球市场规模将达40.02%。

供需齐拉升，硅基负极材料企业积极布局。 根据GGII统计，2023年，我国硅基负极出货量为5.82万吨，同比增长87.74%，2019-2023年五年CAGR为73.52%，预计2024年硅基负极材料出货量将进一步增长至6.36万吨。从产能方面来看 ，2023年我国硅基负极现有产能6.59万吨，规划产能34.1万吨。硅基负极上游材料企业贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、胜华新材、国轩高科等均在积极建设大规模标准化产线。贝特瑞现有硅基负极产能5000吨/年，此外深圳在建硅基负极一期1.5万吨预计会在2024年陆续建成投产；杉杉股份4万吨硅基负极材料项目开工，预计于2024年初投试产；璞泰来目前中试车间已完成建设，年产能1000吨左右；未来各企业将根据市场需求逐步释放产能。

3.1.3高比容量、高电压和低成本，富锂锰基正极材料未来可期

富锂锰基材料具有高比容量、高电压和低成本等性能优势，适配固态电池。 正极材料对电池的能量密度及安全性能起主导作用，且正极材料成本占电池成本的31%，是固态电池关键材料之一。由于液态电解质的浓度梯度问题与低电压平台局限，电容量较高的正负极材料与目前的液态电解质无法适配。固态电池使用的固态电解质，具有较高的化学稳定性，绕开了液态电解质的浓度梯度问题，同时对锂金属负极的锂枝晶的形成及硅的膨胀起抑制作用，其较高的电化学平台对富锂锰基等新型正极材料的应用提供了理论使用可行性。对比主流三元正极材料，富锂锰基正极可以在容量上至少提升30%，能有效满足固态电池对高能量密度的要求。富锂锰基电池的额定电压约4.5V，稳定超过三元锂电池约3.7V的额定电压，能在高电压环境中稳定工作。由于锰与钴和镍相比具有成本优势，且全球锰矿储量甚至还远多于镍矿，富锂锰基材料具有显著的成本优势。因此将锰代替镍和钴加入正极材料具有显著的降本效应。同时锰可以作为稳定剂，有效保障正极材料的安全性。综合以上优势，富锂锰基材料有望成为未来固态电池的最优选择。

潜在市场空间广阔，大公司均开展布局。 目前富锂锰基材料商业化应用尚处于起步阶段，在广阔的开发前景与应用空间支撑下，富锂锰基产业未来潜在市场空间有望达到千亿级别。预计到2026年，富锂锰基应用市场规模将超过1700亿元。宁德时代、中创新航、蜂巢能源、国轩高科、孚能科技等头部电池公司均公开披露，将富锂锰基等高锰材料列为重要研发项目；宁夏汉尧、当升科技、容百科技等公司接连开启富锂锰基产业化送样与量产。例如，宁夏汉尧已建成全球第一条富锂锰基正极材料产线，实现富锂锰基正极材料批量化生产，目前在银川、宜春、泰安、郴州拥有生产基地，并且在新疆昌吉启动了新建正极材料项目；当升科技已向国内外多家头部电池客户实现百公斤级出货，性能指标获客户高度认可；容百科技表示富锂锰基样品已送样国内外多家电芯企业进行测试，目前材料仍处于研发中，需要克服成本问题，后续会朝高容量、高电压方向研发。

资本市场关注度较高。 宁波富理电池完成战略融资，由中启资本领投，该公司现已建设百吨级的富锂锰基正极材料中试生产线；2023年初，宁夏汉尧宣布完成6.5亿元B轮及B+轮融资，由中信金石、洪泰基金、申万投资及申万创新投资联合领投，东方三峡、中科光荣、新域资本等多名基金跟投；2024年1月，陀普科技全球首批量产车规级富锂锰锂电池已经顺利通过国家强检认证；2月6日，该公司完成近千万元Pre-A轮融资，主要瞄准富锂锰电池赛道，已成功攻克了富锂锰锂电池的核心痛点问题，资本市场关注度迅速攀升。

我国氢燃料电池市场规模持续增长，主要受益于加氢站不断建成、氢燃料电池产业趋于完善和氢燃料电池系统成本下降。 中商产业研究院数据显示，2022年市场规模约160亿元，同比增长166.67%，2023年约为230亿元，预计2024年市场规模将达297亿元。

氢燃料电池能量密度高，为低空飞行器提供长续航动力源。 氢燃料电池能量密度已达800Wh/kg，高于eVTOL能量密度要求，其能量密度理论上限为20000Wh/kg，目前功率密度为600W/kg，低于eVTOL的要求。氢锂结合成为较为理想的动力源方案，电动垂直起降飞机（eVTOL）的功率要求为爬升＞悬停＞下降＞巡航，燃料电池可在低负载部分（如巡航阶段）提供恒定功率，而在高负载部分（如起飞和降落阶段）锂电池补充燃料电池的功率。此外，燃料电池还可以在负载较低时为锂电池充电。通过与锂电池或超级电容组成混合动力系统，既能够提供垂直起降的高功率，又能实现固定翼模态飞行时的长续航能力。氢燃料电池在未来不断发展过程中，更适合于低功率长时间运行的飞行阶段。

