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锂离子电池隔膜需未雨绸缪防产能过剩

锂电中国浏览量:4165时间:2011-05-13 11:04:36

本网点评:

曾经陈立泉院士问一位企业老总:“什么时候锂离子电池成本可以和铅酸电池相比拟?”“那需要等到锂离子电池的隔膜国产化了!”对方的回答让他有些吃惊。由此可见,隔膜国产化在锂电产业中的重要。

在我国锂电池关键材料中,有两三个重要环节比较短缺,没有国产化或正在国产化——隔膜和锂盐。他们在电池成本里面大概占到1/3,如短期能够实现国产化,锂电池成本还能降低,将更具竞争优势。

锂电池隔膜是产量过剩还是急需科技攻关在竞争中突围,打败日本、美国等竞争对手?锂电中国网认为产能过剩不可怕,毕竟未来可以预见天文数字的应用市场,做一些储备无可厚非;可怕的动力电池隔膜技术创新没有进展,国内隔膜企业生产不了高品质的、稳定的隔膜,一直处于低端的应用市场,陷入无休止的价格战。锂动力电池市场拱手让给跨国隔膜公司的垄断,瓜分(他们定价高的出奇),进而制约中国锂电池产业乃至电动汽车的发展。

新世纪以来,手机、笔记本电脑、数码照相机和摄像机的迅速普及,以及电动汽车的推广,使得锂电池与百姓的生活越来越贴近。作为一种清洁能源载体,锂电池自上世纪90年代实现商品化以来,受到了世界各国的广泛追捧。我国锂电池产业是在近几年快速成长起来的。2010年我国锂电池产量约为20亿只,销售收入约为180亿元人民币。未来动力电池车是我国汽车工业的主攻方向之一,隔膜作为锂电池的核心材料,发展潜力巨大。

尽管锂电池隔膜行业是一个新兴产业,清洁能源的发展也为其带来了新一轮的发展机遇,但我们必须认识到,前期投资的隔膜生产线项目今明年将全部建成投产,其产能可达8亿平方米,加上国外隔膜厂家扩产后的6亿平方米,产能将远远超出市场需求量,过剩危机在所难免。业内专家提醒,对这一点要有清醒的认识,生产工艺的稳定、优化和提升需要企业长期的摸索和研究,我国锂电池隔膜行业未来的发展重点不是产业化,而是要根据市场需求变化进行有的放矢的研发。

国产膜逐步替代进口

中国化学与物理锂电池行业协会统计资料显示,我国目前已经成为世界主要的锂电池生产基地,是第二大锂电池生产国和出口国,锂电池产品已经占到全球30%~40%的市场份额。我国对锂电池隔膜的需求与日俱增,2009年我国锂电池隔膜需求量超过1.2亿平方米。

中国塑料加工工业协会双向拉伸聚丙烯专委会理事长吴耀根介绍说,锂电池隔膜是锂电池中关键的内层组件。电池的容量、循环性能和充放电电流密度等关键性能与隔膜有着直接的关系,性能优异的隔膜对提高电池及动力电池的综合性能起着重要作用。隔膜吸收电解液后,可隔离正、负极,以防止短路,但同时还要允许锂离子的传导。在过度充电或者温度升高时,隔膜还要有高温自闭性能,担当起阻隔电流传导防止爆炸的作用。隔膜性能决定着电池的界面结构和内阻。不仅如此,锂电池隔膜还要有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性、生物相容性好、无毒等特点。

也正是有如此严格的技术性能要求,锂电池隔膜的制造技术难度大,制造工艺的相关专利被美国和日本等少数国家垄断。我国锂电池产业发展之初,锂电池隔膜全部依靠进口。在锂电池四大关键元件中,隔膜是最后一个实现国产化的元件。

中科院化学所从上世纪90年代开始开发干法双向拉伸工艺,通过在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改进剂,利用聚丙烯不同相态间密度的差异,在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔,用于生产单层PP膜;2000年国家“863”计划项目给予支持;2005年开始,中科院化学所与新时科技公司合作开展干法双向拉伸工艺的中试研究;2007年11月成功建成并投产了一条年产聚丙烯微孔膜600万平方米的生产线,用此工艺生产的聚丙烯微孔膜具有不同于传统工艺制得隔膜的微孔结构,通过国内30多家电池厂在锂离子电池上进行评价,产品基本性能已经完全满足锂电池隔膜的质量指标要求,市场反应积极,2008年2月份开始已经有产品在市场上销售。经过近几年的发展,我国锂电池隔膜已有了长足的进步,有了自己的干法、湿法生产线,还有企业最近还陆续推出了多层复合隔膜。

