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鋰電隔膜“破卷”四大思路

09/02 09:00
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鋰電池四大主材中,隔膜面臨的市場(chǎng)形勢(shì)尤為嚴(yán)峻與復(fù)雜。一方面,隔膜企業(yè)需要應(yīng)對(duì)價(jià)格持續(xù)弱勢(shì)運(yùn)行的壓力;另一方面,固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化的前景也為隔膜市場(chǎng)帶來(lái)了潛在的空間壓縮風(fēng)險(xiǎn)。

在這樣的背景下,鋰電隔膜企業(yè)唯有加速推動(dòng)產(chǎn)品向更高性能迭代,以獲取技術(shù)溢價(jià)并為轉(zhuǎn)型贏得時(shí)間,才能在行業(yè)內(nèi)卷的陰霾中尋找長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展之路。

基于液態(tài)鋰電池對(duì)更高能量密度、更高充放倍率、更長(zhǎng)循環(huán)壽命和更高安全性的需求,以及固態(tài)電池從混合固液向全固態(tài)發(fā)展的明確趨勢(shì),產(chǎn)業(yè)對(duì)于鋰電隔膜迭代的思考主要集中在以下四個(gè)方面:

其一,基膜、功能涂層朝薄型化發(fā)展。

薄型化已成為鋰電隔膜發(fā)展的主要方向之一。濕法基膜向5微米及以下、干法基膜向10微米及以下發(fā)展,并追求量產(chǎn)效率的提高,已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。

在實(shí)現(xiàn)輕薄化的同時(shí),還需滿足高安全性、超快充和長(zhǎng)壽命的需求,這就要求相應(yīng)提升隔膜的耐熱性能、提高離子電導(dǎo)率并降低阻抗(通過(guò)高孔隙、大孔徑、低曲折度實(shí)現(xiàn)),以及提升吸液保液性等性能。

在安全性方面,以5微米基膜為例,其強(qiáng)度需要通過(guò)380GF、450GF甚至更高針刺強(qiáng)度的考驗(yàn)。閉孔溫度需要從降低4℃逐漸發(fā)展至降低6℃,破膜溫度則需要向承受180℃甚至200℃高溫的方向努力,最終達(dá)到綜合提高輕薄隔膜安全表現(xiàn)的目的。

多家企業(yè)已在這一領(lǐng)域取得進(jìn)展。璞泰來(lái)開(kāi)發(fā)出5微米的高透過(guò)性、高機(jī)械強(qiáng)度超薄隔膜基膜,相比傳統(tǒng)3C類5微米產(chǎn)品,刺穿強(qiáng)度提高了40%。中興新材推出了下一代7~10微米超薄、高強(qiáng)度、高孔隙率、高安全干法基膜產(chǎn)品,可滿足超快充需求。

在涂層方面,陶瓷涂覆膜正從2.5微米向1.5微米、甚至1微米迭代。在這個(gè)過(guò)程中,耐熱溫度需要從150℃逐漸提升至180℃甚至200℃,以滿足更高的安全性要求。

其二,粘結(jié)涂層需求增強(qiáng),PVDF工藝和替代方案同步開(kāi)發(fā)。

隨著電芯大容量的發(fā)展,對(duì)長(zhǎng)循環(huán)和能量密度提升的需求進(jìn)一步增強(qiáng),這使得隔膜粘結(jié)涂層的重要性日益凸顯。

目前,PVDF在隔膜中主要扮演粘結(jié)涂層的角色。為了實(shí)現(xiàn)更好的阻抗性能,PVDF涂層正從油性涂布向水系噴涂的方向發(fā)展。然而,水系噴涂仍面臨一致性差的問(wèn)題,業(yè)內(nèi)正考慮通過(guò)點(diǎn)涂工藝來(lái)改善這一問(wèn)題。

值得注意的是,隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)含氟物質(zhì)管控的不斷加強(qiáng),未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)含氟烷基物質(zhì)被限制使用的情況。在這樣的背景下,業(yè)界正在考慮多種替代方案:包括水性PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)混涂技術(shù)、兼具耐熱性和粘結(jié)優(yōu)點(diǎn)的陶瓷混膠方案、非氟大顆?;旌贤扛伯a(chǎn)品等。

例如,恩捷公司研制了非氟體系大顆粒PMMA混涂隔膜,利用非氟體系優(yōu)化PVDF混涂隔膜體系。這種隔膜兼具耐熱性和粘接性,可有效提高電池的安全性和循環(huán)壽命。

其三,芳綸、納米涂覆等新型涂覆材料層出不窮,規(guī)?;苽涮魬?zhàn)有待解決。

雖然陶瓷涂覆材料因其性價(jià)比最高而應(yīng)用最為廣泛,但它也存在克重大、水分高的局限性,不利于電芯能量密度的提高。在此背景下,多種新型涂覆材料正成為行業(yè)的熱門選擇,包括聚酰亞胺、聚四氟乙烯、芳綸、聚酯、納米纖維等。

