鋰電池隔膜簡介

鋰電池隔膜簡介

鋰電池隔膜簡介鋰電池隔膜是一種具有微孔結(jié)構(gòu)的高分子功能材料，其不參與鋰電池中的電化學(xué)反應(yīng)，在鋰電池組中的主要作用為：1）隔開鋰電池的正負(fù)極，防止其接觸形成短路；2）具有離子通過能力，形成充放電回路。在正極、負(fù)極、隔膜、電解液四大鋰離子電池主要材料中，隔膜是鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈中最具技術(shù)壁壘的關(guān)鍵組件之一，也是國產(chǎn)化最晚的鋰電池組件。鋰電池隔膜具有絕緣性，其內(nèi)部存在大量曲折而貫通的納米級微孔，可以允許電池電解液中的鋰離子（Li+）在正負(fù)極之間遷移，形成了鋰離子電池的導(dǎo)電回路，是決定鋰電池性能、安全性和成本的重要部件。鋰電池正負(fù)極材料發(fā)生接觸會導(dǎo)致電池短路，進(jìn)而可能引發(fā)電池燃燒。隔膜一方面要具備絕緣性和較好的熱穩(wěn)定性，保證兩極的機(jī)械隔離，保障電池安全；另一方面又要具有特定的孔徑、孔隙率，確保鋰離子在充放電期間能夠正常通過微孔通道，保證電池正常工作；同時還需要在達(dá)到較高力學(xué)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡可能降低厚度，減小電池阻抗，提高電池品質(zhì)；此外，由于隔膜的工作環(huán)境中充滿電池電解液，因此其還需要具備較高的耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性，較好的浸潤性等。隔膜性能直接影響電池的綜合性能，對電池的容量、充電速度、放電倍率、循環(huán)壽命以及安全性能均會產(chǎn)生重要影響。鋰電池隔膜性能可分為理化性能，力學(xué)性能，熱性能及電化學(xué)性能4個方面。其中，理化性能包括厚度、孔隙率、平均孔徑大小與孔徑分布、透氣性、浸潤性、一致性等參數(shù)；力學(xué)性能主要包括穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等參數(shù)；熱性能包括閉孔溫度、融化溫度、熱收縮率等指標(biāo)；電化學(xué)性能包括循環(huán)性能（CP）、離子電導(dǎo)率和Mac-Mullin值等指標(biāo)。影響鋰電池隔膜性能的因素較多，主要包括材料配方、工藝控制、設(shè)備支持、技術(shù)支持等。由于隔膜性能與鋰電池的容量、安全性密切相關(guān)，故下游對隔膜各方面性能指標(biāo)的要求精細(xì)而嚴(yán)格。同時隨著鋰離子電池在動力和儲能等新能源領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深化，下游鋰電池廠商對于電池性能的要求也在不斷提升。這些都對隔膜生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)實力、工藝控制實力、設(shè)備設(shè)計改造實力提出了極高要求。在生產(chǎn)材料方面，鋰電池隔膜生產(chǎn)材料以聚烯烴為主，主要包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）以及聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）復(fù)合材料，主要基于聚烯烴有良好的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、高溫自閉性能，且成本低，能滿足鋰電池隔膜的性能要求和成本要求。PE隔膜與PP隔膜存在一定的差異，且適用的技術(shù)路線不同。PE材料的熔點較低，一般在141℃左右，適用于濕法和干法生產(chǎn)工藝，PP材料的熔點相對較高，一般在165℃左右，僅可用于干法生產(chǎn)工藝。