纵观国内的锂电池隔膜市场,虽然目前依然是国外品牌一统天下,但是隔膜的国产化已经呈现出喜人的局面。部分隔膜已实现了市场化,并且产能在逐步扩大,产品的质量也在不断提升。目前,国产隔膜在低、中端市场已经大部分替代了进口产品,少量产品已经进入高端市场,进口产品价格随着国产隔膜的问世有所降低,由原来的4美元/平方米降低到现在的1美元/平方米。

深圳市星源材质科技股份有限公司、佛山市金辉高科光电材料有限公司、新乡市格瑞恩新能源材料股份有限公司、南通天丰电子新材料有限公司等几家龙头企业的的产品与进口膜相比,性能指标已相差无几,且价格只有进口隔膜的1/3~1/2甚至更低,而且供货周期短、售后服务及时,可真正为客户做到量身定做,产品和服务均得到了用户的认可,国产锂电池的市场份额提高到20%。

产能扩张迅速露过剩端倪

随着技术的进步和国产市场份额的扩大,特别是对未来市场的期待,以及国家政策的导向等一系列因素的叠加,国内锂电池隔膜生产线扩能的势头正劲。几家大的锂电池隔膜企业在原有的基础上,纷纷开始扩大生产。

格瑞恩公司是国内锂电隔膜干法双向逐次拉伸的代表,也是国内最早实现隔膜产业化生产的企业,在国内手机等通讯类市场国产膜占有最大份额,目前隔膜生产线数量为国内最多,已有产能3500万平方米/年,目前正在新建1亿平方米/年生产线;佛山金辉公司是国内湿法工艺生产生产隔膜的代表,是国内最早实现湿法产业化生产的企业,目前产能1200万平方米/年,在建4000万平方米/年产能;深圳星源材质公司是国内唯一拥有干法单向拉伸和湿法生产工艺的企业,干法复合膜产品得到动力电池厂的广泛认可,已有产能5000万平方米,在建5000万平方米/年产能;南通天丰公司是国内唯一拥有干法单向、双向同步拉伸工艺的企业,是国内最早从事锂电隔膜研发的企业之一,是隔膜行业国家级研发、产业化基地,生产的多层复合膜得到国内外市场的广泛认可,尤其在动力电池应用方面效果尤佳,已有产能3000万平方米/年,在建7000万平方米/年产能。

我国锂电池生产有超前性,在电动汽车产业还没有启动之前,我国就已上了一大批锂电池和锂电池材料生产企业。吴耀根指出,这样的超前投资,势必造成产能的严重过剩和资源的浪费。如果这些隔膜生产线项目今明年全部建成投产,估计其产能可达8亿平方米,加上国外隔膜厂家扩产后的6亿平方米,如此大的产能已远远超出市场需求量,产能过剩危机在所难免。

中国塑料加工工业协会会长廖正品也表示,目前全国投资锂电池隔膜生产线的企业已经接近40家。这些企业中,绝大数对锂电池隔膜的生产工艺了解不够深入,大部分投资购买的锂电池隔膜生产线都未能正常生产。但即使是这样的一种状况,依然挡不住企业投资的热情。记者粗略地统计了一下,目前全国各地在建的生产线接近20条,富汇投资管理有限公司等一些投资公司也表示看好这一新兴领域。

在这样的投资热潮中,在BOPP膜行业有着20年从业经验的南通天丰电子新材料有限公司总经理范建国提出,尽管锂电池及其隔膜行业是一个新兴产业,清洁能源的发展也为其带来了新一轮的发展高潮,但我们必须认识到,目前我国的生产的大部分产品还是中低档货,高端产品依然大量进口。生产工艺的稳定、优化和提升需要企业长期的摸索和研究。我国锂电池隔膜行业未来的发展重点不是产业化,而是要根据市场需求变化进行有的放矢的研发。

吴耀根也表示对产能过剩的担忧。由于前两年电子产品的迅速发展,锂电池需求量猛增,造成了隔膜的供不应求的局面。但随着新增锂电池市场的饱和,需求增长速度放缓,在加上原有隔膜厂家新上产能相继投产,产能的增长将大于市场需求,产能过剩将逐步显现。另外隔膜技术也已经从垄断技术向公知技术转化,国内隔膜同质化竞争将加剧。

自主创新应对挑战

据台湾工研院数据统计显示,2010年全球锂电池隔膜产量3.51亿平方米,同比增长38%。而随着电动车市场的启动,这一增长率未来还将有大幅度提升。预计到2013年,全球隔膜需求量可达5.63亿平方米,为2009年市场容量的1.76倍。国际主要厂商均处于扩产进程中,几乎所有厂商都将在今后两年内将产能提高一倍以上。

