锂离子电池隔膜生产技术论文

2022-04-22

在“十二五”规划确定的七大战略性新兴产业中,新能源、新材料和新能源汽车不仅是全球高度关注和奋力抢占制高点的重要领域,还成为展示未来综合国力的重要战略高地,发展空间极大。实际上,我国新能源和新能源汽车市场自2014年以来一直政策“加身”,一路高歌前进。下面小编整理了一些《锂离子电池隔膜生产技术论文(精选3篇)》,供大家参考借鉴,希望可以帮助到有需要的朋友。

锂离子电池隔膜生产技术论文 篇1:

国内锂电池隔膜行业状况

锂离子电池是现代高性能电池的代表,由正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个主要部分组成。其中,隔膜是一种具有微孔结构的薄膜,是锂离子电池产业链中技术壁垒最高的一種高附加值材料,也是锂电池材料中最后一个实现国产化的关键材料。

一、锂电池隔膜的简介

隔膜在锂电池中起到两个主要作用:1、隔开锂电池的正负极,防止正、负极接触形成短路;2、薄膜中的微孔能够让锂离子通过,形成充放电回路。

二、锂电池隔膜的重要性

从“大”处看,主要体现在电动自行车和电动汽车所使用的锂动力电池方面,透过国内曝光的电动车自燃事件不难看出,安全性能是目前制约动力锂电池的瓶颈。这里面的主要原因表现在三个方面:一是安全性是锂离子电池隔膜理化性能的核心,其他三个性能中任意一个缺陷都可以带来安全性能不稳;二是动力锂电池单体电芯本身容量越大,则需要串联的电芯数就会少些,这在客观上要求动力锂电池采用容量更大的电芯,容量越大,则电芯的性能指标需要更细腻的工艺来保证;三是由于串联电芯的一致性和组合技术会带来安全隐患,这就尤其需要锂电池隔膜的制造更加精密。

锂电池隔膜作为锂电池的关键材料之一,是锂电池材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料,也是锂电池材料中最后一个实现国产化的关键材料。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。

1. 在锂电池四大细分领域中产值增速最快。

2016年埋电池四大核心正极、负极、隔膜和电解液的行业产值增速均超过50%。其中隔膜产值增速最高超过100% , 2016年到2020年隔膜需求是从20%有望增速到60%, 2020年隔膜需求量有望超过30亿平方米。

2、在锂电池四大细分领域中技术壁垒最高,毛利率最高。

相比正极、负极、电解液等电极材料而言,隔膜的国产率最低、技术壁垒最高,直接决定锂电池使用性能和安全性。隔膜长期以来都是投资回报率较高的领域,这就凸显了单独研究锂电池隔膜的重要性。

3、在锂电池四大细分领域中成本占比位居第二。

整个锂电池的生产成本中,正极材料占30%的比重,位居第一;隔膜占25%的比重,位居第二;负极材料占15%的比重,位居第三。

三、锂电池隔膜的分类

市场化的隔膜材料主要是以聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)为主的聚烯烃(Polyolefin)类隔膜,其中PE 产品主要由湿法工艺制得,PP 产品主要由干法工艺制得。至于PE 和PP 这两种材料的特性。

总体而言:

①PP 相对更耐高温,PE 相对耐低温;

②PP 密度比PE 小;

③PP 熔点和闭孔温度比PE高;

④PP 制品比PE 脆;

⑤PE 对环境应力更敏感。

主要的隔膜材料产品有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP 和三层PP/PE/PP 等,其中前两类产品主要用于3C 小电池领域,后几类产品主要用于动力锂电池领域。在动力锂电池用隔膜材料产品中,双层PP/PP 隔膜材料主要由中国企业生产,在中国大陆使用,这主要是因为目前阶段还没有中国企业能将PP 与PE 制成双层复合膜的技术和能力。而全球汽车动力锂电池使用的隔膜以三层PP/PE/PP、双层PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料产品为主。

与此同时,其他一些新型隔膜材料产品也在不断涌现并开始实现应用,不过,因量少价高,主要还是用在动力锂电池制造领域。这些产品主要有:涂层处理的聚酯膜(PET,Polyethylene Terephthalate)、纤维素膜、聚酰亚胺膜(PI)、聚酰胺膜(PA),氨纶或芳纶膜等等。这些隔膜的优点是耐高温,且具有低温输出、充电循环寿命长、机械强度适中的特点。总的来看,锂电池隔膜材料产品呈现出明显的多样化发展趋势。

