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            促進鋰電產業健康持續發展!
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            鋰離子電池隔膜需未雨綢繆防產能過剩

            鋰電中國瀏覽量:6355時間:2011-05-13 11:04:36

            本網點評:

            曾經陳立泉院士問一位企業老總:“什么時候鋰離子電池成本可以和鉛酸電池相比擬?”“那需要等到鋰離子電池的隔膜國產化了!”對方的回答讓他有些吃驚。由此可見,隔膜國產化在鋰電產業中的重要。

            在我國鋰電池關鍵材料中,有兩三個重要環節比較短缺,沒有國產化或正在國產化——隔膜和鋰鹽。他們在電池成本里面大概占到1/3,如短期能夠實現國產化,鋰電池成本還能降低,將更具競爭優勢。

            鋰電池隔膜是產量過剩還是急需科技攻關在競爭中突圍,打敗日本、美國等競爭對手?鋰電中國網認為產能過剩不可怕,畢竟未來可以預見天文數字的應用市場,做一些儲備無可厚非;可怕的動力電池隔膜技術創新沒有進展,國內隔膜企業生產不了高品質的、穩定的隔膜,一直處于低端的應用市場,陷入無休止的價格戰。鋰動力電池市場拱手讓給跨國隔膜公司的壟斷,瓜分(他們定價高的出奇),進而制約中國鋰電池產業乃至電動汽車的發展。

            新世紀以來,手機、筆記本電腦、數碼照相機和攝像機的迅速普及,以及電動汽車的推廣,使得鋰電池與百姓的生活越來越貼近。作為一種清潔能源載體,鋰電池自上世紀90年代實現商品化以來,受到了世界各國的廣泛追捧。我國鋰電池產業是在近幾年快速成長起來的。2010年我國鋰電池產量約為20億只,銷售收入約為180億元人民幣。未來動力電池車是我國汽車工業的主攻方向之一,隔膜作為鋰電池的核心材料,發展潛力巨大。

            盡管鋰電池隔膜行業是一個新興產業,清潔能源的發展也為其帶來了新一輪的發展機遇,但我們必須認識到,前期投資的隔膜生產線項目今明年將全部建成投產,其產能可達8億平方米,加上國外隔膜廠家擴產后的6億平方米,產能將遠遠超出市場需求量,過剩危機在所難免。業內專家提醒,對這一點要有清醒的認識,生產工藝的穩定、優化和提升需要企業長期的摸索和研究,我國鋰電池隔膜行業未來的發展重點不是產業化,而是要根據市場需求變化進行有的放矢的研發。

            國產膜逐步替代進口

            中國化學與物理鋰電池行業協會統計資料顯示,我國目前已經成為世界主要的鋰電池生產基地,是第二大鋰電池生產國和出口國,鋰電池產品已經占到全球30%~40%的市場份額。我國對鋰電池隔膜的需求與日俱增,2009年我國鋰電池隔膜需求量超過1.2億平方米。

            中國塑料加工工業協會雙向拉伸聚丙烯專委會理事長吳耀根介紹說,鋰電池隔膜是鋰電池中關鍵的內層組件。電池的容量、循環性能和充放電電流密度等關鍵性能與隔膜有著直接的關系,性能優異的隔膜對提高電池及動力電池的綜合性能起著重要作用。隔膜吸收電解液后,可隔離正、負極,以防止短路,但同時還要允許鋰離子的傳導。在過度充電或者溫度升高時,隔膜還要有高溫自閉性能,擔當起阻隔電流傳導防止爆炸的作用。隔膜性能決定著電池的界面結構和內阻。不僅如此,鋰電池隔膜還要有強度高、防火、耐化學試劑、耐酸堿腐蝕性、生物相容性好、無毒等特點。

            也正是有如此嚴格的技術性能要求,鋰電池隔膜的制造技術難度大,制造工藝的相關專利被美國和日本等少數國家壟斷。我國鋰電池產業發展之初,鋰電池隔膜全部依靠進口。在鋰電池四大關鍵元件中,隔膜是最后一個實現國產化的元件。

            中科院化學所從上世紀90年代開始開發干法雙向拉伸工藝,通過在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進劑,利用聚丙烯不同相態間密度的差異,在拉伸過程中發生晶型轉變形成微孔,用于生產單層PP膜;2000年國家“863”計劃項目給予支持;2005年開始,中科院化學所與新時科技公司合作開展干法雙向拉伸工藝的中試研究;2007年11月成功建成并投產了一條年產聚丙烯微孔膜600萬平方米的生產線,用此工藝生產的聚丙烯微孔膜具有不同于傳統工藝制得隔膜的微孔結構,通過國內30多家電池廠在鋰離子電池上進行評價,產品基本性能已經完全滿足鋰電池隔膜的質量指標要求,市場反應積極,2008年2月份開始已經有產品在市場上銷售。經過近幾年的發展,我國鋰電池隔膜已有了長足的進步,有了自己的干法、濕法生產線,還有企業最近還陸續推出了多層復合隔膜。

