电池隔膜发展尚处黄金期（图）
2023/11/17
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来源：[互联网]
[中国石化报?2023-11-16]阅读提示：
电动汽车发展势不可当，锂离子电池相随“一日千里”，带动电池隔膜日新月异。未来数年，电池隔膜需求量非常巨大，随着制备工艺不断优化，安全性、稳定性不断提升，我国将成为全球主要电池隔膜生产国。然而，随着新能源市场主角变换，固态电池将粉墨登场，逐渐替代液体电解质电池，预计到2040年电池隔膜完成使命退出历史舞台。
□李超隋谨伊吕晓东
城头变幻大王旗，各种新技术、新材料在波涛汹涌的时代大潮下涌现，又黯然退去。随着新能源汽车的崛起，锂离子电池隔膜进入黄金发展期，然而技术大潮势不可当，固态电池凭借不可比拟的优势或将在2040年取代锂离子电池，届时，锂离子电池重要组成部件隔膜也将淡出历史舞台。
现状火热，中期前景广阔
近年来，我国电动汽车发展突飞猛进，带动锂离子电池迅猛发展。2022年全球电动汽车和储能电池用锂离子电池总量957.7GWh（吉瓦时），比上年增长70.3%。其中车用动力电池684.2GWh，比上年增长84.4%；储能电池159.3GWh，比上年增长140.3%；小型电池114.2GWh，比上年下降8.8%。2022年我国锂离子电池产量660.8GWh，比上年增长97.7%，占全球总量69%。未来十年，锂离子电池仍然是新能源汽车和储能领域的主要技术路线，其中2025和2030年，全球锂离子电池的出货量将达到2211.8GWh和6080GWh。
电池一日千里的发展带动其重要部件电池隔膜的日新月异。电池隔膜主要材料包括PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、电子级PVDF（聚偏二氟乙烯）以及对位芳纶。其中隔膜专用料PE消费规模将从2022年的9.1万吨增加到2030年的21.3万吨，年均增速11%；隔膜专用料PP将从2022年的3万吨增至2030年的7.5万吨，年均增速12%；电子级PVDF将从2022年的0.2万吨增至2030年的0.6万吨，年均增速15%；对位芳纶将从2022年的16吨增至2030年的2000吨，年均增速83%。
电池隔膜历经曲折，产业链从日韩逐步转向国内。从全球角度看，我国目前占全球市场份额绝对领先，为43%，其次是韩、日、美各占28%、21%和6%，其他国家和地区占比2%，而且我国产能还在持续扩大。经过数年发展，我国从2012年前的跟跑，逐渐发展到2017年后的领跑。从国内市场看，恩捷股份在湿法和干法隔膜领域占比都是全国第一。目前以湿法工艺为主，市场占有率超过80%，未来占比还会继续提高。隔膜以PE/PP复合膜为主，PE偏多。其中干法生产工艺中，采用均聚PP为原料的占比达到96%，而采用抗冲共聚PP为原料的干法隔膜占比为4%，可见大多数企业采用均聚PP为原料生产干法隔膜材料。而湿法隔膜材料中，其中98％原料为超高分子量聚乙烯，另外2%采用HDPE（高密度聚乙烯）。
技术含量高、投资金额大
电池隔膜具备技术含量高、投资金额大的特点。
隔膜作为电池四大组成部件（正极、负极、电解液和隔膜）之一，是电池中技术含量最高的部件，因为隔膜可以决定电池的寿命、电阻、电容量及安全性。电池隔膜位于正极与负极之间，阻止电子通过防短路，但可以允许锂离子通过。优良的电池隔膜应保障两大功能，一是优异的稳定性，包括化学稳定性，不易被电解液腐蚀；热稳定性，高温不易变形；力学稳定性，不易因被刺穿导致短路。二是优异的离子通过性，容易被电解液浸润，保持一定尺寸孔隙率及孔径。目前各大公司及研究机构都在增强电池隔膜这两大功能，近年来相关优化改性较多，一是随着锂离子电池能量密度的逐年提升，非活性物质的量越来越少，隔膜越来越薄，最优者可达4毫米。二是开发多层膜、改良膜、新颖隔膜来提高热稳定性。如涂覆勃母石逐渐成为许多企业的选择。
