鋰電隔膜產(chǎn)業(yè)工藝技術(shù)及市場發(fā)展趨勢詳解

從2002年新鄉(xiāng)市中科科技有限公司成立，我國鋰電隔膜產(chǎn)業(yè)化之路已走過了15年。而隔膜的研發(fā)歷程至少20年，幾乎是經(jīng)過了一代人的努力。而2017年，無疑是對新興的電動汽車行業(yè)、鋰電池行業(yè)以及鋰電池相關(guān)材料行業(yè)具有重要影響的一年。與鋰電池相關(guān)的上市公司在股市上都有不俗的表現(xiàn);很多隔膜生產(chǎn)企業(yè)在這一年紛紛被上市公司爭相并購。

在各種場合，大家對隔膜提出的問題很多。本文針對關(guān)注度最高、最頻繁被提問的9個問題進(jìn)行分析、討論并與讀者分享筆者的觀點(diǎn)。

一、隔膜行業(yè)還能看好多久

2017年5月，作為電動汽車行業(yè)的明星和風(fēng)向標(biāo)的Tesla宣布：計劃2017年底前實(shí)現(xiàn)每周生產(chǎn)5 000輛Model 3;在2018年達(dá)到周產(chǎn)萬輛的目標(biāo)，同時2018年全部車型總產(chǎn)能50萬輛。這一消息立即振奮了電動汽車行業(yè)、鋰電池行業(yè)和資本市場。其實(shí)，2017年4月25日工業(yè)和信息化部等3部委發(fā)布關(guān)于印發(fā)《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》的通知，指出“2020年，新能源汽車年產(chǎn)銷達(dá)到200萬輛，動力電池單體比能量達(dá)到300 Wh/kg以上，力爭實(shí)現(xiàn)350Wh/kg，系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260 Wh/kg、成本降至1元/ Wh以下。到2025年，新能源汽車占汽車產(chǎn)銷20%以上，動力電池系統(tǒng)比能量達(dá)到350 Wh/kg。” China EV100 《鋰和電池企業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究報告 2017》中引用2020 -2025年中國動力鋰電池市場需求預(yù)測中的數(shù)據(jù)，2020年200萬輛、2030年1 520萬輛新能能源汽車，分別需要130 GWh和500GWh動力電池。相應(yīng)地，可以計算出所需的高品質(zhì)動力電池用隔膜的需求量大致是2020年20億m2、2030年90億m2/a。如果加上儲能用電池和消費(fèi)電子類電池對隔膜的需求，上述計算的隔膜需求將會是2020年30億m2和2030年100億m2。

一方面，鋰電池作為新能源汽車動力來源優(yōu)勢是明顯的，無疑會成為主流。當(dāng)動力電池的能量密度達(dá)到400Wh/kg，電動汽車的續(xù)航里程將會達(dá)到甚至超過燃油車的水平。在儲能領(lǐng)域，鋰電池逐步取代鉛酸電池取得主導(dǎo)地位，也是趨勢所在。另一方面，在理論上可以對鋰電池發(fā)起挑戰(zhàn)的幾種新型電池還處于基礎(chǔ)研究階段，在10～20年內(nèi)顛覆現(xiàn)有鋰電池產(chǎn)業(yè)的可能性幾乎為零?；趪覍π履茉雌囆袠I(yè)的大力支持以及業(yè)內(nèi)企業(yè)自主積極發(fā)展的態(tài)勢，相信鋰電池及相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)將在中長期加速發(fā)展。鋰電池隔膜可以樂觀地看好5～15年甚至更長的時間。

二、隔膜的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)有哪些

目前產(chǎn)業(yè)化的隔膜制造技術(shù)主要有4種：濕法、干法、半干法和無紡布法。其中濕法和干法還有進(jìn)一步的分類。圖1是對隔膜制造技術(shù)的分類并以圖標(biāo)的方式對工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行了準(zhǔn)確的描述。

圖1 鋰電隔膜的產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)概覽

濕法技術(shù)(Wet)主要用于聚乙烯(PE)隔膜的制造。由于工藝中需要使用石蠟油與PE混合占位造孔，在拉伸工藝后需要用溶劑萃取移除，所以該工藝稱為濕法。濕法技術(shù)涉及在2個方向上對薄膜的拉伸，因此又分為同步拉伸(simultaneous stretch)和分步拉伸(sequential stretch)。