四、锂电池隔膜生产工艺

1、锂离子电池的隔膜性能要求:隔膜位于正极和负极之间,主要作用是将正负极活性物质分隔开,防止两极因接触而短路;此外在电化学反应时,能保持必要的电解液,形成离子移动的通道。隔膜材质是不导电的,电池的种类不同,采用的隔膜也不同。对于锂离子电池,由于电解液为有机溶剂体系,其隔膜要求具有以下性能。

① 在电池体系内,其化学稳定性要好,所用材料能耐有机溶剂。

② 机械强度大,使用寿命长。

③ 有机电解液的离子电导率比水溶液体系低,为了减少电阻,电极面积必须尽可能大,因此隔膜必须很薄。

④ 当电池体系发生异常时,温度升高,为防止产生危险,在快速产热温度(120~140℃)开始时,热塑性隔膜发生熔融,微孔关闭,变为绝缘体,防止电解质通过,从而达到遮断电流的目的。

⑤ 从锂电池的角度而言,要能被有机电解液充分浸渍,而且在反复充放电过程中能保持高度浸渍。

2、隔膜主要技术指标。

隔膜的优异与否直接影响锂电池的容量、循环能力以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用,具体要求如下表:

3、聚烯烃隔膜制备的工艺流程。

微孔制备技术是锂电池隔膜制备工艺的核心,根据微孔成孔机理的区别可以将隔膜工艺分为干法(熔融拉伸法,MSCS)与湿法(热致相分离法,TIPS)两种。

干法单拉:将聚烯烃树脂熔融后挤出并成膜(吹塑或者流延等),结晶化后进行纵拉MD方向热处理并拉伸,从而使聚合物晶片分离形成多孔结构。工艺图如下:

干法双拉:将聚烯烃树脂加上β晶型成核剂熔融后挤出并成膜,结晶化后先进行纵拉MD方向热处理并拉伸,然后在横拉TD方向预热拉伸,最后热定型,(α晶型结构)晶型转变晶体体积收缩产生微孔结构。

湿法双拉:将聚烯烃(一般PE)与增塑剂(高沸点的烃类或小分子溶剂)熔融混合后进行冷却处理,降温过程中发生相分离,压制膜片,双向拉伸后,用易挥发的溶剂(二氯甲烷或三氯乙烯)将增塑剂从薄膜中萃取出来得到微孔膜,工艺流程如下图:

下表是干湿法工艺对比,从比较结果可以得出,湿法隔膜在厚度均匀、力学性能、透气性和理化性能等材料性质方面更为优良,适合做高容量电池。同样,湿法隔膜工艺也存在许多劣势,需要大量的溶剂,有污染,设备工艺复杂,生产效率低等。国内目前集中使用干法工艺,但由于市场偏向大功率、大容量、超薄的电池,湿法越来越成为主流的工艺技术。

4、涂层隔膜。

主要以PP或PE微孔膜(或无纺布等其它基膜)为作为基膜,涂覆上陶瓷氧化铝、PVDF、芳纶等胶黏剂,能够大幅提高隔膜的热稳定性、降低收缩率,产品性能优于干法薄膜,常规膜与涂覆膜性能对比如下图:

虽然能克服常规隔膜的性能缺陷,但也同样存在厚度、相容性、致密性、工艺温度、匹配性和对基体材料要求高等技术难点,目前只有少数公司采用此工艺。

5、无纺布隔膜。

主要以聚酰亚胺PI、聚酯PET、芳纶和纤维素膜等材料制备的纤维无纺布隔膜,由于生产效率低、强度低,工艺更新快,因此,此类薄膜生产企业较少。

数据显示,得益于下游动力锂电池的旺盛需求,近年来锂电池隔膜的出货量急剧攀升。2016年,中国锂离子电池隔膜的出货量为12.7亿平米,同比增长64.9%。

锂电池隔膜在中国的产业化最早始于2007年,2010年国内企业开始大量布局产线。由于隔膜产能释放周期比较长,从“立项—订设备—調试设备—定型”大概需要两年时间,国产隔膜产能在2013年逐步释放,直至2014年才开始完全释放。如上图所示,锂电池隔膜出货量连续6年保持50%以上的复合增长率, 6年时间上涨了10倍,可谓需求之旺盛。新能源汽车的发展刺激了锂电池的需求,直接带动了电池隔膜井喷式的发展。

