2015年初，國(guó)家及地方政府連續(xù)發(fā)布大量加快新能源汽車(chē)發(fā)展的相關(guān)政策，不僅提高了汽車(chē)市場(chǎng)的活躍度，也使能源汽車(chē)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”——鋰電池備受關(guān)注，不少鋰電池行業(yè)投資者開(kāi)始摩拳擦掌，準(zhǔn)備投入搶占市場(chǎng)的大部隊(duì)中。
在鋰電池的結(jié)構(gòu)中，電池隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一，也是技術(shù)壁壘最高的一種高附加值材料，約占鋰電池成本的20%-30%。隔膜的好壞決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有重要的作用。多名業(yè)內(nèi)人士表示，2015年，或?qū)⒊蔀殡姵?a href="http://heimacaiwu.com/">隔膜行業(yè)高速發(fā)展的“元年”。
從電池隔膜行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，主要呈現(xiàn)兩種態(tài)勢(shì)，一種是傾向于更加輕薄的消費(fèi)類鋰電池隔膜，主要針對(duì)手機(jī)、筆記本電腦以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等分布式應(yīng)用架構(gòu)體系，提升鋰電池的容量和便攜性；另一種是傾向于使用厚膜或者多層復(fù)合隔膜的動(dòng)力電池類隔膜，主要針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)、大規(guī)模儲(chǔ)能電站等大型動(dòng)力類應(yīng)用，要求能量輸出和功率特性較好，對(duì)安全性要求苛刻，能夠兼顧鋰電池的容量和安全性能。
中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)人張玉冰指出，中國(guó)電池隔膜工業(yè)不僅面臨兩大市場(chǎng)，更在經(jīng)歷“兩連跳”式跨越發(fā)展過(guò)程，制膜工藝和生產(chǎn)設(shè)備制造能力領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)在第一波跨越中勝出。
2012年-2014年期間，是生產(chǎn)工藝跨越引領(lǐng)隔膜工業(yè)升級(jí)的“第一跳”，該階段為生產(chǎn)工藝和設(shè)備制造能力實(shí)現(xiàn)突破的時(shí)期，其創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力將以企業(yè)自身的產(chǎn)業(yè)化工藝研發(fā)占據(jù)主導(dǎo)地位。在制膜工藝方面具有經(jīng)驗(yàn)積累，并且在生產(chǎn)設(shè)備制造方面具有創(chuàng)新能力的企業(yè)已經(jīng)在本輪隔膜國(guó)產(chǎn)化的大潮中脫穎而出。根據(jù)膜工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的2014年數(shù)據(jù)分析顯示，目前已經(jīng)有佛山東航光電集團(tuán)、新鄉(xiāng)格瑞恩集團(tuán)等18家企業(yè)完成歷史跳躍。
2015年-2020年為材料基礎(chǔ)研究能力提升引領(lǐng)隔膜工業(yè)升級(jí)的“第二跳”。從整個(gè)行業(yè)生態(tài)來(lái)看，完成第一階段的生產(chǎn)工藝升級(jí)之后，行業(yè)集中度將逐漸提升，龍頭企業(yè)將繼續(xù)延伸，通過(guò)建設(shè)高分子材料實(shí)驗(yàn)室等形式提升基體材料研發(fā)能力，從而推動(dòng)整個(gè)行業(yè)具備基礎(chǔ)材料改性和功能性改造的能力，最終以產(chǎn)品功能性差異占據(jù)市場(chǎng)。