氢燃料电池系统成本持续下探，催化剂等电堆材料为降本关键。 氢燃料电池目前还未在eVTOL上具有成熟应用，故以氢燃料汽车的各部分成本占比做初步参考。2023年燃料电池汽车成本结构发生较大变化，燃料电池系统成本占比由2020年的约69%降低到2023年的约52%，预计到2025年将进一步降低到约41%。中国一汽研发总院动力总成开发部部长曲函师表示，电堆价格已经由过去的每千瓦1万元下降至了每千瓦2000元-3000元，预计到2030年可以下降至每千瓦1000元甚至300元。从成本结构看，燃料电池电堆占据燃料电池系统成本60%的比例，催化剂、双极板、质子交换膜占到燃料电池电堆成本的75%，气体扩散层占比12%。催化剂的降本关键在于找到贵金属铂的替代材料，以实现催化剂的低铂和非铂化；质子交换膜技术仍存在工艺周期长、成膜的成本高等难点，主要源于其原料特殊和生产工艺复杂，尤其是需要用到昂贵的氟资源，降本空间在于新材料的研发和工艺的改进；气体扩散层用碳纸的制造工艺最复杂，碳纸的石墨化阶段可全面提升碳纸的导电性、导热性以及力学性能等，此工序需要在2000°C以上的高温下制备，设备和工艺成本较高，目前主要由国外企业垄断，降本关键在于推进高温石墨化设备的全面本土制造。

氢燃料电池预计将在2035年以后在eVTOL上得到大规模运用。 根据南航公司与沃兰特共同发布的《客运 eVTOL 应用与市场》预测，在2035年及以后，eVTOL进入普及阶段，现有电池（锂电池为代表）容量及电机功率进一步提升并逼近理论上限，新一代能源（比如小型化、高效的氢燃料电池）开始得到应用。

3.2.1 氢燃料电池电堆核心材料之一：催化剂

催化剂材料是提高电化学反应效率的关键，成本占总电池的36%，铂系催化剂为目前唯一商用催化剂。 在燃料电池的电化学反应中，主要涉及两个反应，分别是阳极的氢氧化（HOR）和阴极的氧还原（ORR）。虽然阳极的电化学反应速度较快，但阴极的反应过程相对缓慢，因此需要借助催化剂来提高阴极的反应速率，以确保氢和氧能够以最佳速率稳定地进行反应。催化剂是燃料电池中关键材料之一，关系到燃料电池电堆的性能和寿命，其成本占到燃料电池总成本的36%。铂基催化剂是最理想、也是当前唯一商业化的燃料电池催化剂材料，能较大限度的降低电极反应活化能，促使氢和氧以最佳速率稳定地发生反应，进而提高发电效率。

我国铂资源极度匮乏，储需缺口巨大，商业化前需解决降本问题。 我国铂资源稀缺导致其价格昂贵，对于燃料电池大规模商业化是个极大的阻碍。我国铂族金属极度匮乏，目前仅占全球铂族金属资源量的0.4%，然而我国铂消费量居世界之首，资源缺口较大。目前单克铂的均值价格为237元，每辆燃料电池乘用车的铂材成本约为11850元，大巴为23700元，降本问题仍需解决。

低铂催化剂和非铂催化剂仍处于研究阶段，短期内铂系催化剂无法被替代，市场空间仍将稳步增长 。铂金属的高昂成本使得研发人员将目光转向低铂以及非铂催化剂。低铂催化剂通过优化铂的分散度和与载体的相互作用，能够在减少铂用量的同时保持较高的催化活性；非铂催化剂完全摆脱了对铂族金属的依赖，通常由过渡金属-氮-碳化合物组成，因其低成本、长寿命和环境友好性而备受关注。但目前非铂催化剂的活性和稳定性相较于铂基催化剂仍有差距，特别是在高功率密度下的性能和长期稳定性方面，仍需要进一步研发以实现商业化要求，短期内仍将使用铂系催化剂。根据QYResearch调查统计，2022年全球铂基催化剂市场规模约为931亿元人民币，到2029年市场规模将接近1245亿元，2023-2029年复合增长率CAGR为4.3%。

3.2.2 氢燃料电池电堆核心材料之二：双极板

燃料电池双极板是燃料电池重要部件之一，重量占据质子交换膜燃料电池电堆的80%，成本占据约23%。 双极板由两个相互绝缘的电极组成，主要作用是分隔阳极和阴极反应气体，同时收集和传导电流，以形成电势差，实现电能的输出。

