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2015年或将成为电池隔膜行业高速发展元年

来源:中国纺织报 日期:2015年3月20日 11:44

  2015年初,国家及地方政府连续发布大量加快新能源汽车发展的相关政策,不仅提高了汽车市场的活跃度,也使能源汽车的“发动机”——锂电池备受关注,不少锂电池行业投资者开始摩拳擦掌,准备投入抢占市场的大部队中。

  在锂电池的结构中,电池隔膜是关键的内层组件之一,也是技术壁垒最高的一种高附加值材料,约占锂电池成本的20%~30%。隔膜的好坏决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。多名业内人士表示,2015年,或将成为电池隔膜行业高速发展的“元年”。

  “两连跳”阶段企业快速进步

  从电池隔膜行业发展趋势来看,主要呈现两种态势,一种是倾向于更加轻薄的消费类锂电池隔膜,主要针对手机、笔记本电脑以及物联网应用等分布式应用架构体系,提升锂电池的容量和便携性;另一种是倾向于使用厚膜或者多层复合隔膜的动力电池类隔膜,主要针对电动汽车、大规模储能电站等大型动力类应用,要求能量输出和功率特性较好,对安全性要求苛刻,能够兼顾锂电池的容量和安全性能。

  中国膜工业协会负责人张玉冰指出,中国电池隔膜工业不仅面临两大市场,更在经历“两连跳”式跨越发展过程,制膜工艺和生产设备制造能力领先的企业已经在第一波跨越中胜出。

  2012年~2014年期间,是生产工艺跨越引领隔膜工业升级的“第一跳”,该阶段为生产工艺和设备制造能力实现突破的时期,其创新驱动力将以企业自身的产业化工艺研发占据主导地位。在制膜工艺方面具有经验积累,并且在生产设备制造方面具有创新能力的企业已经在本轮隔膜国产化的大潮中脱颖而出。根据膜工业协会发布的2014年数据分析显示,目前已经有佛山东航光电集团、新乡格瑞恩集团等18家企业完成历史跳跃。

  2015年~2020年为材料基础研究能力提升引领隔膜工业升级的“第二跳”。从整个行业生态来看,完成第一阶段的生产工艺升级之后,行业集中度将逐渐提升,龙头企业将继续延伸,通过建设高分子材料实验室等形式提升基体材料研发能力,从而推动整个行业具备基础材料改性和功能性改造的能力,最终以产品功能性差异占据市场。

  隔膜国产化是发展首要任务

  隔膜是锂电产业链技术门槛最高的环节。在我国,锂离子电池原材料已基本实现国产化,但是隔膜材料却主要依靠进口,制作隔膜的关键技术被日本和欧美垄断。隔膜在我国虽已有生产,但是各项指标还达不到国外的水平,有的甚至达不到使用的要求。

  辽宁朝阳立塬新能源有限公司副总经理李荐表示,电池的好坏主要体现在隔膜中孔径收缩发热点控制方面。好的隔膜材料一般在达到160摄氏度左右孔径才会出现收缩现象,而国产隔膜一般在130摄氏度就会出现收缩,这就造成了电池在使用国产隔膜的情况下容易发热,极易造成温度过高,甚至会引起爆炸。“目前国内隔膜产品的品质只能与国际品牌2004年的质量水平相持平。”李荐说道。

  比亚迪新能源股份有限公司技术专家葛天丽表示,高端产品,特别是动力电池对隔膜的一致性要求极高。除了厚度、面密度、力学性能这些基本要求之外,对隔膜微孔的尺寸和分布的均一性也有很高的要求。目前国产隔膜还存在厚度过厚、边角参差不齐、表面晶点过多等现象,严重影响到电池容量、续航能力及批量生产。目前比亚迪在E6、F3DM等产品上均使用进口的Celgard等隔膜产品,而在传统低能电网储能方面所用电池则优先选用国产品牌。