            縱觀國內的鋰電池隔膜市場,雖然目前依然是國外品牌一統天下,但是隔膜的國產化已經呈現出喜人的局面。部分隔膜已實現了市場化,并且產能在逐步擴大,產品的質量也在不斷提升。目前,國產隔膜在低、中端市場已經大部分替代了進口產品,少量產品已經進入高端市場,進口產品價格隨著國產隔膜的問世有所降低,由原來的4美元/平方米降低到現在的1美元/平方米。

            深圳市星源材質科技股份有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、新鄉市格瑞恩新能源材料股份有限公司、南通天豐電子新材料有限公司等幾家龍頭企業的的產品與進口膜相比,性能指標已相差無幾,且價格只有進口隔膜的1/3~1/2甚至更低,而且供貨周期短、售后服務及時,可真正為客戶做到量身定做,產品和服務均得到了用戶的認可,國產鋰電池的市場份額提高到20%。

            產能擴張迅速露過剩端倪

            隨著技術的進步和國產市場份額的擴大,特別是對未來市場的期待,以及國家政策的導向等一系列因素的疊加,國內鋰電池隔膜生產線擴能的勢頭正勁。幾家大的鋰電池隔膜企業在原有的基礎上,紛紛開始擴大生產。

            格瑞恩公司是國內鋰電隔膜干法雙向逐次拉伸的代表,也是國內最早實現隔膜產業化生產的企業,在國內手機等通訊類市場國產膜占有最大份額,目前隔膜生產線數量為國內最多,已有產能3500萬平方米/年,目前正在新建1億平方米/年生產線;佛山金輝公司是國內濕法工藝生產生產隔膜的代表,是國內最早實現濕法產業化生產的企業,目前產能1200萬平方米/年,在建4000萬平方米/年產能;深圳星源材質公司是國內唯一擁有干法單向拉伸和濕法生產工藝的企業,干法復合膜產品得到動力電池廠的廣泛認可,已有產能5000萬平方米,在建5000萬平方米/年產能;南通天豐公司是國內唯一擁有干法單向、雙向同步拉伸工藝的企業,是國內最早從事鋰電隔膜研發的企業之一,是隔膜行業國家級研發、產業化基地,生產的多層復合膜得到國內外市場的廣泛認可,尤其在動力電池應用方面效果尤佳,已有產能3000萬平方米/年,在建7000萬平方米/年產能。

            我國鋰電池生產有超前性,在電動汽車產業還沒有啟動之前,我國就已上了一大批鋰電池和鋰電池材料生產企業。吳耀根指出,這樣的超前投資,勢必造成產能的嚴重過剩和資源的浪費。如果這些隔膜生產線項目今明年全部建成投產,估計其產能可達8億平方米,加上國外隔膜廠家擴產后的6億平方米,如此大的產能已遠遠超出市場需求量,產能過剩危機在所難免。

            中國塑料加工工業協會會長廖正品也表示,目前全國投資鋰電池隔膜生產線的企業已經接近40家。這些企業中,絕大數對鋰電池隔膜的生產工藝了解不夠深入,大部分投資購買的鋰電池隔膜生產線都未能正常生產。但即使是這樣的一種狀況,依然擋不住企業投資的熱情。記者粗略地統計了一下,目前全國各地在建的生產線接近20條,富匯投資管理有限公司等一些投資公司也表示看好這一新興領域。

            在這樣的投資熱潮中,在BOPP膜行業有著20年從業經驗的南通天豐電子新材料有限公司總經理范建國提出,盡管鋰電池及其隔膜行業是一個新興產業,清潔能源的發展也為其帶來了新一輪的發展高潮,但我們必須認識到,目前我國的生產的大部分產品還是中低檔貨,高端產品依然大量進口。生產工藝的穩定、優化和提升需要企業長期的摸索和研究。我國鋰電池隔膜行業未來的發展重點不是產業化,而是要根據市場需求變化進行有的放矢的研發。

            吳耀根也表示對產能過剩的擔憂。由于前兩年電子產品的迅速發展,鋰電池需求量猛增,造成了隔膜的供不應求的局面。但隨著新增鋰電池市場的飽和,需求增長速度放緩,在加上原有隔膜廠家新上產能相繼投產,產能的增長將大于市場需求,產能過剩將逐步顯現。另外隔膜技術也已經從壟斷技術向公知技術轉化,國內隔膜同質化競爭將加劇。