双极板材料主要有石墨、金属、复合材料三种。

石墨双极板产业链成熟，具有良好的化学稳定性和导电性，但脆性大。 石墨双极板为质子交换膜燃料电池目前最广泛的选择，主要系其良好的化学稳定性和导电性，同时产业链成熟。石墨具有较高的导电性，并且石墨具有热稳定性和良好的耐腐蚀性，在高温和酸性环境下也可以正常工作。但石墨材料脆性大，可能在机械加工或使用过程中发生破裂，并且与金属双极板相比，石墨双极板的制造成本较高。目前石墨双极板主要应用于中小功率型电堆，如商用车领域。技术改进方向为改进加工工艺，降低成本和提高机械强度。

金属双极板具有较高的机械强度和抗冲击性，可以做得非常薄，易于加工成形。 但金属双极板耐腐蚀性差，在酸性反应环境中容易受到腐蚀。目前金属双极板因其高机械强度和薄型化优势，在高功率型电堆和乘用车中得到了广泛应用，例如丰田Mirai采用的就是金属双极板。技术改进方向主要为平衡金属材料的耐腐蚀与导电性能，比如开发新的涂层技术以提高耐腐蚀性或通过表面改性提高其耐久性。例如金属氮化物涂层、金属碳化物涂层、金属氧化物涂层等。

复合材料双极板综合了石墨板和金属板的性能优势，但性能和成本仍有待优化。 尽管通过优化可以满足使用要求，但其导电性和热导率通常低于石墨和金属双极板，且制备工艺复杂，成本较高。一般适用于需要平衡成本和性能的应用场景。技术改进方向主要为降本和性能提升，比如优化材料配比，调整导电填料和树脂的配比，提高双极板的导电性能和机械强度，通过模压或注射成形工艺进行批量化生产，降低制造成本，使用碳纤维、碳纳米管等增强材料，提高双极板的整体性能。

石墨双极板为最大双极板市场，全球市场规模16亿元，国内市场规模达8.4亿元，预计未来将保持14%的增长率。 全球双极板的核心厂商包括Dana，Cell Impact等，前五大厂商约占有全球45%的份额。亚太是全球最大的市场，占有大约42%的市场份额，之后是北美和欧洲，分别占比35%和16%。就产品而言，石墨双极板是最大的细分市场，份额约为60%，广泛应用于质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。2023年全球石墨双极板市场销售额达到了2.69亿美元，预计2030年将达到6.61亿美元，年复合增长率（CAGR）为13.9%（2024-2030年）。根据高工氢电产业研究所（GGII）调研数据，2023年国内氢燃料电池双极板出货量达到700万副，其中石墨双极板（含复合）占比超过60%，为国内主流双极板类型。一副石墨双极板一般含有两个单片，单副石墨双极板价格已可以下探到200元以下。根据以上数据估算，2023年国内氢燃料电池石墨双极板市场规模已达8.4亿元。

石墨双极板基本实现国产化，行业集中度较高，CR5市占率超80%。 目前我国石墨双极板技术较为成熟，国内石墨双极板技术发展十分迅速，基本实现国产化。石墨双极板行业的市场集中度相当高。根据高工氢电产业研究所（GGII）的调研数据，2023年国内实现石墨双极板出货的厂商数量达到16家，其中市场出货CR5市占率超过80%，市场集中度较高。2023年中国氢燃料电池石墨（含复合）双极板出货TOP5企业分别为：华熔科技、神力科技、上海弘枫、国鸿氢能、金亚隆，其中第三方石墨双极板厂商占3家，燃料电池厂商占2家，前五大厂商仍有扩产计划。

金属双极板市场集中度高，新进厂商增多。 根据高工氢电产业研究所（GGII）调研数据，2023年国内氢燃料电池金属双极板出货量达到将近290万副，占氢燃料电池双极板总出货量比例超过43%。从市场集中度来看，据GGII调研统计，2023年国内实现氢燃料电池金属双极板出货的厂商（含自产金属双极板的燃料电池厂商，含外资）数量达到18家，其中市场CR5市占率超过75%，市场集中度仍然较高。随着新进厂商陆续出货，市场竞争程度增加，将进一步推动金属双极板提质降本。按照双极板出货 量统一口径，2023年国内氢燃料电池金属双极板出货TOP5企业分别为：治臻股份、三佳机械、博远新能源、国氢科技、常州翊迈。

3.2.3 氢燃料电池电堆核心材料之三：质子交换膜

质子交换膜是电堆核心材料，成本约占电堆的16%，其性能决定燃料电池性能及寿命。 质子交换膜是分隔电极的薄膜，其高质子传导率与低电子传导率决定了它具有质子选择性透过性能，迫使电子通过外电路传导，达到对外提供能量的目的。质子交换膜处于膜电极中心，将阳极催化层产生的质子转移至阴极催化层，与氧气反应生成水，并作为物理屏障将阳极燃料与阴极燃料分开，避免二者直接接触。其良好的耐腐蚀、热稳定性等性能将提高电池的寿命。

