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簡述鋰離子電池隔膜的生產工藝原理

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年10月10日  

鋰離子電池隔膜的生產工藝主要分為干法和濕法,其中干、濕法工藝的主要步驟和原理為:

1、干法——先對聚烯烴樹脂進行熔融、擠壓和吹制操作,形成結晶性高分子薄膜,然后進行結晶化熱處理和退火操作,獲得高度取向的薄膜結構,然后在高溫中拉伸,測試結晶截面分離,形成多孔結構電池隔膜。干法工藝中還可以分為單向拉伸和雙向拉伸。

2、濕法——傳統濕法制備以相轉化法為主,近年以TIPS熱致相分離法為主。原理為將結晶性聚合物、熱塑性聚合物以及具有高沸點的小分子化學物稀釋劑(比如石蠟油)進行混合,在高溫下形成均相溶液,然后降低溶液溫度,使混合物發生固液相分離或者液液分離,將小分子化學物稀釋劑萃取脫除后,形成熱塑性與結晶性聚合物的多孔隔膜。

濕法工藝的主要特點是成本高、投資大,對設備要求高,建設投產周期長,并且在生產過程中對能源消耗較大,且會使用有機溶劑。但是濕法工藝可以較好的控制孔徑大小、分布和孔隙率,所以一般用于制造高端薄膜。

與國外企業相比,國內企業之前生產的隔膜主要以干法拉伸為主,且多為中低端產品,高端濕法隔膜多年來一直被國外企業所壟斷。但是近年來隨著國內隔膜生產企業在濕法生產工藝上的持續改進,濕法隔膜的產量和性能越來越接近國外企業水平,國內企業紛紛迅速擴產濕法隔膜,隔膜市場的格局也發生變化。

原理

2012年國內企業還是以生產干法隔膜為主,新鄉格瑞恩、星源材質、佛山金輝、山東正華、佛山東航占據了國內市場前五名,而2016年國內生產濕法隔膜為主的上海恩捷、蘇州捷力、金輝高科、重慶紐米等企業出貨量排名前列。2016年中國鋰電池隔膜出貨量前十名的企業市場占比達到63.50%,預計未來隨著各大企業在建產能的逐步投產,市場集中度將進一步提升。

根據實際生產情況,每GWh帶電量大約需要使用0.2億平米鋰電池隔膜,因此我們預計2020年國內鋰電池市場對隔膜的總需求量將達到34.8億平米。干法隔膜和濕法隔膜在不同的需求領域中的滲透率各有不同。

動力電池領域,由于國家提高了新能源電車續航里程的要求,因此各大電池廠在政策導向指引下,傾向于生產能量密度更高的三元電池以及使用更薄的鋰電池隔膜。

綜合考慮各種車型的實際需求后,我們預計到2020年動力電池中三元電池的占比將達到77.66%左右,而動力電池中三元電池幾乎都使用濕法隔膜,因此我們預計濕法隔膜的滲透率與三元電池的滲透率保持一致。由于3C產品用鋰電池對薄膜的厚度要求更高,因此我們預計到2020年3C產品用鋰電池中濕法隔膜滲透率達到90%。

而在儲能鋰電池中,目前磷酸鐵鋰電池仍為主流,由于儲能鋰電池對能量密度要求不高,因此我們預計到2020年儲能鋰電池中濕法隔膜滲透率約為20%。綜合以上分析,我們預計到2020年國內對濕法隔膜的需求量將達到25.8億平米,對干法隔膜的需求量將達到9.0億平米。2016年干法和濕法隔膜的市場均價分別為3.0元/平米和4.8元/平米,經過涂覆之后,隔膜價格大約能提高2元/平米。

考慮到未來國內隔膜產能的迅速擴大,以及干法、濕法的空間占比變化,我們保守預計到2020年干法和濕法隔膜的市場均價分別達到2.6元/平米和3.3元/平米,經過涂覆后的價格分別為4.3元/平米和4.8元/平米。最終我們預計2020年我國隔膜市場空間將達到157.5億元,其中干法和濕法隔膜的市場空間分別為32.5億元和125.0億元。

目前市場上的生產工藝主要是干法單向拉伸技術、干法雙向拉伸技術和濕法拉伸技術。三者相比,干法單向拉伸隔膜橫向強度較差,但因幾乎沒有熱收縮現象而具有較高的安全性。干法雙向拉伸工藝只能生產單層隔膜,但隔膜的微孔尺寸和分布不均勻,穩定性較差。濕法拉伸隔膜孔隙率和透氣性更高,可以生產更輕薄的隔膜,但投資成本較高。

與干法拉伸制膜工藝相比,濕法工藝制成的鋰電池隔膜可以做到很薄,且程控方式不是通過機械拉伸的方式,而是利用聚乙烯與成孔劑發生熱致相分離而產生的唯恐,因此孔隙率和孔徑大小更易控制,產品的力學性能和均一性更好。從微觀形貌對比中可以看到,干法拉伸制成的薄膜中的孔徑會按照一定的方向分布,并且薄膜的結晶和非結晶區域之間有明顯的分隔,而濕法工藝制成的隔膜形貌上面明顯更加均勻。

在國家新能源電車政策提高了對車輛重量和續航里程的要求后,在保證安全性的前提下,提高動力電池的單位帶電量成為了重要的發展方向。我們在前面的表一中列舉了隔膜各項性能對電池性能的影響方向,綜合來看,可以制備厚度更薄、均一性更好、孔徑大小更易控制的濕法工藝優勢更為明顯。

干法工藝的原材料一般是PP,而濕法工藝的原材料一般則是PE。一般來說,PP的熔融溫度在170℃左右,PE的熔融溫度在140℃左右。因此濕法工藝生產的隔膜雖然厚度較薄,但是較低的熔融溫度使得隔膜在高溫下容易收縮,從而造成電池短路,電池的安全得不到保證。在隔膜表面涂覆一層無機納米顆粒或者耐高溫的有機化學物可以提高隔膜的高溫安全性能,能夠很好的彌補濕法工藝的這個缺陷。

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