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2015年或將成為電池隔膜行業高速發展元年

來源:中國紡織報 日期:2015年3月20日 11:44

  2015年初,國家及地方政府連續發布大量加快新能源汽車發展的相關政策,不僅提高了汽車市場的活躍度,也使能源汽車的“發動機”——鋰電池備受關注,不少鋰電池行業投資者開始摩拳擦掌,準備投入搶占市場的大部隊中。

  在鋰電池的結構中,電池隔膜是關鍵的內層組件之一,也是技術壁壘最高的一種高附加值材料,約占鋰電池成本的20%~30%。隔膜的好壞決定了電池的界面結構、內阻等,直接影響電池容量、循環以及安全性能等特性,性能優異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。多名業內人士表示,2015年,或將成為電池隔膜行業高速發展的“元年”。

  “兩連跳”階段企業快速進步

  從電池隔膜行業發展趨勢來看,主要呈現兩種態勢,一種是傾向于更加輕薄的消費類鋰電池隔膜,主要針對手機、筆記本電腦以及物聯網應用等分布式應用架構體系,提升鋰電池的容量和便攜性;另一種是傾向于使用厚膜或者多層復合隔膜的動力電池類隔膜,主要針對電動汽車、大規模儲能電站等大型動力類應用,要求能量輸出和功率特性較好,對安全性要求苛刻,能夠兼顧鋰電池的容量和安全性能。

  中國膜工業協會負責人張玉冰指出,中國電池隔膜工業不僅面臨兩大市場,更在經歷“兩連跳”式跨越發展過程,制膜工藝和生產設備制造能力領先的企業已經在第一波跨越中勝出。

  2012年~2014年期間,是生產工藝跨越引領隔膜工業升級的“第一跳”,該階段為生產工藝和設備制造能力實現突破的時期,其創新驅動力將以企業自身的產業化工藝研發占據主導地位。在制膜工藝方面具有經驗積累,并且在生產設備制造方面具有創新能力的企業已經在本輪隔膜國產化的大潮中脫穎而出。根據膜工業協會發布的2014年數據分析顯示,目前已經有佛山東航光電集團、新鄉格瑞恩集團等18家企業完成歷史跳躍。

  2015年~2020年為材料基礎研究能力提升引領隔膜工業升級的“第二跳”。從整個行業生態來看,完成第一階段的生產工藝升級之后,行業集中度將逐漸提升,龍頭企業將繼續延伸,通過建設高分子材料實驗室等形式提升基體材料研發能力,從而推動整個行業具備基礎材料改性和功能性改造的能力,最終以產品功能性差異占據市場。

  隔膜國產化是發展首要任務

  隔膜是鋰電產業鏈技術門檻最高的環節。在我國,鋰離子電池原材料已基本實現國產化,但是隔膜材料卻主要依靠進口,制作隔膜的關鍵技術被日本和歐美壟斷。隔膜在我國雖已有生產,但是各項指標還達不到國外的水平,有的甚至達不到使用的要求。

  遼寧朝陽立塬新能源有限公司副總經理李薦表示,電池的好壞主要體現在隔膜中孔徑收縮發熱點控制方面。好的隔膜材料一般在達到160攝氏度左右孔徑才會出現收縮現象,而國產隔膜一般在130攝氏度就會出現收縮,這就造成了電池在使用國產隔膜的情況下容易發熱,極易造成溫度過高,甚至會引起爆炸。“目前國內隔膜產品的品質只能與國際品牌2004年的質量水平相持平。”李薦說道。

  比亞迪新能源股份有限公司技術專家葛天麗表示,高端產品,特別是動力電池對隔膜的一致性要求極高。除了厚度、面密度、力學性能這些基本要求之外,對隔膜微孔的尺寸和分布的均一性也有很高的要求。目前國產隔膜還存在厚度過厚、邊角參差不齊、表面晶點過多等現象,嚴重影響到電池容量、續航能力及批量生產。目前比亞迪在E6、F3DM等產品上均使用進口的Celgard等隔膜產品,而在傳統低能電網儲能方面所用電池則優先選用國產品牌。