2、资本助力锂电池隔膜企业成长。

锂电池隔膜行业属于典型的高门槛、高投入的行业,如果没有资本助力,也很难做大做强。以下是中国锂电池隔膜领域2016年排名比较靠前的前15名企业:

据了解,新的投资项目仍在源源不断上马,若已经公开的项目全部投产,到2018年,预计我国锂电池隔膜生产企业将达到70家,产能将超过8亿平米。

目前干法单拉隔膜均价已跌至每平米3元,双拉跌至每平米2元,湿法跌至每平米4.1元,干法价格下降得比较厉害。不过,对于隔膜价格的下降,星源材质方面则表示,上游企业新能源汽车、电池的价格也在下降,作为材料的锂电池隔膜价格下降也是正常的。一方面隔膜生产厂家在产能、规模方面的急剧提升;另一方面也是通过管理提升、技术进步使得成本持续下降,但价格的下降始终是有底限的,价格下降的幅度会趋缓。

六、隔膜发展的新趋势

1、湿法比例加大。近年来湿法企业不断加大扩充产能,同时干法企业大举进入湿法领域,(星源材质、河南义腾等),其需求占比也将保持上升,2016年占比超过40%。

2、行业洗牌加速。前十企业规划到2017年各自产能均超过2亿平米,未来三年隔膜市场竞争将不断加大,大企业将不断挤压小企业市场份额,行业将走向集中化,“大鱼吃小鱼”格局逐步形成。

3、高端膜占比上升。未来锂电池隔膜发展趋势将随着动力锂电池和储能等新领域的发展而多元化,简单的聚乙烯隔膜只能适用3C产品,高端市场需要“完美隔膜”来支撑,涂覆、无纺布以及二者结合的技术将是未来的发展方向。

从全球锂离子电池隔膜市场来看,目前世界上只有美国、日本、韩国等少数几个国家拥有行业领先的生产技术和相应的规模化产业。2015年,全球隔膜出货量为15.5亿平米,同比增长42.67%,其中湿法隔膜为9.06亿平,占比58.53%;中国隔膜出货量6.28亿平米,同比增长49.5%,其中,湿法隔膜产量仅为2.38亿平米,同比增长90.5%。中国国产隔膜仍以干法为主,但是湿法出货量增速正在加快。未来隔膜行业发展趋势是更轻薄、更安全。随着锂离子电池在消费类电子产品、电动汽车等应用领域的快速增长,锂离子电池隔膜要为未来的市场爆发提前布局,需要在产品的性能和品质上有所突破,隔膜未来发展趋势是满足高功率、大容量、长寿命循环和安全可靠等性能要求。

作者:季春青

锂离子电池隔膜生产技术论文 篇2:

锂电池隔膜产业迎机遇

在“十二五”规划确定的七大战略性新兴产业中,新能源、新材料和新能源汽车不仅是全球高度关注和奋力抢占制高点的重要领域,还成为展示未来综合国力的重要战略高地,发展空间极大。

实际上,我国新能源和新能源汽车市场自2014年以来一直政策“加身”,一路高歌前进。在中国电子信息产业发展研究院赛迪顾问研究总监吴辉看来,我国新能源及新能源汽车的发展迫切需要大容量储能电池和安全可靠的锂离子动力电池,这足以使锂离子电池成为决定新能源汽车成败的关键要素之一,但值得注意的是,当前锂离子电池的四大核心构成部件之一的隔膜产业也备受关注。

产业市场迎机遇

日前,科技部、财政部还牵头成立了新能源汽车子基金,基金一期规模约为5亿至7亿元人民币,国家与企业各出资一部分,主要投资国家科技成果转化项目库中与新能源汽车上下游产业链相关的优质项目。毋庸置疑,新能源汽车再获政策力挺,获得资金扶持后,作为产业链上游的锂电池产业也会深度受益,但吴辉认为,“与之相关联的锂离子电池薄膜产业更可分得红利。”