锂电池隔膜是典型的重资产行业，固定资产占比位居电池四大组成部件之首，具有投资金额大的特点。很多头部隔膜企业其固定资产占比超过总资产四成，远超电池其他三大部件固定资产占比。
向高效、安全、低成本方向发展
未来电池隔膜发展方向是高效、安全、低成本。
目前微孔聚烯烃是主力隔膜产品，成本低、稳定性好。但是聚烯烃膜对电解质的浸润性较差，需要对聚烯烃进行改性，如接枝亲水性单体，此举可提高隔膜浸润性；进行涂覆改性来增强浸润性，增加电池循环次数；提高隔膜耐高温性能及抗穿刺能力；提高隔膜避孔功能。
在聚烯烃上可以涂覆无机物，也可以涂覆有机物，涂覆改性是增加电池能量密度的安全垫，重要性日益凸显。涂覆改性可以有效降低其热收缩率，同时提高抗穿刺强度，安全性得到显著提升。此外，涂覆材料可以增强隔膜与电解液之间的浸润性，提高离子电导率。
近两年湿法隔膜的涂覆占比达到80%以上。在涂覆材料应用上，勃姆石由于性价比高，逐渐替代氧化铝作为主要材料，2022年勃姆石出货量超3万吨，占市场份额超50%。勃姆石硬度低可减少设备磨损、可控涂覆面积大且均匀，深受各企业欢迎。
由于涂覆材料可能盖住聚烯烃孔道，本身耐热性较差等问题限制了聚烯烃提高性能的空间。因此，采用新型膜也是一种选择。目前实验较多的新材料主要包含聚偏氟乙烯、间位芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚对苯撑苯并二噁唑、无纺布等。但上述隔膜若想在工业上大规模应用，还要面临降低成本、提升综合性能等诸多挑战。
竞争白热化
2015年海外隔膜产品市场占有率高达90%以上，但海外隔膜厂商却对产能扩张十分谨慎。随着我国大力发展新能源产业，以锂电池为首的产业得到快速发展，推动隔膜需求快速增长，国内厂商抓住机遇，大举扩大隔膜产能，使国内隔膜厂商在供应链上抢占先机，从此国内隔膜企业成为行业领跑者。
目前，隔膜行业处于白热化竞争状态。一是新投入的生产线车速快、幅宽大。车速、幅宽是影响隔膜生产效率的核心指标，速度越快，幅宽越大，综合成本越低，同时对设备和膜料要求越高。目前，国内隔膜第一梯队幅宽已达6.2米，车速达110米/分钟，效益提升21%~49%。二是头部企业马太效益显著：越是头部企业，订单越多，其开工率越高，综合成本越低。经测算，100%开工率比50%开工率的生产线，效益提升37%。三是头部企业良品率极高：隔膜行业由于工艺复杂，良品率较低，头部企业技术工艺优势明显，能大幅降低不良率。头部企业良品率超九成，而二、三流企业良品率仅为五~八成，竞争力大幅下降。提高良品率可极大提升企业效益，如果良品率从六成提升至九成，营业成本能节省20%左右。
进入门槛较高
隔膜行业进入门槛较高。
锂电池隔膜是典型的重资产行业，动辄需要几十亿元上百亿元投资，而且设备供应商稀缺，全球主要隔膜设备厂商目前仅有4家,分别是日本制钢所、日本东芝、德国布鲁克纳、法国伊索普。我国隔膜设备以进口为主，国内各隔膜生产企业与国外设备制造企业已经进行了深度绑定，锁定了未来数年的产线产能，新进入者即使资金雄厚，也很难购买到生产设备，即使想尽办法购买到了相关生产线，但设备建设和调试时间长，尤其首条线调试时间可能长达一年以上，导致潜在竞争者难以涉足隔膜行业。
此外，隔膜用国外原料占比高：国产聚烯烃性价比不高，基膜透气性波动较大，基膜膜面经常有较大颗粒，因此主要隔膜用聚烯烃还是以进口为主，原料成本较高。
隔膜生产工艺技术壁垒高。隔膜工序复杂、良品率低，而且不同厂商工艺不同、技术水平不同，导致良品率差异较大。隔膜改性中非常重要的涂覆改性，专利多被国外巨头掌控，如LG化学、帝人、东丽等，国内企业需要获得授权方可使用。此外，电池隔膜是电池安全的重要保障，如果电池隔膜破损造成电池短路，轻则电池企业破产，重则出现重大事故造成难以挽回的损失，电池厂商对隔膜供应商的选择慎之又慎，会执行严格的评估与准入制度，要求隔膜品质有保障且企业能稳定供应。因此，进入电池厂商的供应链需要很长的认证过程，国内厂商认证周期约为1年，国外厂商认证周期约为2年。