如何面对产能增长带来的过剩隐忧和市场增长带来的吸引力,范建国表示,我们面对的是一个复杂的市场环境。锂电池隔膜长期以来一直笼罩着一层神秘的色彩,除了有它高利润外,还有就是技术上的壁垒。其技术壁垒在于它的造孔工艺难度大,集中体现在工程技术和基本材料上。其中造孔的工程技术包括隔膜造孔工艺、生产设备以及产品的一致性。基本材料包括聚烯烃材料的添加剂配方,虽然都是经纵向、横向拉伸制膜,但却是一个复杂而精密的加工过程。只有有非常高要求的生产工艺配方,才能有优异的孔的均匀度及厚度的均匀性。

国内企业无不都在尝试突破国外技术壁垒,开发锂电池隔膜,但难度较大。我国在生产技术方面缺乏自主知识产权,在锂电池隔膜生产的关键材料、配方方面缺乏研究,往往是膜很容易做出来,但合格率低、一致性差,无法大规模产业化生产。另外锂电池隔膜工艺对设备要求苛刻,设备加工精度及运行控制的偏差,限制了产业化生产。一般企业都是在经过3~5年的艰苦研发后,才能走出了一条有自己特色的、有自主知识产权的创新之路。

范建国建议,业协会要及时发布相关信息,加强行业协调,提高行业调控力度。企业要加强自律,在上项目之前,一定要进行充分的市场论证、技术论证,绝不能盲目跟进,听信错误信息,认为挖几个人,买条线就可以变印钞机。要加大技术研发力度,提高自主创新能力。创新是企业前进的动力,如果我们一味地用不成熟的工艺及简易设备生产中低端产品,而不在原料、设备、工艺改进上加大研发力度,拿不出具有自主知识产权的、适合我国锂电池企业发展配套的产品,我们最终会在竞争中被淘汰。因此,我国的隔膜企业一定加强创新意识,加大科技创新的投入,这样企业才会在激烈的市场竞争中立于不败之地。

在技术创新方面,范建国认为,隔膜企业未来几年应重在研发而不是产业化。隔膜未来的研发重点是新能源汽车动力电池隔膜。企业要重点解决隔膜的耐热性能,生产能在充放电过程中,大面积正、负极短路后仍能保持隔膜完整性的耐高温复合隔膜;在不影响容量的前提下,做出更薄的能满足小巧、微型产品需要的隔膜和满足动力电池性能需求的多功能复合薄膜;开发吸液性能、保液性能更好的隔膜,提高离子电导率。研发聚合物电解质隔膜、纤维隔膜等新型隔膜产品。

范建国告诉记者,他在走访客户时,遇到最多的问题就是国内企业生产出来的隔膜一致性不好。质量控制得好的时候和进口的差不多,质量控制不好的时候就很差。产品质量稳定与否主要取决于工艺、设备、原料及操作四大要素,每一个环节都控制好了产品质量稳定性才有保证。另外,我国隔膜产品与国外差距有很大程度上取决于原材料。国外知名隔膜厂家都有自己的专用料,要么自己生产原料,要么和原料厂家联合开发生产隔膜专用料。

范建国指出,由于锂电池隔膜生产线工艺性很强,我们要研发自己的工艺路线,所以要建成一批高效率、适合自身工艺特点的生产线。这样做,既可以最大限度地保护自主知识产权,大大降低投资成本,缩短项目建设周期,同时又可以培养自己的核心技术研发团队,增强企业的竞争力。

锂离子电池隔膜主要性能要求

厚度均匀性

锂离子电池隔膜的厚度均匀性直接影响隔膜卷的外观质量以致内在性能,是生产过程严加控制的质量指标之一。

在自动化程度很高的隔膜生产线上,隔膜厚度都是采用精度很高的在线非接触式测厚仪及快速反馈控制系统进行自动检测和控制的。隔膜的厚度均匀性包括纵向厚度均匀性和横向厚度均匀性。其中横向厚度均匀性尤为重要。一般均要求控制在±1微米以内。

力学性能

隔膜的力学性能是影响其应用的一个重要因素,如果隔膜破裂,就会发生短路,降低成品率,因此要求隔膜在电池组装和充放电结构使用过程中,需要自身具有一定的机械强度。隔膜的机械强度可用抗穿刺强度和拉伸强度来衡量。

拉伸强度 隔膜的拉伸强度与制膜的工艺相关联。采用单轴拉伸,膜在拉伸方向上与垂直方向强度不同;而采用双轴拉伸时,隔膜在两个方向上一致性会相近。一般拉伸强度主要是指纵向强度要达到100mP以上,横向强度不能太大,过大会导致横向收缩率增大,这种收缩会加大锂电池厂家正、负极接触的几率。