在技術(shù)路線方面，鋰電池隔膜制備工藝可分為干法和濕法兩大類。干法工藝多用于PP膜的制造。具體是指將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結(jié)晶性聚合物薄膜，經(jīng)過結(jié)晶化處理、退火后，得到高度取向的多層結(jié)構(gòu)，在高溫下進(jìn)一步拉伸，將結(jié)晶界面進(jìn)行剝離，最終形成多孔結(jié)構(gòu)，其中干法工藝的拉伸步驟包括單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。濕法工藝主要用于單層PE隔膜的制造，工藝中一般使用石蠟油與PE混合占位造孔。濕法工藝也稱熱致相分離法，具體是指將小分子成孔劑與聚烯烴樹脂混合并加熱熔融后，形成均勻的混合物，然后利用熔融混合物降溫過程中發(fā)生固-液相或液-液相分離的現(xiàn)象，降溫進(jìn)行相分離，制得膜片，再將膜片加熱至接近熔點溫度，進(jìn)行雙向拉伸使分子鏈取向一致，最后用易揮發(fā)溶劑萃取出殘留的成孔劑，進(jìn)而制備出相互貫通的納米級微孔膜。與干法隔膜相比，濕法隔膜在孔徑大小、厚度均勻性、孔徑均勻性、拉伸強(qiáng)度和抗穿刺強(qiáng)度等方面有優(yōu)勢，適合生產(chǎn)高性能、高能量密度的鋰電池。主要應(yīng)用電池適用于對成本要求更高的鋰電池適用于對能量密度要求更高的鋰電池近年來隨著濕法隔膜制備技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，特別是新能源汽車用動力電池、高端數(shù)碼電池、儲能電池等下游高端鋰電池市場的增速放量，帶動了濕法隔膜銷售的快速增長。濕法隔膜與三元正極組合有利于提升鋰電池能量密度、續(xù)航里程，并降低單位Wh成本。同樣需要不斷提高能量密度的磷酸鐵鋰電池也逐漸開始使用濕法隔膜。同時受益于技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)，濕法隔膜制造成本逐漸下降，干濕法隔膜價差不斷縮小，濕法隔膜的出貨量占比逐年快速增長。濕法隔膜市場滲透率由2015年的32%提升到目前的已超過70%，濕法隔膜以其優(yōu)異的性能已占據(jù)了行業(yè)主導(dǎo)地位。濕法隔膜可分為基膜和涂覆隔膜，涂覆隔膜即在基膜的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂覆加工的濕法隔膜?；な芟抻赑E的低熔點，熱穩(wěn)定較差。為提升基膜的性能，通過在表面涂覆無機(jī)材料、耐熱高分子材料或兩者混合物的方法，形成涂覆隔膜，能極大地優(yōu)化隔膜性能。常見的涂覆材料包括氧化鋁、勃姆石等無機(jī)涂覆材料；PVDF、芳綸等有機(jī)涂覆材料；以及各類復(fù)合涂覆材料。由于涂覆可顯著改善隔膜性能，很大程度上解決濕法隔膜在熱穩(wěn)定性上的短板，濕法涂覆工藝已成為隔膜行業(yè)發(fā)展趨勢。一方面，涂覆材料可降低隔膜熱收縮率。例如在145℃下熱處理30分鐘，空白基膜與經(jīng)6μm氧化鋁涂覆的隔膜熱收縮率可相差超過50%。聚烯烴類隔膜的耐高溫性能較差，鋰電池溫度持續(xù)升高，隔膜會依次經(jīng)過收縮、閉孔、熔融三個階段。由于閉孔溫度低于熔融溫度，理論上隔膜發(fā)生閉孔時能夠停止電極間的離子交換，從而使電池喪失功能，同時阻止電池溫度進(jìn)一步上升，避免了因隔膜熔融破膜導(dǎo)致的電池短路。但是，由于聚烯烴薄膜的熔融破膜溫度與閉孔溫度溫差較?。ㄈ鏟E隔膜的閉孔溫度約為135℃，破膜溫度在147℃左右），閉孔后產(chǎn)生的余熱仍會使隔膜溫度持續(xù)上升，從而有可能使隔膜破膜，發(fā)生事故。