全氟磺酸质子交换膜是目前质子交换膜市场的主流产品。 全氟磺酸质子交换膜的主链由高度疏水的碳氟骨架构成，而亲水的磺酸基团分布在侧链上。这些磺酸基团容易聚集形成富离子区域，这些区域彼此相连形成有利于质子传递的通道，从而具有较高的质子导电能力。同时，由于主链的碳氟结构，全氟磺酸质子交换膜还具有优异的化学稳定性、水稳定性和较高的机械稳定性，现广泛应用于燃料电池领域。除了全氟磺酸质子交换膜，还有其他类型的质子交换膜也在积极研发中，如部分氟化聚合物膜、非氟聚合物膜等，以期在特定应用领域中替代或补充全氟磺酸质子交换膜。

氢燃料电池质子交换膜需求量空间巨大，全氟磺酸质子膜市场规模有进一步提升空间。 我国《节能与新能源汽车技术路线图》提出2020、2025以及2030年燃料电池汽车发展目标为1万辆、10万辆以及100万辆，预计2030年将带来质子交换膜需求量约2640万平，市场空间可达132亿元。产品类型而言，全氟磺酸膜是最大的细分市场，占有约61%的份额。中国全氟磺酸质子交换膜市场在过去几年变化较快，2023年市场规模为3.6亿美元，约占全球的28%，预计2030年将达到9.36亿美元，届时全球占比将达到33%。

我国质子交换膜厂商东岳集团已位列全球前五，但国产市占率仍有较大提升空间。 全球质子交换膜核心厂商有Gore、Chemours、Asahi Kasei、AGC和东岳集团等，前五大厂商占有全球大约71%的份额。尽管我国东岳集团在全球的市场份额已位居全球前五，但国产公司市占率仍有较大提升空间。2021年戈尔占据我国燃料电池质子交换膜85.0%的市场份额，国产质子交换膜市占率为 11.6%，其中东岳市场份额仅为9.0%。

国产质子交换膜综合性能已接近国外产品，核心性能仍有差距。 我国质子交换膜的实验室性能目前正逐步接近国外企业，但在个别关键性能方面仍与国外公司有差距。以质子交换膜厚度为例，刘栢慧等在《不同参数对大功率质子交换膜燃料电池性能的影响》表明，在特定的条件下，催化层厚度为 8微米的质子交换膜燃料电池具有最高的功率输出，并且膜厚度的降低有利于提高电池的工作效率。目前国内8微米的质子交换膜主要是采用戈尔的产品，国产薄型质子交换膜则开始向10微米逼近，部分燃料电池企业已经进行测试验证，预计2024年有望进行装车示范。例如东岳集团质子膜产品DM2276厚度已降至10微米，未来有望继续降低。

质子交换膜实现国产替代的关键在于下游验证以及产能释放。 国产替换最大的难点在于材料体系的适配。批量导入国产质子交换膜意味着原来的催化剂和气体扩散层等材料都需要重新调整，需要产业链多家公司配合测试验证，更关键的是需要有下游客户愿意提供订单和运营测试的场景。目前国产质子交换膜缺乏足够的匹配验证数据，在追求安全可靠的前提下，下游电堆厂商更倾向采购进口产品。对于国内的企业来说，质子交换膜的难点主要在于生产周期长、工艺复杂、生产成本高。据全球氢能统计，2021年我国质子交换膜规划年产能已超过490万平方米，已投产年产能达110万平方米，但仍存在产能利用率较低、产量少的问题，产品主要用于下游厂家试验。近几年我国以东岳集团为首的企业逐步扩大产能，国产化率有望提升。

3.2.4氢燃料电池电堆核心材料之四：气体扩散层

气体扩散层（GDL）在质子交换膜燃料电池中起到关键作用，位于催化剂电极和双极板之间，担当着连接这两个组成部分的桥梁。 燃料反应对气体扩散层具有一系列性能要求：电化学反应时，高电流密度为2A/cm2，有高电腐蚀性，必须具备抗腐蚀性；充当原料气体扩散至触媒层反应的媒介，必须为多孔性透气材料；扮演电流传导器，必须具备高导电性；反应进行时为放热反应，过热将对质子交换膜造成伤害，气体扩散层必须具备高导热性；燃料电池反应生成水会造成性能下降，因此气体扩散层要能将水导出，具备高疏水性。

碳纸为气体扩散层商业化首选。气体扩散层材料按照基材的不同主要由碳纤维纸基材，碳纤维布基材和炭黑纸基材等类型。 其中碳纤维纸凭借制造工艺成熟、具备高电导率、高透气性和高抗腐蚀性等性能、成本相对较低和适于再加工等优点，成为目前商业化的首选材料。

