“鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。

1912 年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis 提出并研究。20 世紀70 年代時,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的鋰,并且是可以充電的。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在1996 年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制,現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。因此,我們這里主要討論的是鋰離子電池。

鋰離子電池產業

新能源汽車成為鋰電池需求增長的支撐點

根據中國汽車工業協會的數據,2017 年1-4 月,新能源汽車生產95856 輛,同比增長1.4%;銷售90402 輛,同比下降0.2%。其中純電動汽車產銷78351 輛和72895 輛,同比增長11%和9.7%;插電式混合動力汽車產銷17504 輛和17507 輛,同比下降26.8%和27.4%。雖然新能源汽車產銷量增速放緩,但是純電動汽車產銷量仍保持較快速度增長。

隨著新能源汽車產銷量爆發式增長,新能源汽車在我國汽車產量占比不斷提升。2016 年,新能源汽車產量占汽車總產量的比例為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,新能源汽車產量占汽車總產量的比例為1.03%;新能源汽車銷量占汽車總銷量的比例為0.99%。

我國新能源汽車產銷量爆發式增長(萬輛)

我國汽車產銷量中新能源汽車占比不斷提升

從應用領域來看,鋰離子電池下游需求主要是3C 消費電子領域、動力電池、工業及儲能。目前,3C 消費電子領域仍是鋰電池的最大需求終端,不過隨著新能源汽車產量的快速增長,刺激了對動力電池的需求,成為鋰電池需求增長的最主要的支撐點。據統計,2011 年我國電動汽車對鋰離子電池的需求量為176.7 萬Kwh,占整個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分市場。

鋰離子電池內部組件成本結構圖

隔膜:技術壁壘最高,中高端供不應求

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,通過電解液移動到負極中,電子則通過外電路從正極移動到負極中形成電流。正負極材料一旦發生接觸就會導致電池發生短路,甚至發生燃燒和爆炸。而隔膜作為一種絕緣材料,其主要作用在于防止正負極材料接觸導致短路,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、厚度和微孔數量等特性都會影響鋰離子穿過隔膜的速度,進而影響到電池的放電倍率、循環壽命等性能。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,隔膜技術壁壘最高,毛利率最高。

鋰離子電池隔膜性能和技術要求

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

濕法工藝將液態烴或一些小分子物質與聚烯烴樹脂混合,加熱熔融后,形成均勻的混合物,然后降溫進行相分離,壓制得膜片,再將膜片加熱至接近熔點溫度,進行雙向拉伸使分子鏈取向,最后保溫一定時間,用易揮發物質洗脫殘留的溶劑,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硬彈性纖維的方法,制備出低結晶度的高取向聚丙烯或聚乙烯薄膜,再高溫退火獲得高結晶度的取向薄膜。這種薄膜先在低溫下進行拉伸形成微缺陷,然后在高溫下使缺陷拉開,形成微孔。美國celgard、日本宇部興產等采用此工藝。干法雙向拉伸工藝是中國科學院化學研究所在20 世紀90 年代初開發出的具有自主知識產權的工藝。通過在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進劑,利用聚丙烯不同相態間密度的差異,在拉伸過程中發生晶型轉變形成微孔,用于生產單層PP 膜。目前中國三分之一以上產能使用干法雙拉工藝,產品在中低端市場占據較大比例。

鋰離子電池隔膜干法和濕法兩種生產工藝比較

電動汽車使用環境相對嚴苛,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,且熔點高,具有較強的安全性,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,穩定性較差,因此電動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,動力和儲能領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力和儲能電池使用。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導致電池能量密度低,而濕法隔膜厚度可以低至9um。從成本和技術兩個維度考量,干法短期將主導國內動力隔膜市場,但從長遠來看,濕法工藝是今后技術的演變方向。

性能比較上看,濕法涂覆膜未來將是大趨勢。就目前的技術工藝發展情況看,陶瓷涂覆工藝是提升隔膜品質的一種有效方式。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擴大形成整體熱失控。而在保障隔膜力學性能以及電化學性能的基礎之上,能盡可能的降低隔膜的厚度,降低隔膜的內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。據統計,2009 年我國國內鋰電池市場鋰電隔膜需求量為1.35 億平方米,而到了2015 年需求量達到了6.20 億平方米,同比增長35.96%,2009 年至2015 年,復合增長率達到了28.93%。中國名義產能過剩,高端產品依賴進口。目前中國隔膜市場產能過剩,2015 年底國產隔膜總產能已達有效產能已經達到15 億平方米,產能遠超需求量。另外,國產隔膜超過1/3 采用干法雙拉工藝,產品檔次和售價較低,無法應用于動力電池領域。名義產能嚴重過剩,但是中高端產品依然依賴進口。

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