通過涂覆處理后，隔膜的性能顯著提升，能夠使隔膜在達(dá)到聚烯烴熔融溫度后仍保持原有形狀，防止短路發(fā)生，提升電池安全性；另一方面，涂覆材料還大大提高了隔膜的抗刺穿能力，進(jìn)一步提高了電池的安全性。此外，涂覆材料由于相比于基膜具有更大的孔徑，因此能夠與電解液保持更高的浸潤性，進(jìn)而降低電池的內(nèi)阻，提高電池的放電功率。隨著陶瓷、PVDF、芳綸等涂覆工藝的逐漸成熟，濕法涂覆隔膜憑借更優(yōu)異的性能、更高的安全性優(yōu)勢逐漸占據(jù)行業(yè)主導(dǎo)地位。我國鋰電池隔膜技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀近年來，受益于新能源汽車快速增長，鋰電池需求不斷增加，從而帶動了鋰電隔膜的市場需求，使其出貨量也實現(xiàn)快速的增長。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國鋰電隔膜出貨量79億平方米，同比增長超100%。2022年上半年我國鋰電隔膜出貨量54億平方米，同比增長超55%。但目前我國鋰電池隔膜依賴進(jìn)口較大，未來隨著產(chǎn)能的擴(kuò)大，將有極大的進(jìn)口替代空間。其中我國鋰電隔膜市場出貨以濕法隔膜為主，且占比逐年提升。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國濕法隔膜產(chǎn)量60．6億平方米，占比76．7%；而到2022年上半年，濕法隔膜市場占比達(dá)到了達(dá)79%，這主要是受動力電池市場需求快速增長帶動。目前在濕法隔膜市場，恩捷股份在國內(nèi)市占率高達(dá)50．3%，中材科技和星源材質(zhì)位列二、三名。干法隔膜市場，中興新材、星源材質(zhì)和惠強(qiáng)新材位列前三名。但濕法隔膜是高技術(shù)壁壘、高資金投入，建設(shè)周期較長的產(chǎn)品。并且生產(chǎn)設(shè)備依賴進(jìn)口，包括日本制鋼所、德國布魯克納等。日本制鋼所的設(shè)備在濕法隔膜領(lǐng)域更領(lǐng)先，但其產(chǎn)能有限，無法匹配全球新能源汽車大發(fā)展對隔膜需求的增量，是目前擴(kuò)產(chǎn)中比較大的制約因素之一，2022年濕法隔膜仍然供不應(yīng)求，有望繼續(xù)保持高景氣度。鋰電池隔膜市場出貨量受益于全球新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶動了鋰電池隔膜市場規(guī)模不斷擴(kuò)張，全球市場出貨量也處于逐年增長的態(tài)勢，截至2020年末，全球鋰電池隔膜行業(yè)市場出貨量約為55億平方米，同比2019年同期的42億平方米增長31%，2021年全球市場出貨量大幅度上漲，達(dá)到106億平方米以上，較上年末同比增長92．7%，預(yù)測2023年全球鋰電池隔膜市場出貨量將達(dá)到260億平方米以上。鋰電池隔膜需求市場從全球鋰電池隔膜行業(yè)下游需求市場層面來看，主要包括鋰電池和動力電池兩個應(yīng)用領(lǐng)域，據(jù)北京研精畢智整理，2021年全球鋰電池市場出貨量為600GWh左右，同比增長122%，相比之下動力鋰電池市場出貨量稍低，同期市場出貨量為430GWh左右，同比增長140%，截止到2021年末，鋰電池和動力電池需求市場占全球鋰電池隔膜的比重分別達(dá)到52%和39%，此外其他需求市場占比合計為9%。中國鋰電池隔膜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化濕法隔膜仍將是主流隔膜技術(shù)路線，長期占據(jù)市場高份額。濕法隔膜輕薄且韌性較好。鋰離子電池隔膜制備方法主要分為濕法和干法。