抗穿刺强度 抗穿刺强度是指施加在给定针形物上用来戳穿隔膜样本的质量,用它来表示隔膜在装配过程中发生短路的趋势。因隔膜是被夹在凹凸不平的正、负极片间,需要承受很大的压力。为了防止短路,所以隔膜必须具备一定的抗穿刺强度。经验上,抗穿刺强度值在300~500克。

透过性能

透过性能可用在一定时间和压力下,通过隔膜气体的量的多少来表征,主要反映了锂离子透过隔膜的通畅性。隔膜透过性的大小是隔膜孔隙率、孔径、孔的形状及孔曲折度等隔膜内部孔结构综合因素影响的结果。

作为锂电池隔膜材料,本身具有微孔结构,微孔在整个隔膜材料中的分布应当均匀。孔径一般在0.03μm~0.12μm,孔径太小会增加电阻,太大则易使正负极接触或被枝晶刺穿短路。

隔膜厂家现在基本以透气度、孔隙度指标来衡量透气性。孔隙率是单体膜的体积中孔的体积百分率,它与原料树脂及膜的密度有关。现有锂离子电池隔膜的孔隙率在40%~50%之间。

理化性能

润湿性和润湿速度 较好的润湿性有利于提高隔膜与电解液的亲和性,扩大隔膜与电解液的接触面,从而增加离子导电性,提高电池的充放电性能和容量。隔膜对电解液的润湿性可通过测定其吸液率和持液率来衡量。

化学稳定性 隔膜在电解液中应当保持长久的稳定性,不与电解液和电极物质反应。其化学稳定性是通过测定耐电解液腐蚀能力和胀缩率来评价的。

热稳定性 电池在充放电过程中会释放热量,尤其在短路或过充电的时候,会有大量热量放出。因此,当温度升高的时候,隔膜应当保持原有的完整性和一定的力学性能,发挥隔离正、负极、防止短路的作用。

安全保护性能 随着锂电池应用范围的逐渐扩大,尤其是动力电池领域,锂离子电池的安全性成为锂电池厂家的最为重视的环节。作为锂电池最为关键的核心材料,对隔膜也提出了更高的要求。

目前锂电池用隔膜一般都能够提供一个附加的功能,就是热关闭。这一特性可以为锂离子电池提供一个额外的安全保护。该功能主要参数为闭孔温度和破膜温度。

闭孔温度是微孔闭合时的温度,当电池内部发生放热反应自热、过充或者电池外部短路时,这些情况都会产生大量的热量。当温度接近隔膜熔点时,微孔闭合形成热关闭,从而阻断离子的继续传输而形成断路,起到保护电池的作用。一般PE为130℃~140℃,PP为150℃。破膜温度是指电池内部自热,外部短路使电池内部温度升高,超过闭合温度后微孔闭塞阻断电流通过,热熔性能温度进一步上升,造成隔膜破裂、电池短路。破裂时的温度即为破膜温度。高品质的隔膜有较低的闭孔温度和较高的破裂温度。

我国锂离子电池行业发展情况

我国现已是全球电池制造大国,电池的产量和出口量均位居世界第一。我国锂离子电池产业化始于1997年后期,走过了一条引进、学习、研发的产业化道路。2000年中国的锂离子电池产量仅为0.35亿只。

进入2001年以后,随着深圳比亚迪、比克、邦凯、天津力神等锂离子电池企业的迅速崛起,我国的锂离子电池产业开始进入快速成长阶段。2004年达到8亿只,在全球市场的市场份额猛增到38%,仅次于日本。在其后的2005~2008年,我国的锂离子电池全球市场份额稳定在34%左右,自此形成了中日韩三足鼎立的局面。2010年我国锂电池的产量约为20亿只,销售收入约为180亿元人民币。

2010年锂离子电池出口量为11.95亿只。在与国际大厂配套方面,2010年日本占42%,韩国占38%,我国仅占18%。锂离子电池需求巨大,但我国锂电池企业在全球的市场份额却在减少,竞争力在减弱。

目前,中国作为全球最大的锂离子电池制造基地之一,比亚迪、力神、比克、ATL已发展成为全球锂电池行业引人注目的重点企业。我国锂离子电池的生产厂家集中在广州、天津、山东、江苏、浙江等地,华南地区(广东、福建)的锂电池生产量仍占国内市场份额的65%,其他省占10%。华南地区锂电生产最具代表性的为深圳,盘踞了比亚迪、比克、邦凯、华粤宝等众多知名企业,形成了产业集群。

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