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锂电池隔膜,不止一片“薄膜”那么简单!

如果把锂电池比作是一道菜,那么完成这道菜需要一些食材和配料,他们主要是正极材料、负极材料、电解液、隔膜材料和电池管理系统等。

其中,锂电池结构中,隔膜是关键的内层组件之一,其主要作用是使电池正、负极分隔开来,防止两极接触而短路,此外它还具有能使电解质离子通过的功能。因此,隔膜材料的好坏,对电池性能有很大的影响。

国内外锂电池隔膜材料发展状况如何,市场化情况怎样?发展新能源产业高端隔膜材料,还需要解决哪些难题?继续与读者一道追踪锂电池材料的前沿问题。

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做好高端锂电池隔膜并非易事

简单说,锂电池隔膜,是一层薄薄的“塑料”,但又绝非普通塑料。

“锂电池市场化的隔膜材料,主要是以聚乙烯、聚丙烯为主的具有优异的力学性能、化学稳定性和相对廉价的聚烯烃类隔膜为主。”昆明理工大学锂离子电池及材料制备技术国家地方联合工程实验室李雪教授向科技日报记者介绍,其中聚乙烯产品主要由湿法工艺制得,聚丙烯产品主要由干法工艺制得。

隔膜的性能,决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、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。隔膜材质是不导电的,电池的种类不同,采用的隔膜也不同。对于锂电池系列,由于电解液为有机溶剂体系,因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料,一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

要做成高端的锂电池隔膜,并不容易。它必须具有电子绝缘性,保证正负极的机械隔离,还要有一定的孔径和孔隙率,保证低的电阻和高的离子电导率,对锂离子有很好的透过性。同时,隔膜材料还须具有足够的力学性能,包括穿刺强度、拉伸强度等,但厚度尽可能小,空间稳定性和平整性好,以及热稳定性和自动关断保护性能好

当电池体系发生异常时,热温度快速升至120~140℃之初,为防止产生危险,热塑性隔膜发生熔融,微孔关闭,变为绝缘体,可防止电解质通过,从而达到遮断电流的目的。

总体而言,聚丙烯相对更耐高温,聚乙烯相对耐低温,但对环境应力更敏感聚丙烯密度比聚乙烯小,其熔点和闭孔温度比聚乙烯高,但韧性比聚乙烯差

李雪教授还介绍,隔膜材料产品还有聚丙烯+陶瓷涂层、聚乙烯+陶瓷涂覆,以及基于聚丙烯、聚乙烯的双层和三层材料等。与此同时,一些新型隔膜材料产品也在不断涌现并实现应用,不过,因量少价高,主要还是用在动力锂电池制造领域。这些产品主要有涂层处理的聚酯膜、纤维素膜、聚酰亚胺膜、聚酰胺膜、氨纶或芳纶膜等,其优点是耐高温,且具有低温输出、充电循环寿命长、机械强度适中的特点。

“总体来看,锂电池隔膜材料产品呈现出明显的多样化发展趋势。”李雪说。

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攻克核心技术,龙头企业在壮大

实施新能源汽车核心技术攻关工程,电池技术突破是关键的一步。

2020年11月,国务院发布的《新能源汽车产业发展规划(2021年-2035年)》指出,开展正负极材料、电解液、隔膜、膜电极等关键核心技术研究,加强高强度、轻量化、高安全、低成本、长寿命的动力电池和燃料电池系统短板技术攻关,加快固态动力电池技术研发及产业化。

随着新能源汽车市场由政策导向型切换到市场驱动型新能源汽车厂商对锂电池的安全性、续航能力、使用寿命等关键指标的要求不断提高,尤其是国际一流锂电池生产企业对材料品质要求甚严,其中锂电池隔膜作为核心材料之一,技术壁垒高,其性能直接影响锂电池的放电容量、循环使用寿命及安全性,锂电池制造对隔膜产品的特性如隔膜微孔的尺寸和分布的均匀性、一致性等要求极高