我国是全球最大的氢燃料电池汽车市场，气体扩散层及碳纸需求空间大。 根据梧桐树资本数据，功率为5-50kW的燃料电池主要应用在叉车、观光车；功率为70kW-90kW的燃料电池主要应用于轻卡、乘用车、垃圾车等专用车；功率为90-150kW的燃料电池主要应用于客车行业、物流车、工程车等；功率为200-300kW的燃料电池主要应用于重卡、牵引车。每个膜电极需要用到2片碳纸。保守预计 2025、2030年燃料电池车需求达2万辆、30万辆。考虑燃料电池重卡等工程车辆先行放量，假设2025年燃料电池车平均功率150KW，膜电极功率密度1.2W/cm2 ，碳纸价格600元/平方米；2030年由于客车、叉车、乘用车等车型渗透率提升，假设燃料电池车平均功率100KW，膜电极功率密度提升至1.3W/cm2 ，碳纸价格降低至400元/平方米。则2025年燃料电池汽车碳纸市场需求量50万平方米，市场规模约为3亿元；2030年燃料电池汽车碳纸市场需求量461万平方米，市场规模约为18.46亿元。

碳纸核心技术长期被国外企业垄断，国内从实验室走向产业化。 在全球范围内，燃料电池碳纸生产商主要有日本东丽、德国SGL、加拿大巴拉德等少数企业，其中，日本东丽研发能力强，拥有燃料电池碳纸相关专利多，在全球市场中份额占比大。一直以来，我国燃料电池碳纸基本从以上三家企业进口，国产化程度严重不足。我国碳纸企业发展时间短，国产碳纸在技术指标、批次一致性、设备工艺能耗控制、标准化体系等方面与进口产品之间仍存在一定差距，未来市场存在较大提升空间，难点在于打通碳纤维到碳纸工艺。随着核心技术突破，国产碳纸逐渐从实验室阶段转向生产应用阶段，国氢科技、仁丰特材、国科领纤、上海碳际、厦门大学、上海河森电气等企业和单位也在加快碳纸研发及产能布局，目前已初见成效。

电机性能直接影响eVTOL的垂直起降能力以及飞行能力。 电机为eVTOL提供所需的推力或升力，使其能够垂直起降和水平飞行。电机的功率和扭矩直接影响到eVTOL的性能，如最大起飞重量、爬升率和飞行速度。许多eVTOL采用多旋翼设计，每个旋翼由一个独立的电机驱动。这种分布式推进系统不仅提高了eVTOL的操控性和稳定性，还增强了其安全性，因为即使部分电机发生故障，eVTOL仍能保持飞行能力。

永磁同步电机适配eVTOL高功率、高效率的要求。就eVTOL而言，其电机要求功率密度、转矩密度高，同时螺旋桨驱动电机轴承需承受多方向突加载荷。相比于其他类型的电机，永磁同步电机具有功率密度高、调速范围广、电磁转矩大等优势，并且具有保持全扭矩的能力，非常适合eVTOL在起飞和着陆阶段的动力要求，是其电推进动力系统很有前景的方案。在相同车身体积和电池容量下，永磁同步电机能够做到节能20%，纯电续航里程显著增加，能够适应eVTOL的长续航要求。

永磁同步电机成本主要在于永磁材料和定子材料，两者之和约占总成本的50%，需要采用新材料以实现性能提升。 永磁同步电机主要由转子、定子和端盖等部件构成。其转子可以制成实心或由叠片压制而成，其上装有永磁体材料，目前的主流材料为钕铁硼，成本构成在30%左右；定子与普通感应电动机的结构相似，采用叠片结构以减小铁耗，目前主要采用硅钢片制作定子铁芯，成本构成在 20%左右，未来有望被非晶带材替代；电机壳、定子绕组和电机轴等成本共同占据总成本的剩余50%。

目前高性能钕铁硼磁性材料因其高磁能积、高矫顽力与高性价比，被广泛用于电机永磁体制备。 高性能的永磁材料是制造高效永磁同步电机的关键。常用的永磁材料包括铁氧体永磁材料、钐钴和钕铁硼等。由性能对比可知，钕铁硼类材料综合性能与性价比最优。普通钕铁硼主要应用于磁吸附、磁选、电动自行车、箱包扣、门扣、玩具等领域，只有高性能钕铁硼可以满足电机的需求。高性能钕铁硼是内禀矫顽力和最大磁能积之和大于60的烧结钕铁硼磁材，根据《新能源汽车驱动电机用烧结钕铁硼磁钢团体标准》（T∕ZZB 1048-2019）用于新能源车电机的钕铁硼磁钢内禀矫顽力为超高矫顽力（UH）、极高矫顽力（EH）和至高矫顽力（TH）。相比于中低性能钕铁硼产品，高性能钕铁硼具有极高的尺寸精度，磁性均匀性和一致性好，易加工成各种形状尺寸，特别适用于高功率、高磁场领域以及小型化、轻量化的各种产品，是目前永磁同步电机的最优选择。