關(guān)于同步拉伸和分步拉伸哪個更先進(jìn)的爭論一直存在。爭議體現(xiàn)在產(chǎn)品品質(zhì)、效率、工藝適應(yīng)性等方面。從產(chǎn)品的微觀形態(tài)比較，用同步拉伸工藝制造的隔膜孔隙率更高、孔隙分布更均勻，厚薄均勻性較好;同時，同步拉伸的產(chǎn)品強(qiáng)度均勻，良率較高，理論上其綜合性能較好(圖2)。如果從生產(chǎn)效率、鋰電池工藝適應(yīng)性等方面比較，暫無法給出優(yōu)劣的判斷。不同的只是不同企業(yè)設(shè)備水平的差異和工藝成熟度的差異。從用戶反饋上看，2種產(chǎn)品在使用中表現(xiàn)的差異并不明顯。

圖2 (a) 高品質(zhì)的同步拉伸PE隔膜 (b) 常見的分步拉伸PE隔膜圖

干法技術(shù)(Dry)主要用于聚丙烯(PP)隔膜的制造。干法技術(shù)主要包括3種工藝技術(shù)：吹膜+單向拉伸、鑄片+單向拉伸以及雙向拉伸。相對而言，干法技術(shù)比濕法技術(shù)工藝簡單、設(shè)備成本較低、生產(chǎn)效率較低。

半干法(Semi-Dry)用于聚乙烯(PE)隔膜的制造，是近幾年新近推出的方法。它也要使用造孔劑占位，然后使用蒸發(fā)的方法移除。無紡布法(Non-Woven)目前主要用于聚酯(PET)無紡布和陶瓷顆粒復(fù)合隔膜的制造。無紡布中必然存在的大孔給復(fù)合隔膜帶來較高的短路風(fēng)險。這一缺陷制約著無紡布隔膜的應(yīng)用，需要工藝技術(shù)突破性的提升。

三、濕法PE隔膜是否能替代干法PP隔膜

經(jīng)常聽到這樣的說法：“近幾年新上的隔膜廠都選定濕法路線制造PE隔膜，以前有名的干法隔膜制造企業(yè)(如深圳市星源材質(zhì)科技股份有限公司、滄州明珠)也紛紛增加濕法隔膜產(chǎn)線，三元動力電池使用濕法隔膜……，這都說明濕法PE隔膜取代干法PP隔膜是趨勢”。筆者認(rèn)為這樣判斷比較片面。

PP隔膜的主要優(yōu)勢是熔點(diǎn)高(165℃)、抗氧化性能好、制造工藝相對簡單、成本較低、比較適合疊片工藝;不足是橫向強(qiáng)度低容易撕裂成條、不易做薄(20μm及以上厚度的常見)、親液性較差、用于電池內(nèi)阻較高。PE隔膜的主要優(yōu)勢是親液性好、孔隙率可以較高(40%~55%)、可以做得很薄(9μm、6μm，甚至5μm)、生產(chǎn)效率高、比較適合卷繞工藝;但不足之處是熔點(diǎn)低(135℃)、抗氧化性能差、容易刺破、工藝復(fù)雜、成本相對較高。不同類型、不同型號的電池根據(jù)自身的設(shè)計和安全性要求，可能會有針對性地選用PP或PE隔膜，不能一概而論。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)以及存在的必要性，很難說哪一種會取代另一種。

四、隔膜制造的利潤率有多高，變化趨勢怎樣

2010年以前國內(nèi)的隔膜企業(yè)很少，產(chǎn)品也不過關(guān)，進(jìn)口隔膜供不應(yīng)求，美國Celgard公司和日本宇部興產(chǎn)株式會社(UBE)的PP隔膜大約40元/m2。40μm厚的隔膜質(zhì)量約為17.0g/m2，而一噸PP原料(價格不足1萬元)如果70%轉(zhuǎn)化成合格的隔膜可以制備4.1萬m2，價格164.7萬元;25μm厚的隔膜大約10.5 g/m2，同樣按70%的收率可以生產(chǎn)6.7萬m2，價格200多萬元?？梢娔菚r的隔膜產(chǎn)業(yè)就像是印鈔機(jī)，利潤非常高，也被譽(yù)為黃金膜。2012年初隔膜價格有較大幅度的下降，但進(jìn)口隔膜的價格還在20元/m2左右。

