2024年镁行业专题报告：低空经济建设持续推进，镁材料有望打开低空商业化之路

1. 从宏观设计到微观探索，发展低空经济未来可期

1.1. 低空基础设施建设与低空航空器构成低空经济的主体部分

低空经济分为低空基础设施建设与低空航空器，其中低空基础设施建设可分为物理基础设施、信息基础设施以及数字化管理服务系统，低空航空器主要包括无人机、通用航空器和eVTOL。低空经济的基础设施建设被视为高质量发展的核心和基础，其未来发展需要新一代空管信息技术作为新型基础设施，以保证飞行安全并应对民用无人机快速发展带来的挑战。

1.1.1. 我国低空基础设施建设积极推进

各地出台规划推进通用机场等低空经济物理基础设施建设发展。低空经济物理基础设施包括通用机场、起降点、航空器充（换）电设施、中转站、货物装卸区、乘客候乘区以及电池存储设施等。其中通用机场与起降站是低空航空器起降、备降、停放和能源补给的重要场所。根据中国AOPA通用机场研究中心统计，截至2023 年全国在册通用机场449个，同比增长12.5%。其中取得通用机场使用许可证的机场 106 个，通过通用机场信息管理系统完成备案的机场（B类通用机场和仅供直升机起降的 A 类通用机场）343 个。从机场类型来看，2023年跑道型机场占 44.32%，表面直升机场占 29.62%。通用航空规划方面，2022 年国务院印发《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》、《新时代民航强国建设行动纲要》以来，各地方相继制定本地机场建设规划，根据已披露的“十四五”规划整理，预计“十四五”期间将新增通用机场293个。

信息基础设施主要涉及通信、导航、调度系统等方面，是确保低空飞行安全和效率的关键技术支撑。在复杂情况下例如办公大楼区域的物流运输，或人群密集区域的降落等场景中，低空航空器要求要求更精准的导航，需配备相应的地面设施，须进一步增强卫星系统的定位功能。低空经济涉及的信息系统用于飞行器起降地面设施和使用者使用的交互软件，基于低空航空器和使用者的需求不断扩大城市空中交通服务网络。机载系统除了满足航空器内部系统操作简便可控外，需要集中式的远程指挥调度平台自主完成多项任务。

1.1.2. 低空航空器涉及金属零部件、装备制造等中上游产业

从最终产品形态来看，低空航空器可分为直升机、无人机、飞行汽车和eVTOL。其中行业级无人机运行范围为 0-300 米、消费级无人机运行范围为0-120 米；飞行汽车采用陆空一体化设计，相比传统汽车或直升机灵活性更高，可满足使用者的多样化需求；eVTOL具有无需跑道、垂直起降的优势，面对短途飞行性价比更高。飞行汽车与eVTOL 均受到市场以及相关从业者的大量关注。

低空航空器产业链主要涉及金属零部件、装备制造等中上游产业。从产业链结构来看，低空航空器产业链上游为原材料与核心零部件领域，包括金属原材料、特种橡胶与高分子材料等；产业链中游低空经济行业包含低空制造、低空飞行、低空保障与综合服务；产业链下游为各种应用场景，包括旅游业、物流业、文旅业与巡检业等。

1.2. 政策自上而下前瞻规划低空经济发展

十四五规划为低空经济发展构建蓝图。"十四五"期间，中国政府出台的各项十四五发展规划中不断给出关于低空经济建设的指导意见，涉及技术创新、产业升级、基础设施建设、安全管理、服务保障能力提升以及空域管理改革等各方面。政策在具体措施上支持无人机和通用航空产业的创新与应用、鼓励低空旅游等新业态发展、优化空域资源配置、加强飞行服务保障体系、推动 5G 与北斗系统的技术应用以及培育航空文化等，计划不断推动实现低空空域改革的实质性进展，构建合理的航路航线网络，提升通用航空安全与服务水平，同时促进区域经济协调发展和航空产业的整体竞争力。

此外，其他宏观部门发布的一系列政策指引也推进了低空经济的发展。政策内容包括无人机、无人驾驶航空器、eVTOL（电动垂直起降航空器）在内的等低空飞行器的技术创新、产业升级、应用场景拓展、基础设施建设、安全监管等各方面，为低空经济提供了宏观上的远层架构。