芳綸涂覆隔膜是一個(gè)典型例子。恩捷公司開(kāi)發(fā)的高安全芳綸涂布膜是在PE基膜上涂覆間位芳綸材料制成的。具備出色的熱收縮性能和極高的破膜溫度;采用特殊的低閉孔基膜,降低了閉孔溫度;電解液浸潤(rùn)性優(yōu)異等特點(diǎn)。

這些特性有效提高了鋰電池在高溫環(huán)境下的安全性,并可提升電池的循環(huán)和倍率性能。目前,該產(chǎn)品已取得海外客戶的量產(chǎn)許可,成功應(yīng)用于某客戶的圓柱電池上。

另一個(gè)值得關(guān)注的例子是星源材質(zhì)和泰和新材聯(lián)合發(fā)布的芳綸系列隔膜產(chǎn)品。相較于現(xiàn)在主流的陶瓷或PVDF涂覆,芳綸涂覆隔膜具有更優(yōu)的熱性能、吸液和保液性能,以及更輕的比重。

此外,星源材質(zhì)還開(kāi)發(fā)出0.3微米的納米纖維涂層并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。與陶瓷涂覆材料相比,納米材料與基膜更為貼合、接觸面積更大,不僅能夠提高耐熱性能(180℃不收縮、破膜溫度高于180℃),還能提供更好的浸潤(rùn)性(提升電池制造效率)和更低阻抗。

盡管這些新型涂覆材料展現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì),但它們?cè)谝?guī)?;苽浞矫嫒悦媾R挑戰(zhàn),這也是未來(lái)行業(yè)發(fā)展需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

其四,固態(tài)電解質(zhì)膜成為固態(tài)電池與隔膜發(fā)展的交集。

雖然全固態(tài)電池將由固態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)隔膜的取代,但固態(tài)電解質(zhì)仍將以薄膜形態(tài)存在于電芯之中,其性能發(fā)揮也同樣受到材料結(jié)構(gòu)和制備工藝兩大因素的影響。

雖然固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展還處于材料沒(méi)定型、膜沒(méi)定型、怎么用也沒(méi)定型的階段,但這也意味著各種新技術(shù)應(yīng)用的可能性非常之多,也帶來(lái)了不同性能隔膜的市場(chǎng)空間。

此外,致力于干濕法隔膜的差異化開(kāi)發(fā)并優(yōu)化其制備工藝,實(shí)際上也是為固態(tài)電池所需技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)備的過(guò)程。這與固態(tài)電芯更傾向于疊片工藝,以及刀片電池企業(yè)對(duì)疊片線與設(shè)備的布局具有相同的長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

以鵬輝能源引發(fā)市場(chǎng)關(guān)注的第一代全固態(tài)電池技術(shù)為例,其一大亮點(diǎn)是在氧化物制備過(guò)程中采用濕法工藝來(lái)取代高溫?zé)Y(jié),最終實(shí)現(xiàn)"與常規(guī)鋰電成本僅高出15%"的目標(biāo)。氧化物固態(tài)電解質(zhì)膜的濕法制備與鋰電涂覆工藝類似,其后續(xù)降本也可共享思路,主要解決去溶劑過(guò)程的成本挑戰(zhàn),以及提高成膜均一性等方面。

制備技術(shù)的相通性,也帶來(lái)了固態(tài)電解質(zhì)膜與涂覆膜同臺(tái)競(jìng)技的可能性。

江蘇三合(由上海恩捷、北京衛(wèi)藍(lán)和溧陽(yáng)天目先導(dǎo)共同成立)聚焦于電解質(zhì)涂布膜的研發(fā)與產(chǎn)銷。其所制備的LATP涂覆膜(氧化物固態(tài)電解質(zhì)膜)在電解液浸潤(rùn)性、離子電導(dǎo)率、安全性等方面的表現(xiàn),已經(jīng)優(yōu)于基于氧化鋁材料所制備的傳統(tǒng)陶瓷涂覆膜。

從這個(gè)角度出發(fā),LATP膜可以視為對(duì)現(xiàn)有陶瓷涂覆膜的迭代,同樣可以應(yīng)用于對(duì)比能、倍率、安全、壽命等要求更高的傳統(tǒng)鋰電池上。

然而,固態(tài)電解質(zhì)膜的大規(guī)模制備仍面臨著生產(chǎn)效率和成本控制的挑戰(zhàn)。如果相關(guān)工藝能在成熟產(chǎn)線中得到驗(yàn)證,將有力推動(dòng)固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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