2010年至今，國內(nèi)的隔膜產(chǎn)能大躍進(jìn)拉開序幕。2017年，我國的鋰電隔膜產(chǎn)能已超過14億m2 (根據(jù)Global Lithium-Ion Battery Separator Market Report 2017 QY Research July 2017的數(shù)據(jù))，但國產(chǎn)隔膜的價格已經(jīng)下降到PP隔膜約3元/m2, PE隔膜4~4.5元/m2之間。雖然制造成本是各家企業(yè)的商業(yè)秘密不能輕易透露，但可以估算PP隔膜的制造成本大致為1.0~1.5元/m2, PE隔膜的大致為2.0~3.0元/m2。成本組成主要包括原材料、設(shè)備折舊、燃料動力、人員、管理、營銷、攤銷等科目。即使是在繳納了各種稅費(fèi)之后，隔膜制造行業(yè)的利潤大致在20%~40%之間。

隨著國內(nèi)隔膜產(chǎn)能的繼續(xù)擴(kuò)張，價格下降的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。各家的盈虧平衡點(diǎn)在哪里?更為激烈的價格戰(zhàn)將怎樣開展?哪些企業(yè)會在激烈的競爭中被淘汰?這些問題的答案相信會在未來幾年揭曉。中國雖大，但真的需要幾十家隔膜企業(yè)么?業(yè)界更關(guān)心是能否出現(xiàn)像旭化成株式會社(Asahi)這樣世界一流的中國企業(yè)。

五、國產(chǎn)隔膜現(xiàn)在是怎樣的水平

毋庸諱言，國產(chǎn)隔膜的品質(zhì)尚未達(dá)到國際一流水平。美國celgard隔膜有限公司的PP隔膜以及Asahi的PE隔膜，分別代表了隔膜行業(yè)產(chǎn)品的最高水平。自從2016年Asahi收購Celgard, 最好的隔膜產(chǎn)品均出自Asahi。另外幾家日本企業(yè)，如UBE和Toray, 也具有較高的水平。

國內(nèi)隔膜普遍存在的問題是一致性有待提高。一致性主要體現(xiàn)在不規(guī)律的缺陷、厚度、孔隙率、孔隙分布以及孔徑分布等方面。單向拉伸的國產(chǎn)PP隔膜在孔隙率和孔徑分布方面與對標(biāo)產(chǎn)品比較接近;雙向分步拉伸的PE隔膜孔隙率通常與對標(biāo)產(chǎn)品相比較低，孔徑分布情況也不理想。

湖南中鋰新材料有限公司是濕法隔膜領(lǐng)域的優(yōu)勢企業(yè)，目前共有濕法鋰離子電池隔膜生產(chǎn)線10條 (其中在產(chǎn)8條，2條正處于調(diào)試階段)，其產(chǎn)品物理性能的一致性CPK值>1.33。中鋰隔膜品質(zhì)優(yōu)良，滿足3C、動力、儲能等鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

六、做好隔膜企業(yè)需要具備哪些條件

2012年到2016年間，隔膜企業(yè)如雨后春筍般在國內(nèi)各地出現(xiàn)。依據(jù)1t原料可以生產(chǎn)7萬m2產(chǎn)品的簡單計算關(guān)系，各路資本非常青睞于投資這一超高回報率的產(chǎn)業(yè)。當(dāng)然，要做好這一產(chǎn)業(yè)僅有資金還不夠。一些新建的企業(yè)在生產(chǎn)線運(yùn)行之后得不到合格的產(chǎn)品，或者產(chǎn)品的合格率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期。在有設(shè)備之后才發(fā)現(xiàn)工藝原來是一道難以逾越的技術(shù)壁壘。隔膜制造的技術(shù)門檻很高，干好這一產(chǎn)業(yè)除了要有資金，還需要有強(qiáng)大的研發(fā)和生產(chǎn)團(tuán)隊、成熟的工藝技術(shù)和高水平的產(chǎn)線，缺一不可。