隔膜是鋰電產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)門(mén)檻最高的環(huán)節(jié)。在我國(guó)，鋰離子電池原材料已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但是隔膜材料卻主要依靠進(jìn)口，制作隔膜的關(guān)鍵技術(shù)被日本和歐美壟斷。隔膜在我國(guó)雖已有生產(chǎn)，但是各項(xiàng)指標(biāo)還達(dá)不到國(guó)外的水平，有的甚至達(dá)不到使用的要求。
遼寧朝陽(yáng)立塬新能源有限公司副總經(jīng)理李薦表示，電池的好壞主要體現(xiàn)在隔膜中孔徑收縮發(fā)熱點(diǎn)控制方面。好的隔膜材料一般在達(dá)到160攝氏度左右孔徑才會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，而國(guó)產(chǎn)隔膜一般在130攝氏度就會(huì)出現(xiàn)收縮，這就造成了電池在使用國(guó)產(chǎn)隔膜的情況下容易發(fā)熱，極易造成溫度過(guò)高，甚至?xí)鸨ā?ldquo;目前國(guó)內(nèi)隔膜產(chǎn)品的品質(zhì)只能與國(guó)際品牌2004年的質(zhì)量水平相持平。”李薦說(shuō)道。
比亞迪新能源股份有限公司技術(shù)專家葛天麗表示，高端產(chǎn)品，特別是動(dòng)力電池對(duì)隔膜的一致性要求極高。除了厚度、面密度、力學(xué)性能這些基本要求之外，對(duì)隔膜微孔的尺寸和分布的均一性也有很高的要求。目前國(guó)產(chǎn)隔膜還存在厚度過(guò)厚、邊角參差不齊、表面晶點(diǎn)過(guò)多等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到電池容量、續(xù)航能力及批量生產(chǎn)。目前比亞迪在E6、F3DM等產(chǎn)品上均使用進(jìn)口的Celgard等隔膜產(chǎn)品，而在傳統(tǒng)低能電網(wǎng)儲(chǔ)能方面所用電池則優(yōu)先選用國(guó)產(chǎn)品牌。
天津電源研究所教授級(jí)高級(jí)工程師汪繼強(qiáng)指出，雖然國(guó)內(nèi)鋰電池隔膜產(chǎn)能增長(zhǎng)迅速，但高端隔膜技術(shù)尚待突破，隔膜材料仍是我國(guó)鋰電池產(chǎn)業(yè)的短板，采用創(chuàng)新技術(shù)推動(dòng)高端隔膜國(guó)產(chǎn)化是首要任務(wù)。“從鋰電池的發(fā)展來(lái)看，目前我們?nèi)允谴ぎa(chǎn)業(yè)階段，沒(méi)有自己的核心技術(shù)。從核心技術(shù)到設(shè)備制造再到技術(shù)工人匱乏，我們要想在一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條中整體超越，必須耐下心來(lái)彌補(bǔ)研發(fā)方面的短板。”汪繼強(qiáng)說(shuō)道。
經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，我國(guó)鋰電池隔膜已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，然而市場(chǎng)的要求在不斷變化，天津工業(yè)大學(xué)教授郭秉臣指出，為了更好地適應(yīng)中國(guó)鋰電市場(chǎng)對(duì)隔膜的要求，也為了我國(guó)隔膜企業(yè)自身健康發(fā)展，電池隔膜未來(lái)發(fā)展需注意以下三個(gè)方面。
首先是提高企業(yè)的自主創(chuàng)新水平，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定一致性。隔膜企業(yè)未來(lái)幾年應(yīng)重在研發(fā)而不是產(chǎn)業(yè)化。隔膜未來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)是新能源汽車(chē)動(dòng)力電池隔膜。在動(dòng)力電池方面，為了獲得高能量、提供大功率，一個(gè)電池通常需要使用幾十甚至上百個(gè)電芯進(jìn)行串聯(lián)。舉例來(lái)說(shuō)，由于鋰電池具有潛在的爆炸隱患，隔膜的安全性至關(guān)重要，因此需要重點(diǎn)解決隔膜的耐熱性能，生產(chǎn)能在充放電過(guò)程中，大面積正、負(fù)極短路后仍能保持隔膜完整性的耐高溫復(fù)合隔膜。