2023 年以来各地方政府积极响应宏观政策号召，发布文件推动低空经济发展。2023年以来，北京、苏州、广州等地率先发布政策文件促进低空经济建设，内容涵盖低空飞行器的技术创新、产业生态培育、基础设施建设、应用场景拓展、政策支持与保障等多个方面，具体措施包括对低空经济相关企业给予资金奖励、技术支持、人才引进等激励政策，政策旨在促进低空经济产业的创新升级和市场规模的扩大，形成具有竞争力的低空经济产业集群，推动地方经济的转型升级。

1.3. 最新空域划分扩大低空经济活动范围，eVTOL、无人机有望率先发展

非管制空域范围明确，低空航空器的活动范围有望进一步扩大。2023 年12月31日，民航局出台《国家空域基础分类方法》，依据航空器飞行规则和性能要求、空域环境、空管服务内容等要素，将空域划分为 A、B、C、D、E、G、W 等 7 类，其中，A、B、C、D、E类为管制空域，G、W 类为非管制空域。其中 G 类空域为①B、C 类空域以外真高300米以下空域（W类空域除外）；②平均海平面高度低于 6000 米、对民航公共运输飞行无影响的空域。W类空域划设地域及范围：G 类空域内真高 120 米以下的部分空域。无人驾驶航空器可进入W类空域行驶。

我国通用机场建设与低空航空器渗透率未来有望高速增长。从短期来看，我国低空经济物理基础设施需要进一步完善，如通用机场、直升机起降点、飞行营地、飞行服务站、雷达等，也将迎来快速发展期，以适应低空飞行活动的需求。根据智研咨询的统计，2023年由于政策驱动以及 eVTOL 商业化进程提速的影响，中国 eVTOL 产业规模达到9.8 亿元，同比增长77.3%。预计 2024 年 eVTOL 产业将保持较高增长态势，到 2026 年将达到95.0 亿元，2023-2026年CAGR 达 76.45%。

全球 eVTOL 商业化进展如火如荼，预计在 2025 年开始商业化推广。根据亿航智能《城市空中交通系统白皮书》显示，除亿航智能打造的 EHang 216 产品外，空客、波音、Lilium等大型公司或新兴企业均有打造自己的 eVTOL 产品，并预计在2025 年全部商业化推广完毕。

随着低空交通网络的逐渐铺设完成，低空物流、生产作业有望伴随无人机技术的成熟率先得到发展。从当前低空经济的发展情况来看，无人机是未来2-3 年内的低空物流、生产作业重要载体。低空物流在可达性、灵活性、经济性、时效性等方面具有较高要求，而无人机不受地形限制、空中飞行距离短、运行速度快、大幅提机动性较强的优势可进一步降低运输成本，并节约运输时间。生产作业方面，由于工作环境比较确定，且农林植保、巡检及各类勘测、监测作业等细分赛道均对无人机技术存在需求，因此将无人机广泛应用于各种生产作业活动的未来趋势已较为清晰。

从技术成熟度来看，未来公共服务、载人出行场景受益市场需求和经济效益有望率先取得应用场景方面的进一步突破。根据樊一江,李卫波在《我国低空经济阶段特征及应用场景研究》中的测算，目前低空飞行及相关支持保障技术已相对成熟的场景包括生产作业、货运物流；持续探索完善的场景包括公共服务、文旅活动，距离技术成熟最为遥远的场景是载人出行。如果按场景需求迫切程度排序，低空飞行对公共服务场景的支持最为迫切，其次是生产作业、货运物流，最后是文旅活动、载人出行。按经济效益程度排序，预计载人出行场景最终将释放出巨大的市场价值，其次为货运物流、文旅活动。

2. 镁及镁合金有望低空经济中发挥重要作用

选用合适的制造材料可大幅降低低空航空器的运营成本。根据麦肯锡的预测，与普通直升机相比，电动化水平的提高以及低成本材料的使用将单辆 eVTOL 的制造成本降低约75万美元，从而运营成本平均降低 2-2.5 美元/座/英里，约等于 1/5 的直升机运营成本。镁电池、镁合金结构件由于其独特的性能能够更好满足低空航空器的运行要求，镁价格相比其他金属元素更低廉有望进一步降低 eVTOL 的制造成本。

推进系统、结构件在低空航空器的成本中占比较重，未来有望进一步获得降本空间。根据Lilium 官网的数据，在其生产的 eVTOL 中，推进系统与结构成本占据了制造成本的60%以上；根据亿航智能 600kg 级、2000kg 级 eVTOL 成本构成，动力系统约占总成本的27-28%，机体与内部件约占总成本的 10-12%。