二者各有優(yōu)缺點，濕法隔膜工藝難度系數(shù)高，對設(shè)備要求高，建設(shè)投產(chǎn)周期長成本高，能源消耗較大，且需使用有機(jī)溶劑，環(huán)境污染大，但制得的隔膜精密度高，具有較高的孔隙率，薄膜孔徑小且均勻，薄膜更薄的同時還可保持良好的韌性，拉伸強(qiáng)度和穿刺強(qiáng)度更高。干法隔膜安全性及成本優(yōu)勢明顯。干法隔膜工藝相對簡單，環(huán)境友好且成本較低，然而孔徑的大小、分布和孔隙率難以控制導(dǎo)致穩(wěn)定性較差，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(jié)晶和非結(jié)晶區(qū)域之間有明顯的分隔，成膜通常較厚。但干法隔膜的耐熱性更好，各向熱收縮率都更小，閉孔溫度和熔斷溫度也更高，且成本優(yōu)勢明顯。隔膜是保證鋰離子電池安全穩(wěn)定工作的核心材料。目前我國鋰電池隔膜依賴進(jìn)口較大，未來隨著產(chǎn)能的擴(kuò)大，將有極大的進(jìn)口替代空間。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜的主要作用是使電池的正、負(fù)極分隔開來，防止兩極接觸而短路，此外還具有能使電解質(zhì)離子通過的功能。濕法隔膜技術(shù)是國內(nèi)鋰電池隔膜中主要的生產(chǎn)工藝，占比較重。2020年，國內(nèi)鋰電池濕法隔膜產(chǎn)能約為40．4億平方米，較2019年增長了15．1%。2020年，國內(nèi)干法隔膜產(chǎn)能約為14．1億平方米，較2019年增長了13．7%。隔膜材質(zhì)是不導(dǎo)電的，其物理化學(xué)性質(zhì)對電池的性能有很大的影響。電池的種類不同，采用的隔膜也不同。對于鋰電池系列，由于電解液為有機(jī)溶劑體系，因而需要有耐有機(jī)溶劑的隔膜材料，一般采用高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜。隨著鋰離子電池隔膜行業(yè)競爭激烈，不具備自主研發(fā)設(shè)計能力的鋰離子電池隔膜廠商的發(fā)展空間將逐漸縮小，國內(nèi)隔膜行業(yè)的競爭將主要集中在原材料配方工藝、微孔制備技術(shù)、成套設(shè)備設(shè)計能力、產(chǎn)品品質(zhì)及銷售渠道等方面，具備自主核心技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及銷售渠道的鋰離子電池隔膜廠商的市場占有率穩(wěn)步提升。分析認(rèn)為，國內(nèi)電池隔膜行業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行調(diào)整與重組，市場呈現(xiàn)出強(qiáng)者更強(qiáng)，弱者出局的趨勢，缺技術(shù)、少品牌、短資金的小微企業(yè)發(fā)展不容樂觀，未來隔膜行業(yè)將進(jìn)一步加快洗牌。鋰電池隔膜細(xì)分市場分產(chǎn)品類別來看，根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，2021年濕法鋰電池隔膜市場出貨量達(dá)到57億平方米左右，同比上升10．2%，占全球鋰電池隔膜市場出貨量的比重為53．8%，其次是干法鋰電池隔膜市場出貨量約為25億平方米，同比上升15．9%，市場占比達(dá)到23．6%，其他細(xì)分市場出貨量之和為24億平方米，占比30．3%。鋰電池隔膜行業(yè)基本概述鋰電池作由正極，負(fù)極，隔膜，電解液四個主要部分構(gòu)成。隔膜是一種具有微孔結(jié)構(gòu)的薄膜，是鋰離子電池中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中最具技術(shù)壁壘的關(guān)鍵內(nèi)層組件，成本占比約10%-20%，在鋰電池進(jìn)行電解反應(yīng)時，鋰電池隔膜可以用來分隔正極和負(fù)極防止短路現(xiàn)象的發(fā)生，同時允許電解質(zhì)離子自由通過。