其次要注重隔膜專用原料的研發(fā)。我國(guó)隔膜產(chǎn)品與國(guó)外的差距，在很大程度上取決于原材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。國(guó)外知名隔膜廠家很多都自己生產(chǎn)原料，或是同原料廠家聯(lián)合開(kāi)發(fā)生產(chǎn)隔膜專用料，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)則是“各自為政”的狀態(tài)，生產(chǎn)與使用斷層問(wèn)題層出不窮。不過(guò)值得一提的是，目前南通天豐集團(tuán)已經(jīng)聯(lián)合南京大學(xué)與中石化合作開(kāi)發(fā)鋰電池隔膜專用材料。
最后要建造獨(dú)具特色的隔膜生產(chǎn)線。隔膜生產(chǎn)線工藝性很強(qiáng)，要研發(fā)自己的工藝路線，就要建成一批高效率、適合自身工藝特點(diǎn)的生產(chǎn)線。自主研發(fā)設(shè)計(jì)、在全球范圍內(nèi)選擇最合適的設(shè)備，加上國(guó)內(nèi)成熟的薄膜設(shè)備制造、設(shè)計(jì)企業(yè)提供的設(shè)備，完全可以滿足隔膜生產(chǎn)的需要。
案例分析
電池隔膜行業(yè)在國(guó)內(nèi)發(fā)展時(shí)間并不短，但卻一直“不溫不火”，技術(shù)壁壘始終難以沖破。目前來(lái)看，隔膜生產(chǎn)按照工藝可分為干法和濕法兩大類，本期，我們以濕法工藝為例，探尋國(guó)內(nèi)電池隔膜生產(chǎn)的難度到底在哪里？
我國(guó)濕法隔膜行業(yè)發(fā)展道路艱辛的最主要問(wèn)題是基體原材料研發(fā)能力不足。生產(chǎn)隔膜所采用基體材料對(duì)隔膜力學(xué)性能以及與電解液的浸潤(rùn)度等重要指標(biāo)有直接的關(guān)系。
濕法工藝生產(chǎn)隔膜產(chǎn)品的基體材料包括聚丙烯、聚乙烯材料及添加劑的制備和改性技術(shù)。國(guó)際主要隔膜供應(yīng)商日本旭化成和東燃化學(xué)以及美國(guó)Celgard集團(tuán)等巨頭都擁有自己的高分子實(shí)驗(yàn)室，可以獨(dú)立生產(chǎn)部分聚丙烯、聚乙烯材料。對(duì)比而言，我國(guó)鋰電池企業(yè)所采用的基體材料基本都是通過(guò)外購(gòu)，自身研發(fā)實(shí)力不強(qiáng)。
在基體材料方面，盡管我國(guó)主要依賴進(jìn)口，但供給相對(duì)充足，量并不是現(xiàn)階段影響濕法隔膜行業(yè)發(fā)展的主要因素，從行業(yè)發(fā)展的持續(xù)創(chuàng)新能力來(lái)看，只有具備基體材料研發(fā)和生產(chǎn)能力，我國(guó)隔膜企業(yè)才能充當(dāng)世界隔膜產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者。以日本東燃化學(xué)為例，與美孚化工合作后，東燃化學(xué)采用美孚化工研發(fā)的高熔點(diǎn)聚乙烯材料，推出了熔點(diǎn)高達(dá)170℃~180℃的濕法PE鋰電池隔膜。采用特殊處理的基體材料，極大的提高了隔膜的性能，滿足了鋰電池特殊用途，也使東燃化學(xué)在美國(guó)市場(chǎng)的份額增加了38%。
此外，生產(chǎn)過(guò)程精密控制能力不足導(dǎo)致產(chǎn)品一致性指標(biāo)較差也是影響濕法隔膜行業(yè)發(fā)展的主要原因。鑒于隔膜產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品均一性的嚴(yán)格要求，加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程精密控制同樣刻不容緩。
投料和配料系統(tǒng)。投料和配料的穩(wěn)定性直接關(guān)系到擠出過(guò)程的穩(wěn)定性，并且對(duì)厚片和薄膜的厚度產(chǎn)生重要的影響，例如主料和成孔劑的比例是電池隔膜微孔孔徑的大小及分布的影響因素之一。所以，投料和配料必須要得到比較高的精度保證，盡量安裝電腦精密控制的在線實(shí)時(shí)計(jì)量系統(tǒng)。
