
锂离子电池隔膜制备方法主要分为湿法和干法。二者各有优缺点,湿法隔膜工艺难度系数高,对设备要求高,建设投产周期长成本高,能源消耗较大,且需使用有机溶剂,环境污染大,但制得的隔膜精密度高,具有较高的孔隙率,薄膜孔径小且均匀,薄膜更薄的同时还可保持良好的韧性,拉伸强度和穿刺强度更高。
隔膜对锂电池性能影响重大,是锂电池四大主材料中技术、工艺难度最大的环节。
①从生产工艺来看,原材料配方技术、挤出工艺、薄膜拉伸工艺和微孔制备工艺是核心。另外,隔膜在应用于电池生产时,需与电池厂的自动化产线相适应,否则可能会出现大量“废隔膜”的现象。
②从产品性能来看,隔膜需具备适当的孔径(在通透性和阻隔性间寻求平衡,一般孔径越大,电池容量、倍率、循环性能越强,但安全性越差)、较高的孔隙率(保障离子的迁移传输效率,提升充放电性能)、良好的浸润性(吸收、保有更多的电解液,利于锂离子的迁移传输,降低隔膜对锂离子的电阻)、适当的厚度(在保证较高的穿刺强度的情况下尽可能薄,减小内阻)。
隔膜越薄内阻越小,倍率性能和循环性能就越好,且较薄的隔膜可以给电极活性物质提供更大的空间,电池容量更高,符合动力电池高能量密度、高倍率等要求。
尤其是高端市场,几乎所有三元电池中均使用湿法隔膜,其占比从16年的40%上下提高到现在的约70%。未来几年动力锂电池将作为重要引擎拉动湿法隔膜产量稳定增长。
涂覆技术弥补了湿法隔膜热稳定性差的缺陷,涂覆隔膜相较于基膜安全性更优,湿法+涂覆将主导未来隔膜市场。干法工艺的原材料聚丙烯(PP)的熔融温度在170°C左右,而湿法工艺的原材料聚乙烯(PE)的熔融温度在140°C左右。因此湿法工艺生产的隔膜在高温下容易收缩造成电池短路,安全难以得到保证,而涂覆技术可显著提升其耐热性,在180°C下仍可保持较小的收缩率。
另外,涂覆隔膜具有良好的电解液浸润和吸液保液能力,不仅可以延长电池循环寿命,还可以增加电池大倍率放电能力,适用于高端储能电池和动力电池。主要的涂覆材料分为陶瓷颗粒和聚偏氟乙烯(PVDF)。
干法隔膜工艺相对简单,环境友好且成本较低,然而孔径的大小、分布和孔隙率难以控制导致稳定性较差,干法拉伸制成的薄膜中的孔径会按照一定的方向分布,并且薄膜的结晶和非结晶区域之间有明显的分隔,成膜通常较厚。但干法隔膜的耐热性更好,各向热收缩率都更小,闭孔温度和熔断温度也更高,且成本优势明显。
因新能源汽车和动力电池厂商对电池成本以及安全性能的重视,湿法隔膜的市场份额增速较过去几年明显放缓,干法薄膜需求回暖。磷酸铁锂电池对隔膜孔隙率要求不高,搭配干法隔膜使得磷酸铁锂电池更加符合其成本低安全性高的定位,今年磷酸铁锂电池的回潮带动了干法隔膜的需求增长。
2020年,我国锂电池隔膜出货量达到37.2亿平方米,同比增长36%,其中湿法隔膜出货量达26亿平方米,同比增长30%,干法隔膜出货量11亿平米,同比增长超过40%,增速大于湿法,占隔膜市场总量的30%。
随着技术的突破,干法隔膜有望焕发新生,今年8月,惠强新材研发的具有国际领先水平的6μm超薄三层共挤干法隔膜产品成功下线,成功突破了使用干法制造超薄隔膜的难题,使干法隔膜厚度极限再次下探,与湿法隔膜接近,其强度与正常的9μm薄膜强度相当,同时具有更高安全性,且能更好地满足电池高能量密度的需求。干法隔膜潜力被再次挖掘,预计短期内干法隔膜占比将维持在30%左右。
我国隔膜逐渐实现全部国产化,并积极出口国际市场,一改早年间中国主要生产中低端干法隔膜而高端湿法隔膜被国外企业垄断的格局。
目前全球锂电池隔膜市场主要由中日韩三国占据,随着不断取得的技术突破,我国湿法隔膜与干法隔膜均已具备国际一流水平,中国在全球锂电池隔膜市场份额迅速增加,现在已经成为了隔膜出货量最大的国家,预计2020年在全球市场占比将超60%。
国内隔膜市场已完成了一轮整合,伴随磷酸铁锂电池的回暖,干法隔膜绝对龙头星源材质大幅受益,中材科技紧随其后,2020年1-10月三者在全国隔膜市场的份额分别为35.2%,12.8%,11.6%,合计59.6%。
隔膜行业技术壁垒较高,建设周期较长,而且折旧费用高,加工工艺落后、生产能力落后的中小企业难以存活。具备先发优势的企业通常长期绑定优质客户资源,因此隔膜行业集中度较高,头部企业地位短期内难以撼动。
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