  天津电源研究所教授级高级工程师汪继强指出,虽然国内锂电池隔膜产能增长迅速,但高端隔膜技术尚待突破,隔膜材料仍是我国锂电池产业的短板,采用创新技术推动高端隔膜国产化是首要任务。“从锂电池的发展来看,目前我们仍是代工产业阶段,没有自己的核心技术。从核心技术到设备制造再到技术工人匮乏,我们要想在一个产业链条中整体超越,必须耐下心来弥补研发方面的短板。”汪继强说道。

  三方面提升产品市场适应性

  经过近几年的发展,我国锂电池隔膜已有了长足的进步,然而市场的要求在不断变化,天津工业大学教授郭秉臣指出,为了更好地适应中国锂电市场对隔膜的要求,也为了我国隔膜企业自身健康发展,电池隔膜未来发展需注意以下三个方面。

  首先是提高企业的自主创新水平,确保产品质量的稳定一致性。隔膜企业未来几年应重在研发而不是产业化。隔膜未来的研发重点是新能源汽车动力电池隔膜。在动力电池方面,为了获得高能量、提供大功率,一个电池通常需要使用几十甚至上百个电芯进行串联。举例来说,由于锂电池具有潜在的爆炸隐患,隔膜的安全性至关重要,因此需要重点解决隔膜的耐热性能,生产能在充放电过程中,大面积正、负极短路后仍能保持隔膜完整性的耐高温复合隔膜。

  其次要注重隔膜专用原料的研发。我国隔膜产品与国外的差距,在很大程度上取决于原材料质量不达标。国外知名隔膜厂家很多都自己生产原料,或是同原料厂家联合开发生产隔膜专用料,而国内市场则是“各自为政”的状态,生产与使用断层问题层出不穷。不过值得一提的是,目前南通天丰集团已经联合南京大学与中石化合作开发锂电池隔膜专用材料。

  最后要建造独具特色的隔膜生产线。隔膜生产线工艺性很强,要研发自己的工艺路线,就要建成一批高效率、适合自身工艺特点的生产线。自主研发设计、在全球范围内选择最合适的设备,加上国内成熟的薄膜设备制造、设计企业提供的设备,完全可以满足隔膜生产的需要。

  案例分析

  电池隔膜行业在国内发展时间并不短,但却一直“不温不火”,技术壁垒始终难以冲破。目前来看,隔膜生产按照工艺可分为干法和湿法两大类,本期,我们以湿法工艺为例,探寻国内电池隔膜生产的难度到底在哪里。

  基体原料研发力不足困扰行业发展

  我国湿法隔膜行业发展道路艰辛的最主要问题是基体原材料研发能力不足。生产隔膜所采用基体材料对隔膜力学性能以及与电解液的浸润度等重要指标有直接的关系。

  湿法工艺生产隔膜产品的基体材料包括聚丙烯、聚乙烯材料及添加剂的制备和改性技术。国际主要隔膜供应商日本旭化成和东燃化学以及美国Celgard集团等巨头都拥有自己的高分子实验室,可以独立生产部分聚丙烯、聚乙烯材料。对比而言,我国锂电池企业所采用的基体材料基本都是通过外购,自身研发实力不强。

  在基体材料方面,尽管我国主要依赖进口,但供给相对充足,量并不是现阶段影响湿法隔膜行业发展的主要因素,从行业发展的持续创新能力来看,只有具备基体材料研发和生产能力,我国隔膜企业才能充当世界隔膜产业的引领者。以日本东燃化学为例,与美孚化工合作后,东燃化学采用美孚化工研发的高熔点聚乙烯材料,推出了熔点高达170℃~180℃的湿法PE锂电池隔膜。采用特殊处理的基体材料,极大的提高了隔膜的性能,满足了锂电池特殊用途,也使东燃化学在美国市场的份额增加了38%。