  天津電源研究所教授級高級工程師汪繼強指出,雖然國內鋰電池隔膜產能增長迅速,但高端隔膜技術尚待突破,隔膜材料仍是我國鋰電池產業的短板,采用創新技術推動高端隔膜國產化是首要任務。“從鋰電池的發展來看,目前我們仍是代工產業階段,沒有自己的核心技術。從核心技術到設備制造再到技術工人匱乏,我們要想在一個產業鏈條中整體超越,必須耐下心來彌補研發方面的短板。”汪繼強說道。

  三方面提升產品市場適應性

  經過近幾年的發展,我國鋰電池隔膜已有了長足的進步,然而市場的要求在不斷變化,天津工業大學教授郭秉臣指出,為了更好地適應中國鋰電市場對隔膜的要求,也為了我國隔膜企業自身健康發展,電池隔膜未來發展需注意以下三個方面。

  首先是提高企業的自主創新水平,確保產品質量的穩定一致性。隔膜企業未來幾年應重在研發而不是產業化。隔膜未來的研發重點是新能源汽車動力電池隔膜。在動力電池方面,為了獲得高能量、提供大功率,一個電池通常需要使用幾十甚至上百個電芯進行串聯。舉例來說,由于鋰電池具有潛在的爆炸隱患,隔膜的安全性至關重要,因此需要重點解決隔膜的耐熱性能,生產能在充放電過程中,大面積正、負極短路后仍能保持隔膜完整性的耐高溫復合隔膜。

  其次要注重隔膜專用原料的研發。我國隔膜產品與國外的差距,在很大程度上取決于原材料質量不達標。國外知名隔膜廠家很多都自己生產原料,或是同原料廠家聯合開發生產隔膜專用料,而國內市場則是“各自為政”的狀態,生產與使用斷層問題層出不窮。不過值得一提的是,目前南通天豐集團已經聯合南京大學與中石化合作開發鋰電池隔膜專用材料。

  最后要建造獨具特色的隔膜生產線。隔膜生產線工藝性很強,要研發自己的工藝路線,就要建成一批高效率、適合自身工藝特點的生產線。自主研發設計、在全球范圍內選擇最合適的設備,加上國內成熟的薄膜設備制造、設計企業提供的設備,完全可以滿足隔膜生產的需要。

  案例分析

  電池隔膜行業在國內發展時間并不短,但卻一直“不溫不火”,技術壁壘始終難以沖破。目前來看,隔膜生產按照工藝可分為干法和濕法兩大類,本期,我們以濕法工藝為例,探尋國內電池隔膜生產的難度到底在哪里。

  基體原料研發力不足困擾行業發展

  我國濕法隔膜行業發展道路艱辛的最主要問題是基體原材料研發能力不足。生產隔膜所采用基體材料對隔膜力學性能以及與電解液的浸潤度等重要指標有直接的關系。

  濕法工藝生產隔膜產品的基體材料包括聚丙烯、聚乙烯材料及添加劑的制備和改性技術。國際主要隔膜供應商日本旭化成和東燃化學以及美國Celgard集團等巨頭都擁有自己的高分子實驗室,可以獨立生產部分聚丙烯、聚乙烯材料。對比而言,我國鋰電池企業所采用的基體材料基本都是通過外購,自身研發實力不強。

  在基體材料方面,盡管我國主要依賴進口,但供給相對充足,量并不是現階段影響濕法隔膜行業發展的主要因素,從行業發展的持續創新能力來看,只有具備基體材料研發和生產能力,我國隔膜企業才能充當世界隔膜產業的引領者。以日本東燃化學為例,與美孚化工合作后,東燃化學采用美孚化工研發的高熔點聚乙烯材料,推出了熔點高達170℃~180℃的濕法PE鋰電池隔膜。采用特殊處理的基體材料,極大的提高了隔膜的性能,滿足了鋰電池特殊用途,也使東燃化學在美國市場的份額增加了38%。