我国钕铁硼产量居世界首位，高性能钕铁硼占比较低，供需缺口仍将存在，eVTOL将带动约3亿市场。 受益于我国丰富的稀土储量，钕铁硼产量逐年递增。百川盈孚数据显示，2023年中国钕铁硼产量为28万吨，同比增长11%。但我国高性能钕铁硼产量占比不足30%。弗若斯特沙利文数据显示，预计到2025年全球高性能钕铁硼产量将达13万吨，中国产量为10.53万吨，占比将达81%。目前高性能钕铁硼的需求集中于新能源汽车以及风力发电等领域，需求扩大依赖于更广泛的应用空间，预计25年中国高性能钕铁硼材料需求量为25万吨，国内供需缺口仍将存在，其中新能源汽车贡献未来三年需求端主要增量。未来，在低空经济领域，永磁同步电机潜在需求大，预计高性能钕铁硼市场需求将进一步扩大。目前，多款eVTOL单机配置电机数量为8~13只，一般均采用永磁同步电机。目前新能源汽车电机需要2~3.5kg 的高性能钕铁硼材料，若假设每台eVTOL电机需用3.5kg材料。根据前文预测，2030 年国内 eVTOL市场需求量为2.2万架，预计eVTOL对高性能钕铁硼的需求将达到616~1001吨及以上，按照300元/kg的单价估算，未来市场规模将增加1.848~3.003亿元。

中低性能产品泛滥，高性能产品企业头部效应明显，关注成本管理和规模经济。 我国稀土资源储量丰富，且中低性能钕铁硼生产技术含量低，市场进入门槛低，大量中小企业涌入市场，产品同质化严重，中低性能钕铁硼产能过剩。高性能钕铁硼产能集中在几家头部公司，中科三环、正海磁材、金力永磁、宁波韵升，合计市占率82%。受下游行业（如新能源车）的高性价比需求影响，高性能钕铁硼厂商的市场竞争力主要体现在成本管理和扩大产量以实现规模经济。目前受各行业对高性能钕铁硼的需求影响，产品性能落后的中小型企业开始逐步退出市场，具备高性能钕铁硼生产能力的头部企业将逐步主导国内市场，国产化率将进一步提升。

非晶电机在高速、高频下性能优势更明显，更适配低空经济场景。 随着驱动电机运行频率的增加, 采用硅钢为电机定子材料的永磁同步电机内部损耗也在成倍增大, 电机内部损耗会使得电机效率下降, 同时在电机内部产生热量导致电机运行温度升高, 直接影响用户体验, 严重时可能危及安全行驶。非晶电机具有损耗低、效率高的特点，在高速、高频下性能优势更明显，且非晶电机功率密度高，可减小体积、节省材料，降低电机的材料成本和电机的其他损耗。与传统硅钢电机相比，非晶电机有两大明显优势。一是非晶材料的电阻率为硅钢片的3倍，厚度仅为硅钢片的1/10，涡流损耗显著低于硅钢片。二是非晶电机的运行效率高达97%，而传统电机最高为87%。因此，在驱动电机、高速主轴电机等铁损占主要部分的高频电机应用场合，非晶电机节能效果更好，有助于提高续航，在eVTOL领域具有广阔的发展前景。

非晶电机已初步实现装机，但距离全面商业化仍有距离，核心在于降本、提高磁密。 非晶电机在低空领域已有应用，清华大学李骏院士团队研制的面向城市交通的智能载人飞行汽车在西安试飞成功，采用高压大功率非晶电机，可提供超过1吨的极限拉力，整机最大起飞重量超过800公斤；小鹏汇天X2飞行汽车上应用了深圳北极鸥的非晶电机。此外，在新能源车领域，2023 年3 月，广汽埃安发布非晶驱动电机——夸克电驱，并已将其用于旗下高端豪华电动车昊铂SSR。该电机可降低电机 50% 铁芯损耗，电机工况效率提升至97.2% ，电机最高效率达到98.5% 。总体来看，非晶电机在飞行汽车的应用已初见成效。就目前而言非晶电机还未得到广泛应用，主要是由于应用于非晶电机的带材饱和磁感应强度较低，无法获得更大的功率密度，其软磁性能对应力十分敏感,而非晶带材在加工过程中难免引入应力，并且由于薄、硬、脆的特点难以加工。同时从成本角度考虑，非晶电机相比硅钢电机仍有较大的降本空间。因此，未来非晶电机在eVTOL和飞行汽车实现全面装机有赖于非晶合金材料的进一步技术突破。

目前非晶带材为主流非晶产品，中国企业产能领先全球。 非晶合金的主要产品为非晶带材，非晶带材经加工后制成铁芯，是变压器和电机铁芯的核心材料。我国非晶带材扩产迅速。2022年中国非晶带材总产量15.07万吨，相比于2021年产量10.81万吨，同比增长39.4%。根据路亿市场策略数据，中国非晶带材市场占有全球约75%的份额，成为全球最大市场。其中，我国制造商青岛云路市场份额为全球第一，占有40%以上的价值份额，其次是日本企业博迈立铖（Proterial）(原日立金属)（20%）和中国企业安泰科技（10%）。

