隔膜是锂离子电池的关键内层组件之一,也是锂电材料中技术壁垒最高的环节,其主要功能是将正负极隔开、阻止电子穿过,防止两极直接接触发生短路;同时能够允许离子通过,使得锂离子在充放电过程中可在正负极之间实现快速传输。隔膜的性能优劣直接影响着电池内阻、放电容量、循环使用寿命及安全性能等特性。
隔膜性能对锂离子电池性能的影响关系 | ||||||
电池性能 隔膜性能 | 安全性 | 容量 | 倍率 | 循环性能 | 质量 | 体积 |
厚度↑ | ↑ | ↓ | ↓ | ↓ | ↑ | ↑ |
孔隙率↑ | ↓ | - | ↑ | ↑ | - | - |
透气阻力↑ | ↑ | - | ↓ | ↓ | - | - |
内阻↑ | ↑ |
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| - | - |
热收缩率↑ | ↓ | - | - | - | - | - |
穿刺强度↑ | ↑ | - | - | - | - | - |
机械强度↑ | ↑ | - | - | - | - | - |
孔径↑ | ↓ | ↑ | ↑ | ↑ | - | - |
均一性↑ | ↑ | ↑ | ↑ | ↑ | - | - |
目前已大规模产业化的锂离子电池隔膜生产材料以聚烯烃微孔膜为主,主要包括聚乙烯(PE)单层膜、聚丙烯(PP)单层膜和PP/PE/PP三层复合膜。聚烯烃隔膜的生产工艺可分为干法和湿法两大类,其中干法又可分为单向拉伸和双向拉伸两种工艺。
隔膜生产的难点在于造孔的工程技术和基体材料,其中造孔的工程技术包括隔膜造孔工艺、生产设备以及产品稳定性,基体材料包括聚丙烯、聚乙烯材料和添加剂。
早期湿法隔膜主要用于消费类电子电池以满足其对容量及轻薄便携的要求,而动力电池领域通常使用干法隔膜以满足安全性要求,近年来湿法隔膜与表面涂覆工艺的结合使得湿法涂覆膜开始向动力电池领域应用。目前应用最为广泛的是陶瓷涂覆,通过在隔膜表面涂覆一层2~3μm的高纯超细Al2O3,起到改善耐温性、提升电解液浸润性和提高穿刺强度的作用,安全性能由此也可获得大幅提升。
湿法涂覆隔膜在热稳定性、与电解液浸润性及热收缩性等方面优势明显,更能满足动力锂电的需要,技术壁垒也相对较高;干法隔膜则相对而言投资少、成本低、工艺简单,成为国内隔膜企业竞相布局的领域。目前锂电隔膜国产化率正在不断提升,其中干法隔膜产品已基本实现全面进口替代,而中高端的湿法隔膜产品仍有赖于进口。
据统计,2015年国产隔膜的产量6.28亿平米,占国内隔膜市场容量约70%,占全球隔膜产量约40.6%。从湿法隔膜的出货量来看,2015年全球湿法隔膜产量的占比约58.5%,国内湿法隔膜产量占比约37.9%,虽与国际水平仍然存在一定的距离,但相较于上一年不到30%的占比已呈现出加速进口替代的特点。2015年国内湿法涂覆隔膜产量又占到了湿法隔膜的65%,“湿法+涂覆”是当前动力锂电隔膜的主流发展趋势。
除了“湿法+陶瓷涂覆”,三层复合隔膜因其兼备较低的闭孔温度和较高的熔断温度从而安全性能优异也正在成为国内外众多知名锂电材料、电芯厂的选择路线,有望成为锂电隔膜材料的下一个竞争高地。国际市场上,松下为特斯拉提供的电芯就采用了Celgard的三层膈膜,三星提供给BMWi3以及LG提供给GM的Volt均使用了三层膈膜,日产、AESC、日立和PEVE等也将三层膈膜应用在了动力电池上。国内隔膜企业也在积极推进三层复合膜的产业化,包括明基材料、纽米科技等国内锂电知名企业都已开始投建三层隔膜生产线,产业化可期。