七、誰將是未來隔膜產(chǎn)業(yè)的龍頭

在收購Celgard之后，Asahi Kasei成為目前鋰電隔膜制造業(yè)中當(dāng)之無愧的龍頭，其干法和濕法隔膜均代表和業(yè)內(nèi)的最高水平，總產(chǎn)能超過6億m2/a。Asahi Kasei, 日本東燃化學(xué)株式會社(Toray Tonen)和UBE等企業(yè)在業(yè)內(nèi)屬于第1梯隊。我國隔膜企業(yè)在技術(shù)積累、工藝成熟性和研發(fā)實(shí)力等方面的差距是顯著的，跟隨模仿的局面中長期還將持續(xù)。

但是國內(nèi)企業(yè)的優(yōu)勢是可以在短時間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)能擴(kuò)張，比如湖南中鋰和上海恩捷都有明確的產(chǎn)能擴(kuò)張計劃。到2020年，湖南中鋰新材料有限公司和上海恩捷新材料科技股份有限公司每年濕法PE隔膜的有效產(chǎn)能會達(dá)到8億m2和10億m2以上(按80%的收率估算)。國內(nèi)新能源汽車的發(fā)展和美國特斯拉提前擴(kuò)產(chǎn)，是拉動動力電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的雙引擎。特斯拉采用松下電池，是否國內(nèi)的新能源汽車更多地采用國產(chǎn)電池和國產(chǎn)材料?這是大家普遍關(guān)心的問題。對此，筆者持謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度。畢竟鋰電池的成本和價格下行是必然的趨勢，國產(chǎn)隔膜在價格方面存在優(yōu)勢，同時品質(zhì)方面也在不斷提升?！皣鴥?nèi)動力電池80%采用進(jìn)口隔膜”的情況相信將永久地成為歷史。

2017年上市公司爭相收購隔膜企業(yè)的大戲不斷上演。創(chuàng)新股份收購上海恩捷新材料科技股份有限公司，金冠電氣收購遼源鴻圖鋰電隔膜科技股份有限公司，長園集團(tuán)收購湖南中鋰新材料有限公司……上市公司收購隔膜企業(yè)后，股價也有不俗的表現(xiàn)，如創(chuàng)新股份在半年多的時間股價實(shí)現(xiàn)了翻倍(圖3)。同時，另外一個需要思考的問題是：Asahi Kasei會不會大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)或者來中國收購快速發(fā)展的企業(yè)?這種可能性似乎不大。再或者，中國資本收購Asahi Kasei讓它直接變成中國企業(yè)?

八、除了JSW和Toshiba誰還能提供理想的產(chǎn)線設(shè)備

可以提供濕法隔膜生產(chǎn)線的兩家日本企業(yè)日本制鋼所(JSW)、東芝集團(tuán)(Toshiba)正開足馬力生產(chǎn)。來自中國的訂單買斷了他們3年的產(chǎn)能，令其歡欣鼓舞;同時，上海恩捷新材料科技股份有限公司和湖南中鋰新材料有限公司也會因自己占得先機(jī)的決策而志得意滿。那么其他企業(yè)從哪里獲得高端的制造設(shè)備呢?隔膜產(chǎn)線是8~10個大型工藝設(shè)備的集成，技術(shù)含金量非常高。雖然有能力提供隔膜整線的企業(yè)較少，但也不僅僅只有2家。比如有德國布魯克納機(jī)械股份公司(Brückner)、 法國ESSOP;中國東昇機(jī)械科技有限公司(以下簡稱“東昇機(jī)械”)、中科華聯(lián)等企業(yè)。

設(shè)備是為工藝服務(wù)的。制造高品質(zhì)的隔膜需要工藝與設(shè)備的完美結(jié)合。如果對工藝一知半解，即使擁有再昂貴的設(shè)備也無法生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。德國布魯克納機(jī)械股份公司(Brückner Maschinenbau)是一家世界一流的雙向拉伸制膜設(shè)備供應(yīng)商，筆者曾應(yīng)邀訪問該公司(見圖3)。筆者曾質(zhì)疑其技術(shù)力量雖然強(qiáng)大但是不太懂隔膜制造工藝。對此，Brückner研發(fā)部主任Dr. Breil說：“5年前也許是這樣，但現(xiàn)在情況已經(jīng)完全不同了”。Brückner的技術(shù)可以達(dá)到300m/min以上的車速，用在鋰電隔膜產(chǎn)線上標(biāo)配75 m/min，拉伸幅寬4.5m，制膜厚度范圍5~25μm。