尽管隔膜的成本仅占电池成本的20%~30%,但其性能却直接影响电池的安全性、功能特性、循环寿命和可靠性。“具有良好的电子绝缘性、离子导电性、化学和电化学稳定性、厚度一致性、物理机械性能等技术指标的隔膜是锂离子电池安全性的重要保证。”吴辉告诉《中国经济信息》记者,正因如此,我国隔膜产业在关键技术方面的突破与发展尤为被重视。

在广泛调研的基础上,中国电子信息产业发展研究院还撰写完成了《中国锂离子电池隔膜行业白皮书(2015)》(后文统称《白皮书》)。相关数据显示,受益于下游新能源汽车电池的带动,全球锂离子电池隔膜产业在2014年整体产量为11.85亿平方米,产值达到20.75亿美元,分别同比增长41.58%和12.18%。就中国市场而言,2014年全国隔膜产量达到5.75亿平方米,占据全球产量的大约48%左右,产值达到20.5亿元。

吴辉指出,时值国家大力推动新能源汽车产业发展之际,动力锂电池的爆发性需求将延伸到上游隔膜材料产业,并有望一举缓解材料环节过剩的困境。

目前,我国隔膜市场产能过剩,预计2015年总产能将达23亿平方米,远超全球电池隔膜的需求量。但高端膜90%依靠进口,隔膜进口率总体超过70%。吴辉建议,“隔膜行业要把握好产业高速发展的有利时机,不断提升隔膜技术水平,满足高性能动力电池和大容量储能电池的需求。”

产品工艺存竞争

《中国经济信息》记者了解到,《白皮书》在详细研究了全球和中国锂离子电池隔膜产业和企业的基础上,指出了未来隔膜产业的竞争将集中于湿法隔膜产品的竞争。

当然,国内隔膜产业主要以干法工艺为主,出货量排名靠前的企业也均为干法隔膜企业。谈及成因,吴辉坦言,“由于干法隔膜投资相对较低,工艺相对简单,且国内的干法隔膜产品已经开始为国际的主流厂商如LG等企业供货,在完成进口替代之后逐步开始出口。”在吴辉看来,未来的干法隔膜企业之间的竞争将日益激烈。

而在湿法隔膜领域,即便国内还处于进口替代的前期,但依据《白皮书》从企业总体规模、产品与技术水平、团队与渠道建设能力和成长潜力等几个维度对国内主要湿法隔膜生产企业的排名可知,以综合得分3.8分排名第一的鸿图隔膜,其在产品和技术水平,团队与渠道建设能力等单项指标方面排名靠前,被认为是我国未来最具潜力的湿法隔膜企业。

从目前占据锂电子电池薄膜主要市场的企业来看,中国有包括星源材质、沧州明珠、河南义腾、中科科技等在内的干法隔膜生产企业,而湿法隔膜生产企业主要包括鸿图隔膜、金辉高科、纽米科技、苏州捷力等。

尽管从中国市场来看,湿法隔膜企业在出货量方面较干法隔膜企业而言,存在很大差距,但吴辉仍强调指出,“未来湿法隔膜企业会具备较大的成长空间,且目前大部分干法隔膜企业均已开始投资湿法隔膜生产线”。

另有数据显示,当前,干法隔膜整体价格下降幅度明显。其中,星源材质平均价格最高也仅有4.9元/平方米,河南义腾更是将基膜的平均价格做到了2.3元/平方米。“总体而言,干法隔膜尽管基本能替代进口隔膜,但对于企业而言,未来面临着较大的价格下行压力。”吴辉说。

当然,《白皮书》也总结指出,在干法隔膜逐步被国内企业技术突破且基本可以完成进口替代的背景下,湿法隔膜有望成为下一代锂离子电池隔膜的发展方向。

技术水平驱发展

无疑,当前隔膜行业正处于产业高速发展的有利时机,但吴辉认为,只有不断提升隔膜技术水平,才能满足我国多行业企业对高性能动力电池和大容量储能电池的需求。

然而,面对国产低端隔膜产能严重过剩的情况,吴辉一针见血地指出,中国国内隔膜企业产能急剧扩展,高端隔膜技术有待突破,低水平重复建设严重。

吴辉指出:首先国家应大力实施高端化战略,“努力缩小我国隔膜产品与国外高端膜的差距”。特别是对相关企业而言,要坚持问题导向,明确差距,努力赶超,大力推进产品升级换代,加快推动隔膜在全球产业链中由低端迈向中高端。