  此外,生产过程精密控制能力不足导致产品一致性指标较差也是影响湿法隔膜行业发展的主要原因。鉴于隔膜产品对产品均一性的严格要求,加强生产过程精密控制同样刻不容缓。

  湿法生产工艺6大环节困扰多难度大

  投料和配料系统。投料和配料的稳定性直接关系到挤出过程的稳定性,并且对厚片和薄膜的厚度产生重要的影响,例如主料和成孔剂的比例是电池隔膜微孔孔径的大小及分布的影响因素之一。所以,投料和配料必须要得到比较高的精度保证,尽量安装电脑精密控制的在线实时计量系统。

  挤出混合系统。该环节在整个湿法工艺过程中尤为重要,需要满足如下的要求:(1)能够具备较强的剪切塑化能力,让主料快速、均匀的塑化;(2)能够具备很好的混合效果,让主料与成孔剂均匀混合;(3)能够让物料与挤出机之间不打滑、不倒流,能够稳定进料。该环节对混合的均匀性以及进料的稳定性计量要求严格。

  铸片冷却系统。该系统需要满足如下的要求:(1)冷却熔体,形成厚片;(2)急冷熔体,降低厚片结晶度,防止球晶的形成;降低厚片结晶度,防止球晶的形成;(3)急冷“塑料-成孔剂”混合物熔体,使成孔剂与聚烯烃产生热致性相分离;(4)急冷厚片表面,使已产生相分离的大部分成孔剂被锁在厚片里面,使成孔剂不容易流走和渗出。该环节对温度控制和冷却速度的控制要求精度很高。

  拉伸系统。拉伸系统是薄膜生产的一个核心环节,目的是使分子链在拉伸的过程中产生取向,从而改善和提高产品的应用性能。经过双向拉伸后的油膜,分子链得到了纵横两个方向取向,而成孔剂也均匀地分布在发生了取向的分子链之间,形成了特殊的“网-油”混合结构。从热力学角度来看,隔膜的微孔或微孔形状已经形成,只是成孔剂仍然占据了孔的位置,堵住了隔膜的孔眼,使得微孔状态很难呈现出来。

  收卷系统。要求收卷张力始终保持在合适的范围之内,并且能够实时调整,锂离子隔膜的油膜由于成孔剂的存在,收卷张力过小容易造成打滑跑偏,而张力过大又会造成纵向碰得太紧产生纵皱,影响后续加工的质量。

  洗涤烘干系统。该环节是湿法锂离子隔膜生产特有的工序过程。该系统的作用是将成孔剂从油膜的孔隙中赶出来或萃取出来,形成能让锂离子通过的微孔结构。洗涤过程要求快速以适应高速生产,要求萃取能力高,以满足锂离子隔膜低成孔剂残留量的要求。

  环境污染问题亟待解决

  电池隔膜湿法工艺需要添加有机溶剂,进而在隔膜用微孔膜制造过程中,可以在溶剂萃取前进行单向或双向拉伸,萃取后进行定型处理并收卷成膜,也可以在萃取后进行拉伸。用这种方法生产的超高分子量聚乙烯微孔膜具有良好的机械性能。

  与干法公司相比,湿法制膜过程相对容易调控,可以较好地控制孔径、孔径分布和孔隙率。但制备过程中需要大量的溶剂,容易造成环境污染,如何降低工艺对环境的危害,是绝大多数湿法企业最头疼的事情。从国际市场来看,日韩厂商采用湿法工艺的公司较多,主要有日本旭化成、东燃化学、三菱化学、韩国SK化学等。

  设备投资成本高

  湿法工艺生产电池隔膜产品,目前所需设备多数为进口,暂时没有整套生产线均为国产设备的情况,其中,搅拌机为100%进口。按月产100万平方米湿法隔膜来计算,总投资估算为6986万元,其中,固定资产投入为3370万元,流动资产投入为1540万元,6个月的原材料安全库存2076万元,其中固定资产投入占比达到48%,令不少企业感觉“压力山大”。

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