我国镁储量丰富，价格便宜，与锂相比原材料更具备成本优势。镁属于地球上储量最丰富的轻金属之一，在地壳中的含量约为 2%，根据中国有色金属工业协会数据显示，中国是世界上镁矿资源最丰富的国家，总储量及产量均为世界第一。我国金属镁主要来自于白云石和菱镁矿。根据智研咨询的统计数据，2022 年我国白云石产量为1.18 亿吨，同比增长4.8%；根据Wind 的统计数据，2023 年我国菱镁矿储量为 5.8 亿吨，产量为1300 万吨，约占全球产量的60%。价格方面，根据 Wind，截至 2024 年 8 月 9 日我国电池级碳酸锂均价为7.85万元/吨，镁锭价格为 1.951 万元/吨，使用原镁更具成本优势。

2.1. 镁电池：一种理想化的电池技术路线，商业化有望突破

相比于锂，镁作为电池材料更理想化。镁一次电池在1943 年便已开始商业化，这种水激活的氯化银/镁(AgCl/Mg)电池，以 Ag/AgCl 为正极和 Mg 为负极，在水加入后发生放电，电压可达 1.6 V vs Mg，可用于军事和航空航天备用电源。然而，可以充放电的镁二次电池至今仍在不断探索中，目前依然停留在实验室阶段。由于镁的理论质量比容量低于锂但是高于钠，且作为负极时不会产生枝晶，因此金属镁作为负极在使用过程中更安全。但是使用金属镁作为负极依然需要找到合适的电解液来实现镁离子在金属镁表面的可逆溶解和沉积。

2.1.1. 镁离子电池：低价、高效、安全，可充技术路线有望得到广泛应用

镁电池使用高比容量的金属镁直接作为负极，能量密度更高，且安全性能更好。镁的理论质量比容量低于锂但高于钠；Mg2+与阴离子 O2‒或 S2‒结合时会转移两个电荷，且Mg2+的半径接近于 Li+的半径，更具理论体积比容量；此外，镁的氧化还原电压虽低于锂，但明显高于铝和锌的氧化还原电压。电池充放电循环过程中，锂离子在负极侧沉积时，非常容易产生树枝状或苔藓状的枝晶刺穿隔膜，进而导致电池内短路，发生起火等危险。镁离子在金属镁表面沉积并不会产生枝晶，而是以高度紧密堆积的趋势进行，相比金属锂更具安全性。

可充镁离子电池技术路线确定后有望得到商业应用突破。镁离子电池的工作原理与锂、钠等二次电池相似，但是由于镁二价离子具有较高的电荷密度和较小的离子半径，溶剂化作用强，很难像锂离子一样容易地嵌入基质中，使得正极材料的选择比较困难；其次，金属镁负极表面会生成一层致密的钝化膜，导致其难以沉积/溶解，进而限制了镁的电化学活性。目前研究中所涉及的正极材料包括有过渡金属氧化物、切弗里相、硫化物、聚阴离子化合物和其他正极材料，对应电解质包括格林试剂、苯基试剂等液态电解质或无机物、有机物、无机有机复合物等固态电解质。

目前可充镁电池尚未实现商业化，依然停留在实验室阶段。从可充镁电池未来的应用场景来看，由低空信息基础设施建设带来的算力提升，以及低空航空器的充电需求将释放更大的储能需求市场。从当前可充镁电池的研发阶段来看，储能有望成为可充镁电池的未来应用场景。但是，具体到镁电池的电化学反应来看，由于较高的过电位会造成法拉第效率过低，部分电能在充电和放电过程中还会以热能的形式所损耗。因此，降低电化学反应过程中的过电位将是可充镁电池后续从材料和器件设计方面不断改进的一个重要方向。2024 年5 月，日本东北大学提出一种新型岩盐结构作为镁电池负极，有助于镁离子在电池中扩散，从而提高镁离子在电池中的活力，与锂电池相比有更长的工作时长和使用寿命，在下游应用过程中可适应更高强度使用，具备在可再生能源发电储能场景中的应用潜力。