变压器为主要应用领域，非晶电机需求有望释放，关注工艺技术进步。 目前变压器为非晶合金材料的主要下游应用，电机需求逐步攀升。根据中国钢铁新闻网报道，非晶合金电机重点对应有高功率密度需求的中高频电机，市场容量将超过1000亿台以上。根据华经产业研究院测算，2023年非晶带材需求量为11.6万吨，2025年非晶带材需求将达到17.42万吨，2022-2025年CAGR为23.2%。非晶电机实现量产的关键在于非晶带材加工成定子铁芯的工艺进步。施飞等在《非晶电机定子铁芯的制备工艺及最新研究进展》一文中指出，为未来非晶电机的研究方向主要有：调整非晶带材成分或通过合适的热处理制度以提高带材的饱和磁感应强度；为了减少加工过程中应力的引入对非晶定子铁芯性能的影响，可使用微电火花加工或激光加工技术等无应力的加工方式将非晶定子铁芯加工成型；为了降低加工成本，对于结构较为简单的非晶定子铁芯，将非晶带材冲压成型的方式也越来越受欢迎。

碳化硅是实现eVTOL大功率输出、快充和长续航要求的关键材料。 碳化硅（SiC）是一种具有优异物理和化学性质的化合物半导体材料，碳化硅的绝缘击穿场强是硅的10倍，带隙是硅的3倍，这使得碳化硅功率器件能够在更高的电压和温度下稳定工作，同时具有更低的导通电阻和更高的工作频率，碳化硅的热导率大约是硅的3倍，有助于提高器件的散热效率和可靠性。 对于eVTOL而言，大功率输出、快充和长续航是保证飞行器进入商业化运营的关键。 eVTOL在起飞和爬升阶段需要提供足够的推力，因此需要大功率输出；快充是减少eVTOL在地面的等待时间，提高其运营效率和灵活性的关键；长续航能力使eVTOL能够执行更远距离的任务，减少电池更换频率和充电次数，从而降低运营成本。 提高电压平台是实现低损耗和快充能力的关键技术之一。 高电压平台在功率传输过程中损耗较小，提高了系统的总效率，有助于实现大功率输出；高电压充电可以减少充电电流，降低热损耗，加快充电速度，实现快充。 使用以碳化硅为代表的高耐压半导体材料是提高电压平台的技术核心。 碳化硅具有高临界击穿电场强度和宽带隙，非常适合用于高电压应用。使用碳化硅基的功率器件可以显著提高系统的耐压能力及效率。

与新能源汽车相比，eVTOL的电机电控系统成本占比更高。 参考《Lilium Analyst Presentation》，Lilium 公司的eVTOL中航空电子设备与飞行控制器价值量占比约为20%。eVTOL 电控系统在起飞和爬升阶段有高输出功率的需求，对耐压性能要求相对较高，目前碳化硅技术已经可以满足800V高压快充的需求。高价值量高性能使碳化硅电控有望在低空经济领域加速渗透。

碳化硅衬底需求受益于功率半导体器件应用增长，有望迎来高速增长。 根据中商产业研究院数据，2023年全球碳化硅功率半导体市场规模为21.2亿美元，受益于新能源汽车及光伏领域需求量的高速增长，预计2024年市场规模将达26.6亿美元。具体到衬底，2022年全球导电型碳化硅衬底和半绝缘型碳化硅衬底市场规模分别为5.12亿美元和2.42亿美元，2023年市场规模分别达到6.84亿美元和2.81亿美元，分别同比增长33.59%和16.12%。受益于新能源汽车与eVTOL对高电压功率半导体的需求增长，用于核心元件的导电型碳化硅材料有望迎来爆发式的增长。预计到2025年，全球6英寸衬底需求可达672万片，中国6英寸衬底需求可达276万片，全球碳化硅衬底市场需求将达到188.4亿元。

碳化硅器件衬底制造技术壁垒高，价值链倒挂。 碳化硅器件产业链可以分为衬底、外延、器件和应用四个环节，其中衬底占总成本达47%，外延占比23%，上游衬底和外延成本占碳化硅器件总成本的70%，产业链价值集中在上游。这是因为衬底及外延环节专业性非常强，对相关技术和设备的要求很高，是影响碳化硅产能上限的决定性因素。碳化硅衬底的生产过程主要包括原料合成、晶体生长和晶体加工三个重点环节。其中，晶体生长是最核心的工艺环节，而加工环节则是产能的瓶颈。晶体生长的技术难点主要集中在晶体生长环境要求高、长晶速度慢。碳化硅晶体的生长温度超过2300°C，这对温度和压力的控制提出了极高的要求；采用主流物理气相传输法（PVT）生长的碳化硅晶体生长速度慢，且最高仅能生长3~5cm，随着晶体尺寸的扩大，生长难度和工艺复杂度呈几何级增长，因此目前多为4英寸、6英寸。因此，解决碳化硅晶体生长中的技术难点，提高生长速度和晶体质量，是推动碳化硅产业发展的关键。晶体加工的主要技术难点在于切片和薄化过程，这些环节直接影响了衬底的质量和精度。碳化硅的高硬度、高脆性和耐磨性使得切片过程非常困难。传统的金刚石线锯切片方法耗时长，且产生大量废料，导致成本高昂，目前一些企业采用激光切片技术和冷分离技术以提高切片效率。碳化硅的低断裂韧性使得在薄化过程中易开裂，难以实现均匀减薄。目前多采用自旋转磨削技术进行薄化，但存在砂轮钝化和表面损伤的问题。为了优化薄化工艺，正在探索如超声振动辅助磨削和在线电解修整辅助磨削等技术。这些技术可以提高材料去除率，减少表面损伤，从而提高晶片的质量。