“如今在建或筹建、未公布的项目,如果全部在今年投产,总产能将为23亿平方米/年,远超世界需求。”吴辉预计到,从源头扼制了低水平重复建设,改进、提升现有生产技术和装备,化解产能过剩后,未来国内隔膜行业必然掀起价格大战。同时,大量实力雄厚的外资企业加大对中国隔膜市场的开拓,也加剧了国内隔膜企业的市场竞争风险。

另外不能忽视的是,在我国工业化与信息化深度融合推出《中国制造2025》,李克强总理提出“互联网+”战略的时代背景下,智能制造、网络制造、数字制造深刻改变制造业生产和服务方式的当下,隔膜行业也要抓住这一难得的发展机遇,主动作为,以此带动行业创新和产业升级。

“国内隔膜研发生产企业更要以‘创新’和‘进口替代’为导向,大力开发新产品,坚持差异化发展,逐步形成高、中、低端产品比例合理的产品结构。”吴辉强调,如此加强产业链垂直创新后,我国隔膜企业力争在隔膜用料、生产装备、工艺技术方面进行国产化突破,进而向隔膜产业世界强国的目标冲刺。

最后,吴辉呼吁,当前国家对于电动汽车和新能源产业的鼓励政策力度很大,希望隔膜行业在电池工业和塑料加工业新的应用领域加以创新,推动电池工业等更深、更广的层次发展,开创电动汽车、锂电池、隔膜产业链协同发展的新局面。

作者:钱玉娟

锂离子电池隔膜生产技术论文 篇3:

十年发展,锂离子电池产业进入黄金期

由清华大学与中国科学院物理研究所联合主办,北京新材料发展中心、《新材料产业》杂志社联合承办北京动力锂离子电池技术及产业发展国际论坛今年将迎来第10届。十年铸剑,本刊也十分有幸与广大读者共同走过锂电子电池产业的上一个重要阶段。

10年来,我国动力锂离子电池产业得到了飞速地发展,建立了从材料、生产设备、电池制造至电池回收的较完整的产业链,锂离子电池的安全性、可靠性以及寿命均得得到大幅提高。中国已成为世界上最大的锂离子电池生产制造基地和第2大锂离子电池生产国和出口国,随着新能源汽车不断在国内普及与推广,动力锂电池的爆发性需求将延伸到上游锂矿资源、正极、负极、隔膜与电解液等相关材料产业,锂离子动力电池市场正开始进入黄金期。

今年,锂离子电池产业开始“井喷”,各大电池厂接单接到手软。许多国内外汽车生产厂商和传统电池生产商纷纷将目光转向了锂电池的研发和生产,继续加大锂离子电池产业的投资也成为了各家公司的共同选择,投资金额动辄数十亿元,有的甚至上百亿元。锂电子电池投资也是一片火热,据悉,锂电池生产设备需求几乎以100%的速度增长。近期,科技部、财政部牵头成立了新能源汽车子基金,基金一期规模约为5亿至7亿元,国家与企业各出资一部分,主要投资国家科技成果转化项目库中与新能源汽车上下游产业链相关优质项目。新能源汽车再获政策力挺,获得资金扶持后,研发水平将更进一步得到提高。

随着国内锂离子电池生产技术和工艺的进一步完善,锂离子电池进一步扩大其在市场上的使用率,不仅在智能手机、数码相机等消费类电子市场,还有电动自行车、电动三轮车、低速电动汽车等交通工具市场中具有较高的应用,还在不断蚕食其他二次电池市场份额,并不断创造新的市场,在平板電脑、分布式风光发电相配套的家庭储能等新兴市场上都有很高的用量。加之从国家到地方新能源汽车扶持政策密集出台,锂离子电池产业发展给了大家足够的想象空间。

对于国内厂商来说,预计未来几年,锂离子电池生产企业将迎来业绩持续高增长。以锂电为代表的新能源产业前景将十分光明,锂离子电池必将迎来新的发展时期。