2.1.2. 镁-空气电池（金属燃料电池）：易储存、质轻、污染小，有望用于低空航空器场景

镁-空气电池是一种介于原料电池和原电池的半电池，兼具两种电池的优点。镁-空气电池成本低，无污染，放电稳定，容量大，比能量高，当电池用量用完后，可以更换镁板，实现能量的重新补充，即可设计成“机械式再充电的”二次电池，被誉为未来最具发展和应用前景的新能源。 镁-空气电池是以镁或者镁合金作为负极材料，以氧气作为正极活性物质，氧气通过扩散作用到达气-液-固三相界面，与负极发生反应放出电能。镁-空气电池，以空气为正极，常见的MnO2 体系镁/空气电极借助 MnO2 来收集氧气作为电池的正极材料。镁在中性电解液或弱碱性电解液中有电活性，故可以采用中性盐或弱碱性盐作为电解液，提高镁-空气电池的化学活性，制造出高性能的镁-空气电池。通常采用浓度 3. 5%的 NaCl 水溶液作为电解液。

以中性盐为电解质的镁-空气电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于储运可使用温度范围宽（-20~80℃）以及污染小的特点。作为一种高能化学电池，中性盐电解质镁-空气电池可用于可移动电源、备用电源等应用场景。早在60 年代，美国GE公司就对中性盐镁燃料电池进行了研究。近年来随着科学技术的进步以及军事方面对于高能电池的需求，高性能镁燃料电池成为人们研究的热点之一，并且取得了较大进展。

镁燃料电池应用于电动车电堆相比锂电池具有质量轻、安全、可大量保存、换电速度快的优点，同样满足低空航空器的电源需求，随着相关技术的成熟有望打开低空飞行方面的应用空间。根据 MIJBC 在 2023 年披露的镁燃料电池投资项目，六个最小模块容量为250Wh，最高输出功率为 250W、尺寸 20cm×14cm×10 厘米的镁燃料电池单元组容量达409.2kWh、容量电池 33kg，对比同容量锂电池重量超 200kg。镁燃料电池可通过更换镁燃料卡套实现反复多次使用，并可以在便利店（日本）中购买，通过燃料注入可多次反复使用。根据MIJBC的披露，该项目镁燃料电池可用于无人机、飞行汽车，飞行时间为3 小时，高于锂电池的23分钟，主要形态为手动式、薄膜型、片状、圆盘型四种，均在美国和中国取得专利。

2.2. 受益汽车轻量化应用经验，镁合金有望率先用于低空航空器结构件材料

与其他结构件用金属相比，镁具有比铝和钢更高的强度-重量比，以及更好的延展性和铸造性。此外，镁没有毒性风险，在热和电导性、振动和冲击吸收、以及阻尼能力方面表现更佳。此外镁具有良好的加工性，可以采用任何既定的方法进行成型。镁合金更适合工程与结构件应用。纯镁更适合冶金和化学用途，而不是工程和结构用途。当前采用的主流镁合金铸造方法为在真空辅助的惰性气氛中熔炼和铸造镁合金。化学成分方面，通常合金成分约占镁合金的三分之二。最常见和首选的合金元素是铝和锌，其中铝可用于提高合金的强度、硬度和熔化范围，同时减少其腐蚀性，通过改变合金中的铝含量，可以实现一系列不同的强度和延展性。当锌与镁合金混合，并与杂质如镍和铁混合时，可以增强合金的耐腐蚀性。含铝的优选镁合金包括AZ31 和 AZ91 合金。AZ31 因其低质量密度和良好的机械性能，在飞机工业中得到广泛应用。

压铸镁合金是目前镁合金产品的主要生产方式。镁合金塑性变形加工因α-Mg的晶体结构为密排六方, 比较困难, 常以铸造为主。其中, 压铸由于其具有易于批量生产和近净成形的特点,成为镁合金产品的主要生产方式。目前主流研究开发的压铸镁合金主要分为Mg-Al 系和Mg-Al-RE 系。其中 Al 对镁合金的铸造性能有益, 而 RE 则有利于提高镁合金的强度和高温性能, 因此 Al 和 RE 成为压铸镁合金的主要合金化元素, 在此基础上通常还会添加Ca、Sr、Si、Sn 等元素，Mg-Al 系是最常用压铸镁合金体系。

与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更好的力学性能。高性能变形镁合金有AZ系、WE系和 ZK 系等，按照包含化学元素的不同可进一步分为镁锂(Mg-Li)系、镁锰(Mg-Mn)系、镁锌锆(Mg-Zn-Zr)系、镁铝锌(Mg-A1-Zn)系、镁钍(Mg-Th)系、镁稀土系(Mg-RE、Mg-AI-RE、Mg-Zn-RE)等。其中 Mg-Li 系为超轻变形镁合金，密度比其他合金小15-25%，但其原材料和制备成本较高，主要集中在军工和航天航空领域，Th 因其具有放射性，生产和使用均受到限制，目前最常用的商用变形镁合金主要为 Mg-Zn-Zr(ZK)系和Mg-A1-Zn(AZ)系两大类。