擠出混合系統(tǒng)。該環(huán)節(jié)在整個(gè)濕法工藝過(guò)程中尤為重要，需要滿足如下的要求：(1)能夠具備較強(qiáng)的剪切塑化能力，讓主料快速、均勻的塑化；(2)能夠具備很好的混合效果，讓主料與成孔劑均勻混合；(3)能夠讓物料與擠出機(jī)之間不打滑、不倒流，能夠穩(wěn)定進(jìn)料。該環(huán)節(jié)對(duì)混合的均勻性以及進(jìn)料的穩(wěn)定性計(jì)量要求嚴(yán)格。
鑄片冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要滿足如下的要求：(1)冷卻熔體，形成厚片；(2)急冷熔體，降低厚片結(jié)晶度，防止球晶的形成；降低厚片結(jié)晶度，防止球晶的形成；(3)急冷“塑料-成孔劑”混合物熔體，使成孔劑與聚烯烴產(chǎn)生熱致性相分離；(4)急冷厚片表面，使已產(chǎn)生相分離的大部分成孔劑被鎖在厚片里面，使成孔劑不容易流走和滲出。該環(huán)節(jié)對(duì)溫度控制和冷卻速度的控制要求精度很高。
拉伸系統(tǒng)。拉伸系統(tǒng)是薄膜生產(chǎn)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)，目的是使分子鏈在拉伸的過(guò)程中產(chǎn)生取向，從而改善和提高產(chǎn)品的應(yīng)用性能。經(jīng)過(guò)雙向拉伸后的油膜，分子鏈得到了縱橫兩個(gè)方向取向，而成孔劑也均勻地分布在發(fā)生了取向的分子鏈之間，形成了特殊的“網(wǎng)-油”混合結(jié)構(gòu)。從熱力學(xué)角度來(lái)看，隔膜的微孔或微孔形狀已經(jīng)形成，只是成孔劑仍然占據(jù)了孔的位置，堵住了隔膜的孔眼，使得微孔狀態(tài)很難呈現(xiàn)出來(lái)。
收卷系統(tǒng)。要求收卷張力始終保持在合適的范圍之內(nèi)，并且能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整，鋰離子隔膜的油膜由于成孔劑的存在，收卷張力過(guò)小容易造成打滑跑偏，而張力過(guò)大又會(huì)造成縱向碰得太緊產(chǎn)生縱皺，影響后續(xù)加工的質(zhì)量。
洗滌烘干系統(tǒng)。該環(huán)節(jié)是濕法鋰離子隔膜生產(chǎn)特有的工序過(guò)程。該系統(tǒng)的作用是將成孔劑從油膜的孔隙中趕出來(lái)或萃取出來(lái)，形成能讓鋰離子通過(guò)的微孔結(jié)構(gòu)。洗滌過(guò)程要求快速以適應(yīng)高速生產(chǎn)，要求萃取能力高，以滿足鋰離子隔膜低成孔劑殘留量的要求。
電池隔膜濕法工藝需要添加有機(jī)溶劑，進(jìn)而在隔膜用微孔膜制造過(guò)程中，可以在溶劑萃取前進(jìn)行單向或雙向拉伸，萃取后進(jìn)行定型處理并收卷成膜，也可以在萃取后進(jìn)行拉伸。用這種方法生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯微孔膜具有良好的機(jī)械性能。
與干法公司相比，濕法制膜過(guò)程相對(duì)容易調(diào)控，可以較好地控制孔徑、孔徑分布和孔隙率。但制備過(guò)程中需要大量的溶劑，容易造成環(huán)境污染，如何降低工藝對(duì)環(huán)境的危害，是絕大多數(shù)濕法企業(yè)最頭疼的事情。從國(guó)際市場(chǎng)來(lái)看，日韓廠商采用濕法工藝的公司較多，主要有日本旭化成、東燃化學(xué)、三菱化學(xué)、韓國(guó)SK化學(xué)等。
濕法工藝生產(chǎn)電池隔膜產(chǎn)品，目前所需設(shè)備多數(shù)為進(jìn)口，暫時(shí)沒(méi)有整套生產(chǎn)線均為國(guó)產(chǎn)設(shè)備的情況，其中，攪拌機(jī)為100%進(jìn)口。按月產(chǎn)100萬(wàn)平方米濕法隔膜來(lái)計(jì)算，總投資估算為6986萬(wàn)元，其中，固定資產(chǎn)投入為3370萬(wàn)元，流動(dòng)資產(chǎn)投入為1540萬(wàn)元，6個(gè)月的原材料安全庫(kù)存2076萬(wàn)元，其中固定資產(chǎn)投入占比達(dá)到48%，令不少企業(yè)感覺(jué)“壓力山大”。