  此外,生產過程精密控制能力不足導致產品一致性指標較差也是影響濕法隔膜行業發展的主要原因。鑒于隔膜產品對產品均一性的嚴格要求,加強生產過程精密控制同樣刻不容緩。

  濕法生產工藝6大環節困擾多難度大

  投料和配料系統。投料和配料的穩定性直接關系到擠出過程的穩定性,并且對厚片和薄膜的厚度產生重要的影響,例如主料和成孔劑的比例是電池隔膜微孔孔徑的大小及分布的影響因素之一。所以,投料和配料必須要得到比較高的精度保證,盡量安裝電腦精密控制的在線實時計量系統。

  擠出混合系統。該環節在整個濕法工藝過程中尤為重要,需要滿足如下的要求:(1)能夠具備較強的剪切塑化能力,讓主料快速、均勻的塑化;(2)能夠具備很好的混合效果,讓主料與成孔劑均勻混合;(3)能夠讓物料與擠出機之間不打滑、不倒流,能夠穩定進料。該環節對混合的均勻性以及進料的穩定性計量要求嚴格。

  鑄片冷卻系統。該系統需要滿足如下的要求:(1)冷卻熔體,形成厚片;(2)急冷熔體,降低厚片結晶度,防止球晶的形成;降低厚片結晶度,防止球晶的形成;(3)急冷“塑料-成孔劑”混合物熔體,使成孔劑與聚烯烴產生熱致性相分離;(4)急冷厚片表面,使已產生相分離的大部分成孔劑被鎖在厚片里面,使成孔劑不容易流走和滲出。該環節對溫度控制和冷卻速度的控制要求精度很高。

  拉伸系統。拉伸系統是薄膜生產的一個核心環節,目的是使分子鏈在拉伸的過程中產生取向,從而改善和提高產品的應用性能。經過雙向拉伸后的油膜,分子鏈得到了縱橫兩個方向取向,而成孔劑也均勻地分布在發生了取向的分子鏈之間,形成了特殊的“網-油”混合結構。從熱力學角度來看,隔膜的微孔或微孔形狀已經形成,只是成孔劑仍然占據了孔的位置,堵住了隔膜的孔眼,使得微孔狀態很難呈現出來。

  收卷系統。要求收卷張力始終保持在合適的范圍之內,并且能夠實時調整,鋰離子隔膜的油膜由于成孔劑的存在,收卷張力過小容易造成打滑跑偏,而張力過大又會造成縱向碰得太緊產生縱皺,影響后續加工的質量。

  洗滌烘干系統。該環節是濕法鋰離子隔膜生產特有的工序過程。該系統的作用是將成孔劑從油膜的孔隙中趕出來或萃取出來,形成能讓鋰離子通過的微孔結構。洗滌過程要求快速以適應高速生產,要求萃取能力高,以滿足鋰離子隔膜低成孔劑殘留量的要求。

  環境污染問題亟待解決

  電池隔膜濕法工藝需要添加有機溶劑,進而在隔膜用微孔膜制造過程中,可以在溶劑萃取前進行單向或雙向拉伸,萃取后進行定型處理并收卷成膜,也可以在萃取后進行拉伸。用這種方法生產的超高分子量聚乙烯微孔膜具有良好的機械性能。

  與干法公司相比,濕法制膜過程相對容易調控,可以較好地控制孔徑、孔徑分布和孔隙率。但制備過程中需要大量的溶劑,容易造成環境污染,如何降低工藝對環境的危害,是絕大多數濕法企業最頭疼的事情。從國際市場來看,日韓廠商采用濕法工藝的公司較多,主要有日本旭化成、東燃化學、三菱化學、韓國SK化學等。

  設備投資成本高

  濕法工藝生產電池隔膜產品,目前所需設備多數為進口,暫時沒有整套生產線均為國產設備的情況,其中,攪拌機為100%進口。按月產100萬平方米濕法隔膜來計算,總投資估算為6986萬元,其中,固定資產投入為3370萬元,流動資產投入為1540萬元,6個月的原材料安全庫存2076萬元,其中固定資產投入占比達到48%,令不少企業感覺“壓力山大”。

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