            自主創新應對挑戰

            據臺灣工研院數據統計顯示,2010年全球鋰電池隔膜產量3.51億平方米,同比增長38%。而隨著電動車市場的啟動,這一增長率未來還將有大幅度提升。預計到2013年,全球隔膜需求量可達5.63億平方米,為2009年市場容量的1.76倍。國際主要廠商均處于擴產進程中,幾乎所有廠商都將在今后兩年內將產能提高一倍以上。

            如何面對產能增長帶來的過剩隱憂和市場增長帶來的吸引力,范建國表示,我們面對的是一個復雜的市場環境。鋰電池隔膜長期以來一直籠罩著一層神秘的色彩,除了有它高利潤外,還有就是技術上的壁壘。其技術壁壘在于它的造孔工藝難度大,集中體現在工程技術和基本材料上。其中造孔的工程技術包括隔膜造孔工藝、生產設備以及產品的一致性;静牧习ň巯N材料的添加劑配方,雖然都是經縱向、橫向拉伸制膜,但卻是一個復雜而精密的加工過程。只有有非常高要求的生產工藝配方,才能有優異的孔的均勻度及厚度的均勻性。

            國內企業無不都在嘗試突破國外技術壁壘,開發鋰電池隔膜,但難度較大。我國在生產技術方面缺乏自主知識產權,在鋰電池隔膜生產的關鍵材料、配方方面缺乏研究,往往是膜很容易做出來,但合格率低、一致性差,無法大規模產業化生產。另外鋰電池隔膜工藝對設備要求苛刻,設備加工精度及運行控制的偏差,限制了產業化生產。一般企業都是在經過3~5年的艱苦研發后,才能走出了一條有自己特色的、有自主知識產權的創新之路。

            范建國建議,業協會要及時發布相關信息,加強行業協調,提高行業調控力度。企業要加強自律,在上項目之前,一定要進行充分的市場論證、技術論證,絕不能盲目跟進,聽信錯誤信息,認為挖幾個人,買條線就可以變印鈔機。要加大技術研發力度,提高自主創新能力。創新是企業前進的動力,如果我們一味地用不成熟的工藝及簡易設備生產中低端產品,而不在原料、設備、工藝改進上加大研發力度,拿不出具有自主知識產權的、適合我國鋰電池企業發展配套的產品,我們最終會在競爭中被淘汰。因此,我國的隔膜企業一定加強創新意識,加大科技創新的投入,這樣企業才會在激烈的市場競爭中立于不敗之地。

            在技術創新方面,范建國認為,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。企業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;在不影響容量的前提下,做出更薄的能滿足小巧、微型產品需要的隔膜和滿足動力電池性能需求的多功能復合薄膜;開發吸液性能、保液性能更好的隔膜,提高離子電導率。研發聚合物電解質隔膜、纖維隔膜等新型隔膜產品。

            范建國告訴記者,他在走訪客戶時,遇到最多的問題就是國內企業生產出來的隔膜一致性不好。質量控制得好的時候和進口的差不多,質量控制不好的時候就很差。產品質量穩定與否主要取決于工藝、設備、原料及操作四大要素,每一個環節都控制好了產品質量穩定性才有保證。另外,我國隔膜產品與國外差距有很大程度上取決于原材料。國外知名隔膜廠家都有自己的專用料,要么自己生產原料,要么和原料廠家聯合開發生產隔膜專用料。

            范建國指出,由于鋰電池隔膜生產線工藝性很強,我們要研發自己的工藝路線,所以要建成一批高效率、適合自身工藝特點的生產線。這樣做,既可以最大限度地保護自主知識產權,大大降低投資成本,縮短項目建設周期,同時又可以培養自己的核心技術研發團隊,增強企業的競爭力。

            鋰離子電池隔膜主要性能要求

            厚度均勻性

            鋰離子電池隔膜的厚度均勻性直接影響隔膜卷的外觀質量以致內在性能,是生產過程嚴加控制的質量指標之一。

            在自動化程度很高的隔膜生產線上,隔膜厚度都是采用精度很高的在線非接觸式測厚儀及快速反饋控制系統進行自動檢測和控制的。隔膜的厚度均勻性包括縱向厚度均勻性和橫向厚度均勻性。其中橫向厚度均勻性尤為重要。一般均要求控制在±1微米以內。

            力學性能

            隔膜的力學性能是影響其應用的一個重要因素,如果隔膜破裂,就會發生短路,降低成品率,因此要求隔膜在電池組裝和充放電結構使用過程中,需要自身具有一定的機械強度。隔膜的機械強度可用抗穿刺強度和拉伸強度來衡量。

            拉伸強度 隔膜的拉伸強度與制膜的工藝相關聯。采用單軸拉伸,膜在拉伸方向上與垂直方向強度不同;而采用雙軸拉伸時,隔膜在兩個方向上一致性會相近。一般拉伸強度主要是指縱向強度要達到100mP以上,橫向強度不能太大,過大會導致橫向收縮率增大,這種收縮會加大鋰電池廠家正、負極接觸的幾率。