鋰電池隔膜浸潤在電解液中，表面上有大量允許鋰離子通過的微孔，微孔的材料、數(shù)量和厚度會影響鋰離子穿過隔膜的速度，進(jìn)而影響電池的放電倍率、循環(huán)壽命等性能。鋰電池作由正極、負(fù)極、隔膜、電解液四個主要部分構(gòu)成。隔膜是一種具有微孔結(jié)構(gòu)的薄膜，是鋰離子電池中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中最具技術(shù)壁壘的關(guān)鍵內(nèi)層組件，成本占比約10%-20%，在鋰電池進(jìn)行電解反應(yīng)時，鋰電池隔膜可以用來分隔正極和負(fù)極防止短路現(xiàn)象的發(fā)生，同時允許電解質(zhì)離子自由通過。鋰電池隔膜浸潤在電解液中，表面上有大量允許鋰離子通過的微孔，微孔的材料、數(shù)量和厚度會影響鋰離子穿過隔膜的速度，進(jìn)而影響電池的放電倍率、循環(huán)壽命等性能。鋰電池隔膜具有大量曲折貫通的微孔，能夠保證電解質(zhì)離子自由通過形成充放電回路；而在電池過度充電或者溫度升高時，隔膜通過閉孔功能將電池的正極和負(fù)極分開以防止其直接接觸而短路，達(dá)到阻隔電流傳導(dǎo)，防止電池過熱甚至爆炸的作用。目前，大規(guī)模商品化的鋰電池隔膜生產(chǎn)材料以聚烯烴為主，主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）復(fù)合材料。聚烯烴可提供良好的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和高溫自閉性能，是當(dāng)前鋰電池隔膜的主要原材料。鋰電池隔膜行業(yè)現(xiàn)狀受益于全球新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶動了鋰離子電池市場規(guī)模不斷擴(kuò)張，鋰電池隔膜作為鋰離子電池的重要材料之一，其決定著鋰離子電池的性能優(yōu)劣，是其產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著鋰電池隔膜生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，將會有效地推動未來行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。鋰電池隔膜是一種用于鋰電池的薄膜，可以防止電解液從電池中流出，保護(hù)電池內(nèi)部的元件免受損壞，其通常由多層聚合物薄膜組成，包括多層聚脂薄膜、多層聚氨酯薄膜和多層聚乙烯薄膜。鋰電池隔膜產(chǎn)業(yè)鏈從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)來看，上游環(huán)節(jié)為聚乙烯、聚丙烯、添加劑和涂覆材料等原材料；中游環(huán)節(jié)為鋰電池隔膜的生產(chǎn)與制造，包括干法隔膜和濕法隔膜等；下游環(huán)節(jié)為各類鋰電池的應(yīng)用，主要有動力鋰電池、儲能鋰電池和消費鋰電池等。鋰電池隔膜行業(yè)發(fā)展歷程在鋰電池的關(guān)鍵組件中，鋰電池隔膜的技術(shù)壁壘較高，長期依賴進(jìn)口，在中國實現(xiàn)國產(chǎn)化的時間最晚。中國鋰電池隔膜行業(yè)經(jīng)歷了進(jìn)口依賴、技術(shù)積累和高速發(fā)展階段，經(jīng)過不斷的發(fā)展，中國企業(yè)生產(chǎn)的鋰電池隔膜性能逐步提升，獲得了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可，國產(chǎn)化率穩(wěn)步提升。