2040年或将退出历史舞台
未来固态电池将取代液体电解质电池。
固态电池优点一是安全性好，不易爆炸。没有电解液因此没有泄漏风险，没有隔膜因此不怕锂枝晶刺穿隔膜，也不会在高温下发生副反应等。
二是能量密度高。液体电解质电池能量密度超过360Wh/kg（瓦时/千克）困难极大。但固态电池不用石墨烯做负极，可以直接用金属锂做负极，可以大大减少负极材料的用量，使得整个电池的能量密度有明显提高。固态电池可提供的能量密度轻松可达400Wh/kg。
三是寿命更长。固态电解质解决了液态电解质在充放电过程中形成的界面膜问题和锂枝晶现象，大大延长了锂电池的使用寿命，可达数万次充放电。
四是充电更快，不怕低温。因为不存在电解液，因此充电更快，低温下也不会有“亏电”的问题。当前固态电池行业，国际公认技术领先的丰田集团正大力投入技术研发，已经成功研发成本、体积、重量均比传统锂离子电池下降一半的固态电池，其宣称2027年将大规模装车应用。除了丰田，还有很多电池生产企业也在加大研发固态电池力度，极有可能实现快速突破，预计2030年会大幅装车，然后进入固态电池和液体电解质电池共存期，到2040年固态电池完全取代锂离子电池，电池隔膜或将退出历史舞台。
（作者来自中国石化经研院市场所）
锂电池隔膜
指在电池正极和负极之间一层隔膜材料，是电池中非常关键的部分，其主要作用是：隔离正、负极并使电池内的电子不能自由穿过，让电解液中的离子在正负极之间自由通过。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环，以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
隔膜的性能对锂电池的性能和安全性有重要影响。优质的隔膜应具有较高的离子导电性、较低的电阻和较好的机械强度。此外，隔膜还应具有较好的耐热性、耐化学腐蚀性和较低的自燃性，以确保电池在各种工作条件下的安全性和可靠性。
随着锂电池技术的不断发展，科学家和工程师一直在研究、开发新型隔膜材料和结构，以提高锂电池的性能、安全性和可持续性。一些新型的隔膜材料包括聚合物复合材料、陶瓷材料和纳米材料等。这些新材料具有更高的离子导电性、更好的耐热性和机械强度，能够增加锂电池的能量密度、延长循环寿命和提高安全性。
此外，隔膜的结构也在不断创新。一些新型的隔膜结构，如多孔隔膜、层状隔膜和纳米孔隔膜等，能够进一步提高锂电池的性能。这些新结构可以增加隔膜的表面积和孔隙度，提高离子传输速率和电解液的浸润性，从而增加电池的功率密度、延长循环寿命。
隔膜的制备方法也在不断改进。传统的隔膜制备包括湿法涂覆、干法涂覆和拉伸法等。近年来，还出现了一些新的制备方法，如电纺法、溶胶凝胶法和模板法等。这些新方法可以制备出具有更好性能的隔膜，提高锂电池的性能和可靠性。
总之，锂电池隔膜是一种关键的组件，对锂电池的性能和安全性起到重要作用。随着锂电池技术的不断发展，隔膜材料、结构和制备方法也在不断创新，以提高锂电池的性能、安全性和可持续性。这些创新将推动锂电池在电动汽车、便携式电子设备、储能系统等领域的广泛应用，为清洁能源和可持续发展作出更大的贡献。
锂电池隔膜的主要功能：
·隔离正负极：隔膜能够有效地将正负极隔离开来，防止直接接触和短路。
·传递锂离子：隔膜具有微孔结构，可以允许锂离子在充放电过程中通过，从而实现电池的充放电。
·阻止电解液中其他离子的流动：隔膜能够阻止电解液中的其他离子和电子的流动，以保持正负极之间的离子迁移。
·提供机械支撑：隔膜还可以提供机械支撑，保持正负极的间距和稳定性。