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中国锂电池隔膜被垄断?还要遭受技术和专利的指控,中企迎难而上

围观能源(稿源) 2023-3-12 15:47 No.1787

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锂电池隔膜,是锂电池里面的一层薄膜,它可以防止电池短路,也是完成充放电的重要部件。可以说,没有隔膜就没有锂电池。那么,这么重要的隔膜技术,在国际上是怎样的格局呢?


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据统计,2019年全球前五大隔膜企业都来自日本和美国,而中国企业只占到了10%左右的市场份额。

更有甚者,在技术上还遭受了诉讼打压和专利侵权的指控。面对如此严峻的形势,中国隔膜企业该如何突围呢?他们又有哪些创新和突破呢?本文将从以下几个方面为你揭晓答案。


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锂电池隔膜是什么

先来看看锂电池的结构。锂电池由正极、负极、隔膜和电解液组成。正极通常是由金属氧化物或磷酸盐等材料制成的片状物,负极则是由金属锂或碳素等材料制成的片状物。这两个片状物之间就是隔膜。


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那么,隔膜到底是什么呢?隔膜其实就是一种非织造布,它由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚酯(PET)等高分子材料制成。它的厚度一般在10-40微米之间,相当于头发丝的十分之一左右。


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锂电池隔膜有什么作用

介绍了锂电池隔膜的定义和材料,接下来我们来看看它的两大功能和对电池性能的影响。

首先,隔膜的第一个功能就是防止短路。这个功能听起来很简单,但其实很关键。

因为锂电池的正负极之间有高达几百伏的电压差,如果没有隔膜的保护,一旦正负极片接触,就会产生大量的热量和火花,引发电池爆炸或着火。


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这种情况在电池过充、过放、过温或受到外力冲击时容易发生。为了避免这种危险情况发生,隔膜就起到了一个安全阀的作用。它像一层保险丝一样,在出现异常时及时断开电路,阻止短路发生。


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其次,隔膜的第二个功能就是充当离子通道。这个功能听起来很复杂,但其实很重要。因为锂电池的工作原理就是利用锂离子在正负极之间来回移动来实现充放电过程。

为了让锂离子能够顺畅地通过,隔膜就起到了一个桥梁的作用。它像一个筛子一样,在保持足够强度和稳定性的同时,打开了一个个微小的孔洞,让锂离子能够穿过。


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那么,隔膜对锂电池性能有什么影响呢?我们可以从以下几个方面来分析:

内阻:内阻是指锂电池在充放电过程中产生的损耗和热量。内阻越小,损耗越少,效率越高。隔膜对内阻有着显著影响。

因为隔膜是正负极之间唯一存在物理接触面积并且存在压缩变形现象的部件,所以它对离子传输速度和方向有着直接影响。一般来说,隔膜越厚、孔洞越小、孔率越低、孔径分布越不均匀,则内阻越大。


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安全:隔膜是正负极之间唯一存在物理屏障并且具有自我关闭功能(shutdown)的部件 ,所以它对预防短路和控制温升有着关键作用。

一般来说,在出现异常情况时(如温度超过130℃),聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)等隔膜材料会发生熔断,使得孔洞关闭,阻止离子通过,从而切断电路,避免短路。同时,隔膜也可以吸收一定量的电解液,减少电解液的挥发和渗漏,提高电池的稳定性。


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寿命:隔膜是正负极之间唯一存在物理支撑并且具有抗老化功能(anti-aging)的部件,所以它对抵抗机械应力和化学侵蚀有着重要作用。

一般来说,隔膜越均匀、强度越高、稳定性越好,则寿命越长。另外,隔膜也可以阻止锂枝晶的生长和穿刺,延缓电池容量的衰减。


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充电速度:隔膜也对充电速度有着重要影响。因为隔膜是正负极之间唯一存在物理限制并且具有调节离子通道功能的部件,所以它对控制离子浓度差和方向有着重要作用。一般来说,隔膜越薄、孔洞越大、孔率越高、孔径分布越均匀,则充电速度越快。


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通过以上分析,我们可以看出锂电池隔膜是一个既简单又复杂的部件。它虽然只占据了锂电池总体积的5%左右,但却对锂电池的内阻、安全、寿命和充电速度等性能有着至关重要的影响。

因此,在锂电池技术发展过程中,不断优化和创新隔膜技术是一个必不可少的环节。


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锂电池隔膜的制备方法

那么,如此重要的锂电池隔膜又该如何制备?它的制备工艺是一门高深的技术,不仅要求高分子材料的选择和配比,还要求精密的温度和压力控制,以及复杂的后处理过程。


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目前,主要有两大制备工艺:干法、湿法。

干法是最早也是最成熟的一种工艺,它将高分子聚合物和添加剂混合后熔融挤出成薄膜,然后在一定温度下拉伸出微孔,形成具有良好力学性能和尺寸稳定性的隔膜。

干法可以分为单向拉伸和双向拉伸两种方式,双向拉伸可以使微孔更加均匀和细密,但也更加困难和昂贵。


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湿法是利用热致相分离的原理,将增塑剂与聚烯烃树脂混合后压制成薄片,在加热拉伸后用溶剂将增塑剂萃取出来,形成具有高孔率和低内阻的隔膜。

湿法相比干法可以节省能源和原料,但也存在溶剂回收、环境污染等问题。

可以看到,以上四种制备技术各有各的优点,但不论哪一种都有一定的技术难度和壁垒。


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锂电池隔膜技术的垄断

锂电池隔膜技术的垄断,与国外企业在该领域的长期投入和创新密不可分。据统计,全球前四大隔膜企业分别是赛尔格(Celgard)、恩泰克、旭化成、宇部,它们共占据了全球50%以上的市场份额。这些企业都有着自己的技术优势和市场控制力,我们来一一介绍:


中国锂电池隔膜被垄断?还要遭受技术和专利的指控,中企迎难而上

赛尔格(Celgard):这是美国最大的隔膜生产商,也是全球第一家采用干法双向拉伸工艺生产隔膜的企业。它拥有多项专利和知识产权,在美国、欧洲和亚洲等地区都有销售网络,其主要客户包括LG化学、三星SDI等。


中国锂电池隔膜被垄断?还要遭受技术和专利的指控,中企迎难而上

恩泰克:这是德国最大的隔膜生产商,也是全球第二大隔膜供应商。恩泰克采用湿法单向拉伸工艺生产隔膜,在欧洲、美国和中国等地区都有生产基地,其主要客户包括特斯拉、宝马等。

旭化成:这是日本最大的隔膜生产商,也是全球第三大隔膜供应商。旭化成采用干法单向拉伸工艺生产隔膜,在日本、中国和韩国等地区都有生产基地,其主要客户包括松下、索尼等。


中国锂电池隔膜被垄断?还要遭受技术和专利的指控,中企迎难而上

宇部:这是日本第二大隔膜生产商,也是全球第四大隔膜供应商。宇部采用湿法双向拉伸工艺生产隔膜,在日本、中国和韩国等地区都有生产基地,其主要客户包括比亚迪、CATL等。

以上就是国外四大隔膜企业的技术优势和市场控制力,它们凭借着先进的工艺、丰富的经验和稳定的质量,在锂电池隔膜领域占据了主导地位。那么,中国在这个领域又是如何突围的呢?


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中国在锂电池隔膜的突围

面对国外隔膜企业的技术封锁和诉讼打压,中国隔膜企业并没有气馁,而是加大了研发投入和产能扩张,取得了令人瞩目的突破和成就。其中,最引人注目的是恩捷股份和星源材质这两家公司。


中国锂电池隔膜被垄断?还要遭受技术和专利的指控,中企迎难而上

恩捷的创始人是一位有着多年化工行业经验的工程师,他看到了锂电池产业的巨大潜力和市场需求,决定投身于这个领域。

当时,国内的锂电池隔膜市场几乎被日本和韩国等国外企业垄断,他们掌握了先进的技术和设备,并且对其进行了严格的保护和封锁。国内的企业只能依赖进口或者模仿低端产品,无法与国外竞争。


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恩捷的创始人没有气馁,他认为只有自主创新才能打破技术封锁。他开始寻找合作伙伴,并且与美国阿科玛公司(Arkema)建立了战略合作关系。

阿科玛公司是一家全球领先的化学品生产商,拥有多种高性能材料。恩捷引进了阿科玛公司的PVDF共聚物作为涤屑材料,并在此基础上进行了改进和优化。


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经过多年的努力,恩捷成功开发出了第一代PP/PVDF液相法涤屑隔膜产品,并在2010年开始批量供应给国内外知名客户。这一产品在安全性和能量密度方面都达到或超过了国际水平,并且适用于动力电池和储能电池等领域。


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目前,恩捷公司已拥有自主知识产权的湿法单向拉伸工艺,可以生产高孔率、高强度、低内阻、高安全性能的隔膜产品。公司在国内外拥有多个生产基地,建立了两条国际先进水平的PP/PVDF液相法涤屑生产线,其主要客户包括宁德时代、比亚迪等。


中国锂电池隔膜被垄断?还要遭受技术和专利的指控,中企迎难而上

据EVTank数据显示,2021年恩捷股份的隔膜出货量达到30亿平米,占据全球市场份额的37.2%。恩捷股份不仅在国内市场占据领先地位,在国际市场也有较强竞争力。2021年恩捷股份实现出口收入9.7亿元,出口占比达到16.5%。


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星源材质成立于2003年,专注于干法和湿法隔膜的研发、生产和销售。它的发展路径与恩捷相似,同样通过合作伙伴来实现了技术追赶。

最终,它掌握了自主知识产权的干法双向拉伸工艺和湿法单向拉伸工艺,可以生产高孔率、高强度、低内阻、高安全性能的隔膜产品。

据EVTank数据显示,2021年星源材质的隔膜出货量达到12.19亿平米,占据全球市场份额的15.1%。星源材质不仅在干法领域保持领先优势,在湿法领域也取得了快速增长。2021年星源材质实现出口收入10亿元左右。


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除了恩捷股份和星源材质这两家龙头企业之外,还有一些中小型企业也在积极扩张锂电池隔膜市场。例如中材科技等企业实现了设备国产化,并且成功开发了自研设备生产出来的产品,并通过了海外电池厂商认证。


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结语

通过以上分析可以看出,中国在锂电池隔膜领域已经实现了从跟跑到并跑的历史性跨越。恩捷股份和星源材质等企业已经成为全球隔膜市场的领导者,中材科技等企业已经实现了设备国产化,并且在新型高性能隔膜材料方面也有了重大突破。


中国锂电池隔膜被垄断?还要遭受技术和专利的指控,中企迎难而上

随着新能源汽车、储能、消费电子等行业的快速发展,对锂电池隔膜的需求将持续增长。预计到2025年,全球锂电池隔膜市场规模将达到150亿美元左右。

面对这样一个巨大的市场机遇和挑战,中国隔膜企业应该继续加强技术创新和品牌建设,提高产品质量和性能,满足不同客户和应用场景的需求;同时也要加强国际合作和交流,拓展海外市场和资源,与全球同行共同推进锂电池产业的发展。

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