同时,在保障安全性的基础上隔膜进一步趋于轻薄化,锂电池隔膜轻薄化能够有效提升锂电池的能量密度,使单位体积或重量的锂电池中容纳更多的电极材料,从而最终提升锂电池的续航能力。

记者在采访中了解到,恩捷股份有限公司是全球领先的锂电池隔膜行业龙头,在产能规模、产品品质、成本效率、技术研发方面都具有全球竞争力。2021年企业快速发展,产能规模和收入规模大幅增长,隔膜产能和出货量排名全球第一

“隔膜是锂离子电池产业链中最具技术壁垒的关键内层组件,也是四大主材中最晚实现国产化的产品。”恩捷股份有限公司董事长助理庞启智告诉记者,我国电池隔膜在2019年国产化比例已超过92%,国产隔膜材料几乎都供应给世界上所有主流电池厂商。

目前,恩捷股份公司的湿法锂电池隔膜生产规模目前已处于全球领先地位,丰富的锂电池隔膜产品种类能满足不同客户的多种需求。

“我们通过多年积累,建立了体系健全的研发队伍,研发范围覆盖了隔膜和涂布生产设备、隔膜制备工艺以及原辅料的改进、涂布工艺、浆料配方、回收及节能技术,以及前瞻性技术储备项目的研发。”庞启智介绍,企业新近突破了诸多关键核心技术,在产品品质提升以及新产品开发方面已取得了一系列成果,现行有效的专利共有280项,其中包含国际专利13项;另有236项专利正在申请中,其中含国际专利申请56项。

“作为全球出货量最大的湿法锂电池隔膜供应商,我们有能力承接如LGES、三星SDI、松下、宁德时代、中创新航等大型电池厂商的大规模订单需求。”庞启智自信地说。

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综合施策,破解行业发展之困

受益于储能行业爆发增长,2021年锂电池隔膜产量快速增长。据华经产业研究院提供的数据统计,2021年全球隔膜总体产量76亿平方米,同比增加150%,其中12月产量8.4亿平方米,同比上涨109.3%,环比上涨10.3%。

干法隔膜工艺,是锂离子电池隔膜制备过程中最常采用的办法,但与之对应的湿法工艺,可以较好地控制孔径大小、分布和孔隙率,所以一般用于制造高端薄膜。

“国产隔膜起步较晚,国内企业的技术成熟度不高,众多企业在湿法方面还普遍受制于工艺、技术和生产设备的‘卡脖子’。”李雪介绍,虽然隔膜材料研发制备能力已有长足进步,但一致性有待提高是国内隔膜材料产业普遍存在的问题。一致性主要体现在不规律的缺陷、厚度、孔隙率、孔隙分布以及孔径分布等方面。国内干法工艺已经比较成熟,高端湿法隔膜与国外还有差距,原材料聚乙烯和生产设备也还严重依赖进口。

为此,李雪建议必须要提升国内隔膜企业的研发能力,一方面可以鼓励企业招募更多具有高学历的人员加入研发团队,另一方面可以通过产学研相互结合的方式来推进隔膜生产中关键问题的攻关;同时,应尽早整合国内锂离子电池隔膜产业链,避免企业之间的恶性竞争,保证隔膜生产企业的货源,调整产能,避免出现产能过剩或者不足的情况;对于发展势头良好的企业提供资金和政策支持,帮助企业进一步发展。

庞启智则认为,破解我国高端隔膜材料之困,需要长远布局,深入规划,合理规划产业布局;同时加强行业监管,完善行业规范,从技术水平、生产规模、资源利用、环境保护、安全要求等方面建立行业准入门槛。此外,企业也需要进一步加大研发投入,提升核心竞争力。对隔膜企业自身来说,最重要的是研发核心技术、提升工艺水平和产品质量,建设高水平生产线并提高生产效率。

来源:电池材料


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