由于镁合金具有优良的切削加工性能和变形性能，在汽车、直升机等的驱动装置、壳体类零部件、传动系统中得到广泛应用。根据 JMACCMg，上海交通大学开发的JDM1和JDM2系列镁稀土合金，已被应用于空天飞行器、直升机、发动机、导弹、卫星等关键部件的研发与批产，在保证力学性能的前提下大幅度降低了零部件重量。在民用领域，采用JDM1镁稀土合金制备的 V6 发动机缸盖和轮毂都经过长时间的台架实验和路试实验也被证明可以有效替代原有材料同时实现轻量化。

无人机、eVTOL、飞行汽车等低空航空器主要由机身、机翼、尾翼、起落架、旋翼叶片、发动机/动力总成组等部分构成，不同的镁基材料可用于解决不同的应用需求。镁基材料如镁基金属基纳米复合材料（MMNC's）具有很好的潜力，一些MMNC's 通过添加少量陶瓷纳米颗粒显示出优异的性能，不仅能增加机械强度，还能增加延展性。使用镁基建筑材料可避免复合材料结构易分层的问题，且镁或镁合金结构的刚性足以确保适度的变形，可应用于航空器结构件，包括螺旋桨、机翼、机身钣金等。根据 Daniel Höche 等学者在《Novel MagnesiumBasedMaterials: Are They Reliable Drone Construction Materials? A Mini Review》中的介绍，设计一架基于镁材料的四旋翼无人机可以通过各个结构部件使用不同的材料来解决，例如：刚性——如 MgZnCa 锻造合金，其屈服强度为306MPa，伸长率为11%； 振动限制——基于 AM60 的纳米复合材料，在室温下具有15.4%的高延展性； 抗蠕变——如新型 DieMag 合金，不含稀土元素，与商业合金相比表现出更好的抗蠕变性能，并且比铝合金 A380 具有更好的高温屈服强度。

镁合金有望借助汽车行业的应用经验打开在低空航空器结构件方向上的应用空间。镁合金仍旧是当前使用的所有金属结构材料当中质量最轻的，采用镁合金可在铝合金的基础上使整车质量再减轻 15%~20%。在汽车轻量化成为汽车工业主要前进方向的背景下，镁是很有前途的金属材料，并已经是很多国家的研发重点。与汽车行业相比，低空航空器对于轻量化材料的需求、高强度、高耐久性材料的应用有更深的创新要求。由于镁合金出色的充型性使其能经济地用于生产大型、薄壁和复杂铸件，未来镁合金压铸件有望朝着大型化、薄壁化和复杂化方向发展，更贴合低空航空器的运行环境需求。

2.3. 镁行业公司积极探索低空领域合作发展机会，镁合金成为热门应用方向

镁材料在低空经济领域的应用正逐渐扩大，推动镁企业与相关企业的合作与创新发展。早在 2015 年零度智控就与誉格压铸展开合作，使用镁合金为制作材料为无人机减重。随着低空经济的兴起以及镁合金研究的进步，合作领域拓展至 eVTOL 和电动飞行汽车。例如，2024年2 月，万丰奥威与知名车企于共研 eVTOL 领域。6 月，嘉瑞国际与小鹏汇天合作电动飞行汽车生产。宝武镁业也与伊之密、大疆、小鹏等低空经济企业在无人机和飞行汽车领域合作。

从当前研发进展来看，镁合金的产品生产与应用技术更成熟，用于低空航空器的镁合金零部件、镁合金压铸件成为行业合作的热门方向。根据公司年报，万丰奥威旗下万丰镁瑞丁为全球镁合金压铸产业的领导者，在产品仿真设计、模具设计以及产品压铸等方面具备较强的竞争优势，同时产品储备丰富，能够完成大型一体化镁合金压铸件的设计与制造；控股子公司正加大电动飞机、eVTOL 等新型航空器的研发。宝武镁业在近年来陆续收购博奥镁铝、天津精密，进一步完善镁合金深加工产品在国内的布局。2024 年，宝武镁业发布《镁及镁合金PCR》填补了全球镁产品生命周期评价技术规范空白，有望从上游技术规范化出发进一步拓展镁及镁合金的应用方向，进一步打开镁及镁合金在低空经济方向的应用空间。

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