東昇機(jī)械是世界上獨(dú)有的一家從事隔膜生產(chǎn)線高性價比總體解決方案的公司，所提供的產(chǎn)線設(shè)備包括雙向拉伸線、收卷站、萃取設(shè)備、一次大分切設(shè)備、二次小分切設(shè)備、陶瓷涂布設(shè)備以及隔膜生產(chǎn)線在線管理系統(tǒng)等。目前東昇機(jī)械正在為業(yè)內(nèi)提供寬幅達(dá)4.5米的雙向同步拉伸濕法隔膜生產(chǎn)線，制膜厚度范圍4~25μm，設(shè)計車速達(dá)75m/min。

九、鋰電隔膜技術(shù)發(fā)展的趨勢

動力電池的發(fā)展為隔膜的發(fā)展明確了方向并提出了具體的要求。動力電池的發(fā)展就是3個內(nèi)容：提高能量密度、保證安全性、降低成本。單體比能量達(dá)到300Wh/kg以上、系統(tǒng)比能量力爭達(dá)到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下。相應(yīng)地，對隔膜提出的要求是2個方面：更高的安全性，更有利于電池發(fā)揮性能。

從安全方面考慮，有以下幾種技術(shù)途徑：一是，基于PE和PP隔膜的陶瓷涂覆。陶瓷涂覆的PE復(fù)合隔膜安全使用的溫度可以提高到150~160℃，陶瓷涂覆的PP復(fù)合隔膜安全使用的溫度可以提高到180~200℃。陶瓷涂覆提高了隔膜的安全性，但主要的不利影響是重量增加、成本提高、使電池的內(nèi)阻增大。二是，基于PE和PP隔膜的聚合物涂覆，或在兩面進(jìn)行陶瓷和聚合物的不對稱涂覆。聚合物的種類不同，會影響復(fù)合膜的性能，作用無法一概而論。三是，無紡布和陶瓷顆粒的復(fù)合膜。如果采用PET無紡布，復(fù)合膜的安全使用溫度可以達(dá)到250℃左右。四是，采用耐高溫的聚合物材料以及新型制膜工藝制造高安全性隔膜，如聚酰亞胺(PI)膜。PI膜的安全使用溫度可以達(dá)到300℃。

從有利于電池性能發(fā)揮方面考慮，需要進(jìn)一步優(yōu)化隔膜的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)和一致性。比如厚度，孔隙率的合理取值，優(yōu)化的孔徑尺寸，優(yōu)化的孔徑分布等。另外，隔膜的一致性始終是規(guī)?；a(chǎn)的核心問題。

另外，高電壓電極材料體系是目前電池研究的熱點(diǎn)之一。能否實(shí)現(xiàn)隔膜在0~5V電化學(xué)窗口內(nèi)的穩(wěn)定工作，也是隔膜研究以及未來隔膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。自2012年中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”“長續(xù)航動力鋰電池”項目對耐高電壓隔膜材料的研究已有布局，目前已取得多項有價值的成果。

十、結(jié)語

我們樂于見到在中國出現(xiàn)具有世界影響力的一流企業(yè)，可以和Asahi Kasei這樣的隔膜制造商同臺競技。期望新老隔膜產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)再接再厲，共創(chuàng)佳績。

2018中國（鄭州）新能源汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會火熱招商中！

2018中國（鄭州）新能源汽車產(chǎn)業(yè)生態(tài)大會將于5月11日-12日在鄭州舉行。本屆大會以“新能源汽車2.0時代”為主題，圍繞政策2.0、運(yùn)營商2.0、乘用車2.0、售后服務(wù)2.0、整車開發(fā)2.0、動力電池2.0、零部件2.0展開?；诖藭R聚身處“新能源汽車2.0時代”的產(chǎn)業(yè)鏈各方人士，共商新能源汽車發(fā)展大計！。>>>