            抗穿刺強度 抗穿刺強度是指施加在給定針形物上用來戳穿隔膜樣本的質量,用它來表示隔膜在裝配過程中發生短路的趨勢。因隔膜是被夾在凹凸不平的正、負極片間,需要承受很大的壓力。為了防止短路,所以隔膜必須具備一定的抗穿刺強度。經驗上,抗穿刺強度值在300~500克。

            透過性能

            透過性能可用在一定時間和壓力下,通過隔膜氣體的量的多少來表征,主要反映了鋰離子透過隔膜的通暢性。隔膜透過性的大小是隔膜孔隙率、孔徑、孔的形狀及孔曲折度等隔膜內部孔結構綜合因素影響的結果。

            作為鋰電池隔膜材料,本身具有微孔結構,微孔在整個隔膜材料中的分布應當均勻?讖揭话阍0.03μm~0.12μm,孔徑太小會增加電阻,太大則易使正負極接觸或被枝晶刺穿短路。

            隔膜廠家現在基本以透氣度、孔隙度指標來衡量透氣性?紫堵适菃误w膜的體積中孔的體積百分率,它與原料樹脂及膜的密度有關,F有鋰離子電池隔膜的孔隙率在40%~50%之間。

            理化性能

            潤濕性和潤濕速度 較好的潤濕性有利于提高隔膜與電解液的親和性,擴大隔膜與電解液的接觸面,從而增加離子導電性,提高電池的充放電性能和容量。隔膜對電解液的潤濕性可通過測定其吸液率和持液率來衡量。

            化學穩定性 隔膜在電解液中應當保持長久的穩定性,不與電解液和電極物質反應。其化學穩定性是通過測定耐電解液腐蝕能力和脹縮率來評價的。

            熱穩定性 電池在充放電過程中會釋放熱量,尤其在短路或過充電的時候,會有大量熱量放出。因此,當溫度升高的時候,隔膜應當保持原有的完整性和一定的力學性能,發揮隔離正、負極、防止短路的作用。

            安全保護性能 隨著鋰電池應用范圍的逐漸擴大,尤其是動力電池領域,鋰離子電池的安全性成為鋰電池廠家的最為重視的環節。作為鋰電池最為關鍵的核心材料,對隔膜也提出了更高的要求。

            目前鋰電池用隔膜一般都能夠提供一個附加的功能,就是熱關閉。這一特性可以為鋰離子電池提供一個額外的安全保護。該功能主要參數為閉孔溫度和破膜溫度。

            閉孔溫度是微孔閉合時的溫度,當電池內部發生放熱反應自熱、過充或者電池外部短路時,這些情況都會產生大量的熱量。當溫度接近隔膜熔點時,微孔閉合形成熱關閉,從而阻斷離子的繼續傳輸而形成斷路,起到保護電池的作用。一般PE為130℃~140℃,PP為150℃。破膜溫度是指電池內部自熱,外部短路使電池內部溫度升高,超過閉合溫度后微孔閉塞阻斷電流通過,熱熔性能溫度進一步上升,造成隔膜破裂、電池短路。破裂時的溫度即為破膜溫度。高品質的隔膜有較低的閉孔溫度和較高的破裂溫度。

            我國鋰離子電池行業發展情況

            我國現已是全球電池制造大國,電池的產量和出口量均位居世界第一。我國鋰離子電池產業化始于1997年后期,走過了一條引進、學習、研發的產業化道路。2000年中國的鋰離子電池產量僅為0.35億只。

            進入2001年以后,隨著深圳比亞迪、比克、邦凱、天津力神等鋰離子電池企業的迅速崛起,我國的鋰離子電池產業開始進入快速成長階段。2004年達到8億只,在全球市場的市場份額猛增到38%,僅次于日本。在其后的2005~2008年,我國的鋰離子電池全球市場份額穩定在34%左右,自此形成了中日韓三足鼎立的局面。2010年我國鋰電池的產量約為20億只,銷售收入約為180億元人民幣。

            2010年鋰離子電池出口量為11.95億只。在與國際大廠配套方面,2010年日本占42%,韓國占38%,我國僅占18%。鋰離子電池需求巨大,但我國鋰電池企業在全球的市場份額卻在減少,競爭力在減弱。

            目前,中國作為全球最大的鋰離子電池制造基地之一,比亞迪、力神、比克、ATL已發展成為全球鋰電池行業引人注目的重點企業。我國鋰離子電池的生產廠家集中在廣州、天津、山東、江蘇、浙江等地,華南地區(廣東、福建)的鋰電池生產量仍占國內市場份額的65%,其他省占10%。華南地區鋰電生產最具代表性的為深圳,盤踞了比亞迪、比克、邦凱、華粵寶等眾多知名企業,形成了產業集群。

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