目前导6英寸电碳化硅衬底占主流，8英寸有望推动产业链降本，将成为市场主导。 大尺寸碳化硅衬底是衬底技术发展方向，MOSFET主要使用导电型碳化硅，目前6英寸导电型碳化硅衬底为国内外主要企业生产主流，8英寸衬底处于大规模产能释放阶段。随着衬底尺寸增大，可集成的芯片单位总数就越大，根据WolfSpeed数据，碳化硅衬底从6英寸到8英寸，单片衬底制备的芯片数量由448颗增长至845颗，增长比例为89%；边缘损失占比由14%减少至7%，可用面积几乎增加一倍，合格芯片产量则增加80-90％。同时，根据GTAT公司预测，相较于6英寸平台，8英寸衬底可使碳化硅器件成本降低20%-35%。未来随着8英寸碳化硅生产工艺优化改良以及生产设备配套更新，叠加相关产能的不断提升，未来8英寸碳化硅衬底将成为市场主流。

国内企业扩产势头迅猛，6英寸市碳化硅衬底占率稳步攀升，8英寸取得突破。 截至2023年底我国碳化硅衬底产能已超过130万片/年，占全球产能的42%，预计到2026年我国6英寸碳化硅衬底产能将占全球产能的50%左右。日本权威行业调研机构富士经济2024年版《新一代功率器件&相关市场现状和展望》报告显示，在2023年全球导电型碳化硅衬底材料市场占有率排行中，中国天岳先进（SICC）跃居全球第二，天科合达（TankeBlue）市场份额位列第四。国内厂商开始逐渐从6英寸向8英寸衬底拓展布局，目前已超10家企业8英寸碳化硅衬底进入了送样、小批量生产阶段，包括：天岳先进、烁科晶体、天科合达、晶盛机电、南砂晶圆、同光股份、科友半导体、乾晶半导体、湖南三安半导体、超芯星、盛新材料（中国台湾）、粤海金。其中，天岳先进全资子公司上海天岳的临港工厂二期8英寸碳化硅衬底产能建设已经进入实质性阶段，8英寸碳化硅总体产能规划约60万片，将分阶段实施；天科合达宣布8英寸导电型碳化硅衬底晶片已达到量产标准，小规模量产定在2023年。其他企业如三安光电等也已开始铺设产能，其在重庆地区建造的8英寸碳化硅器件厂，预计2025第四季度开始投产，2028年全面建成，达产可生产8英寸碳化硅晶圆10000片/周。

衬底质量、国产化率有待提升，关键在于减少各环节核心设备进口依存度。 尽管我国碳化硅材料产能扩张迅猛，但我国碳化硅衬底产品仍存在内部缺陷，成本率为30%-40%，合格率低至20%-30%。在衬底制备国产化方面，碳化硅衬底需要先制备碳化硅晶体，其制备设备——碳化硅长晶炉已经基本实现国产化。如今碳化硅晶体制备难点更在于工艺而非设备本身。碳化硅晶体生长对各种参数要求高，需要精确控制硅碳比、生长温度梯度等参数，并且生长过程很难监控，对工艺要求非常高。切割是碳化硅衬底制备的首要关键工序，国内外碳化硅切磨抛环节技术路线差距主要在设备的精度和稳定性上，碳化硅切磨抛装备仍以进口为主。目前碳化硅切割设备主要被日本高鸟垄断，占据了70%以上的份额，导致国内厂商生产成本居高不下。

原材料价格波动风险；国际贸易摩擦风险；汇率波动风险；行业趋势发生变化；下游需求不及预期风险；产业政策调整；技术路线调整等。

本报告摘自华安证券2024年11月6日已发布的《【华安证券·产业研究】低空经济产业研究系列之二：关键新材料助推产业链腾飞》，具体分析内容请详见报告。若因对报告的摘编等产生歧义，应以报告发布当日的完整内容为准。

分析师： 任   靖 执业证书号：S0010524010002

联系人：米   楠 执业证书号：S0010124030040