中國鋰電池隔膜行業(yè)起步較晚，由于鋰電池隔膜技術(shù)含量較高，在2010年以前，中國生產(chǎn)鋰電池隔膜的企業(yè)屈指可數(shù)。中科科技在2002年成為中國第一家進(jìn)入鋰電池隔膜領(lǐng)域的企業(yè)，于2005年成功研發(fā)出濕法鋰電池隔膜；2006年，星源材質(zhì)自主突破并掌握干濕法鋰電池隔膜的關(guān)鍵技術(shù)，打破國外壟斷。這一階段中國鋰電池隔膜公司鋰電池隔膜自主生產(chǎn)技術(shù)相對于發(fā)達(dá)國家較為低端，國產(chǎn)的鋰電池隔膜主要應(yīng)用于手電筒、手機(jī)、冰箱等領(lǐng)域，產(chǎn)能有限，而高端鋰電池隔膜的需求主要依賴進(jìn)口產(chǎn)品滿足?？傮w而言，這一階段中國鋰電池隔膜行業(yè)發(fā)展緩慢。從2010年開始，中國企業(yè)不斷研發(fā)新工藝及自主創(chuàng)新所需設(shè)備，逐漸具備自主研發(fā)技術(shù)，并形成了一定生產(chǎn)規(guī)模。2010年中國鋰電池隔膜企業(yè)突破20家；2011年星源材質(zhì)實現(xiàn)產(chǎn)能6000萬平方米，并與中國80%以上的鋰電池生產(chǎn)企業(yè)保持良好的合作關(guān)系；2012年，星源材質(zhì)新增4條干法生產(chǎn)線，產(chǎn)能達(dá)到9000萬平方米，并開始籌建新一代濕法隔膜生產(chǎn)線；2013年，金輝高科實現(xiàn)產(chǎn)能超過1億平方米。隨后，中國鋰電池隔膜生產(chǎn)廠家逐漸增多，生產(chǎn)工藝水平逐漸提升，部分干法鋰電池隔膜達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2014年，星源材質(zhì)開始大批量為韓國LG公司供貨；2015年，上海恩捷進(jìn)入美國SDI公司和韓國LG公司的供應(yīng)鏈，重慶紐米進(jìn)入韓國LG供應(yīng)鏈，隨后，中國鋰電池隔膜公司逐漸打開國際市場。基于對海外市場的不斷拓展，中國鋰電池隔膜行業(yè)進(jìn)入快速增長期。在中國鋰電池隔膜的技術(shù)不斷提高的背景下，鋰電池隔膜國產(chǎn)化率進(jìn)一步提升。在鋰電行業(yè)高速發(fā)展的過程中，中國鋰電池隔膜行業(yè)從供不應(yīng)求逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣┙o過剩，由于鋰電池隔膜產(chǎn)量的爆發(fā)式增長，中國成為全球鋰電池隔膜供應(yīng)的核心力量。從市場規(guī)模來看，增長主要原因：1）動力電池市場受全球新能源汽車終端需求提升帶動，2021年中國動力電池市場出貨量達(dá)220GWh，同步增速超170%；2）中國隔膜產(chǎn)品具備全球競爭力，受海外動力電池出貨量大幅增長帶動，國內(nèi)隔膜出口量快速增加；3）下游細(xì)分領(lǐng)域如儲能市場增速超100%，帶動鋰電隔膜出貨量增長。2021年我國鋰電池隔膜行業(yè)產(chǎn)量為78．2億平米，較上年增長114．84%，實現(xiàn)了快速增長。從我國隔膜產(chǎn)能區(qū)域分布來看，鋰電隔膜現(xiàn)有產(chǎn)能主要集中在華東地區(qū)，華中、華北及華南地區(qū)緊隨其后。其中，華東地區(qū)占據(jù)我國隔膜現(xiàn)有產(chǎn)能近一半的份額，主要來自于江蘇省的貢獻(xiàn)，其現(xiàn)有產(chǎn)能占華東地區(qū)產(chǎn)能近60%。華中地區(qū)隔膜現(xiàn)有產(chǎn)能主要集中在湖北和湖南兩省，兩地合計產(chǎn)能超20億平方米。華北地區(qū)現(xiàn)有