“鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí),M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制,現(xiàn)在只有少數(shù)幾個(gè)國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。因此,我們這里主要討論的是鋰離子電池。

新能源汽車成為鋰電池需求增長的支撐點(diǎn)

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù),2017年1-4月,新能源汽車生產(chǎn)95856輛,同比增長1.4%;銷售90402輛,同比下降0.2%。其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷78351輛和72895輛,同比增長11%和9.7%;插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)銷17504輛和17507輛,同比下降26.8%和27.4%。雖然新能源汽車產(chǎn)銷量增速放緩,但是純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量仍保持較快速度增長。

隨著新能源汽車產(chǎn)銷量爆發(fā)式增長,新能源汽車在我國汽車產(chǎn)量占比不斷提升。2016年,新能源汽車產(chǎn)量占汽車總產(chǎn)量的比例為1.79%;新能源汽車銷量占汽車總銷量的比例為1.81%。2017年1-4月,新能源汽車產(chǎn)量占汽車總產(chǎn)量的比例為1.03%;新能源汽車銷量占汽車總銷量的比例為0.99%。

我國汽車產(chǎn)銷量中新能源汽車占比不斷提升

從應(yīng)用領(lǐng)域來看,鋰離子電池下游需求主要是3C消費(fèi)電子領(lǐng)域、動(dòng)力電池、工業(yè)及儲(chǔ)能。目前,3C消費(fèi)電子領(lǐng)域仍是鋰電池的最大需求終端,不過隨著新能源汽車產(chǎn)量的快速增長,刺激了對動(dòng)力電池的需求,成為鋰電池需求增長的最主要的支撐點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2011年我國電動(dòng)汽車對鋰離子電池的需求量為176.7萬Kwh,占整個(gè)鋰電池市場總需求的比重僅為6.6%;2015年需求量快速增長到1503.09萬Kwh,5年增長了8倍多,市場份額也快速增長到19%左右,成為僅次于3C鋰離子電池第二大細(xì)分市場。

隔膜:技術(shù)壁壘最高,中高端供不應(yīng)求

隔膜是決定鋰離子電池性能、安全性和成本的重要部分。鋰離子電池的放電原理是正極材料中的鋰離子Li+脫嵌,通過電解液移動(dòng)到負(fù)極中,電子則通過外電路從正極移動(dòng)到負(fù)極中形成電流。正負(fù)極材料一旦發(fā)生接觸就會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生短路,甚至發(fā)生燃燒和爆炸。而隔膜作為一種絕緣材料,其主要作用在于防止正負(fù)極材料接觸導(dǎo)致短路,成為保障電池安全的最重要部分之一。隔膜能夠浸潤在電解液中,而且表面上有大量允許鋰離子通過的微孔。材料、厚度和微孔數(shù)量等特性都會(huì)影響鋰離子穿過隔膜的速度,進(jìn)而影響到電池的放電倍率、循環(huán)壽命等性能。在四大鋰離子電池材料中,隔膜的成本占比僅次于正極材料,約為10%-15%,在一些高端電池中,隔膜成本占比甚至超過20%,主要原因在于:四大鋰離子電池材料中,隔膜技術(shù)壁壘最高,毛利率最高。

鋰離子電池隔膜性能和技術(shù)要求

干法和濕法是鋰電池隔膜的主要生產(chǎn)工藝,但濕法膜涂覆將是大趨勢鋰電池隔膜的生產(chǎn)工藝包括濕法工藝和干法工藝,同時(shí)干法工藝又可分為單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。

濕法工藝將液態(tài)烴或一些小分子物質(zhì)與聚烯烴樹脂混合,加熱熔融后,形成均勻的混合物,然后降溫進(jìn)行相分離,壓制得膜片,再將膜片加熱至接近熔點(diǎn)溫度,進(jìn)行雙向拉伸使分子鏈取向,最后保溫一定時(shí)間,用易揮發(fā)物質(zhì)洗脫殘留的溶劑,可制備出相互貫通的微孔膜材料。日本旭化成、日本東燃、韓國SK等均采用此工藝。

干法可細(xì)分為單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。干法單向拉伸工藝是通過生產(chǎn)硬彈性纖維的方法,制備出低結(jié)晶度的高取向聚丙烯或聚乙烯薄膜,再高溫退火獲得高結(jié)晶度的取向薄膜。這種薄膜先在低溫下進(jìn)行拉伸形成微缺陷,然后在高溫下使缺陷拉開,形成微孔。美國celgard、日本宇部興產(chǎn)等采用此工藝。干法雙向拉伸工藝是中國科學(xué)院化學(xué)研究所在20世紀(jì)90年代初開發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝。通過在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進(jìn)劑,利用聚丙烯不同相態(tài)間密度的差異,在拉伸過程中發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變形成微孔,用于生產(chǎn)單層PP膜。目前中國三分之一以上產(chǎn)能使用干法雙拉工藝,產(chǎn)品在中低端市場占據(jù)較大比例。

鋰離子電池隔膜干法和濕法兩種生產(chǎn)工藝比較

電動(dòng)汽車使用環(huán)境相對嚴(yán)苛,對安全性要求較高,需要使用厚膜,濕法工藝制作的隔膜較薄,容易擊穿導(dǎo)致電池短路,而干法工藝制作的隔膜厚度通常在20-40um,且熔點(diǎn)高,具有較強(qiáng)的安全性,因此主要使用干法隔膜。干法雙拉工藝由于隔膜孔徑分布不均勻,穩(wěn)定性較差,因此電動(dòng)汽車主要采用干法單拉工藝的隔膜。此外,干法隔膜制作成本要比濕法工藝低,動(dòng)力和儲(chǔ)能領(lǐng)域使用的電池需要使用大量隔膜,對于成本更敏感,因此干法隔膜最適合動(dòng)力和儲(chǔ)能電池使用。便攜式電池對于成本相對不敏感,更注重能量密度,干法隔膜厚度太高會(huì)導(dǎo)致電池能量密度低,而濕法隔膜厚度可以低至9um。從成本和技術(shù)兩個(gè)維度考量,干法短期將主導(dǎo)國內(nèi)動(dòng)力隔膜市場,但從長遠(yuǎn)來看,濕法工藝是今后技術(shù)的演變方向。

性能比較上看,濕法涂覆膜未來將是大趨勢。就目前的技術(shù)工藝發(fā)展情況看,陶瓷涂覆工藝是提升隔膜品質(zhì)的一種有效方式。涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等粘黏劑或陶瓷氧化鋁。這樣帶來的直接作用是提高隔膜耐熱收縮性,防止隔膜收縮造成大面積短路;防止電池中的某些熱失控點(diǎn)擴(kuò)大形成整體熱失控。而在保障隔膜力學(xué)性能以及電化學(xué)性能的基礎(chǔ)之上,能盡可能的降低隔膜的厚度,降低隔膜的內(nèi)阻提高電池的體積容量和倍率性能。

隨著我國鋰離子電池市場容量的快速增加,刺激了對鋰電池隔膜的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì),2009年我國國內(nèi)鋰電池市場鋰電隔膜需求量為1.35億平方米,而到了2015年需求量達(dá)到了6.20億平方米,同比增長35.96%,2009年至2015年,復(fù)合增長率達(dá)到了28.93%。中國名義產(chǎn)能過剩,高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口。目前中國隔膜市場產(chǎn)能過剩,2015年底國產(chǎn)隔膜總產(chǎn)能已達(dá)有效產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到15億平方米,產(chǎn)能遠(yuǎn)超需求量。另外,國產(chǎn)隔膜超過1/3采用干法雙拉工藝,產(chǎn)品檔次和售價(jià)較低,無法應(yīng)用于動(dòng)力電池領(lǐng)域。名義產(chǎn)能嚴(yán)重過剩,但是中高端產(chǎn)品依然依賴進(jìn)口。