动力蓄电池隔膜掣肘我国新能源汽车发展

2013-05-09 18:07:56来源: 互联网

在锂离子蓄电池主要原材料中,除正极材料、负极材料以及电解质溶液外,隔膜是非常关键的内层组件,也是锂离子蓄电材料中技术含量最高的高附加值材料。隔膜的性能优劣,直接影响蓄电池的容量、循环寿命及安全性能等特性。同时,隔膜的成本约占整个锂离子蓄电池成本的20~30%

 

隔膜的类型及工艺制备

 

    隔膜的主要作用是将蓄电池的正、负极分隔开来,防止正负极接触而短路,此外膈膜还具有能使电解质离子通过的功能。

 

    锂离子蓄电池隔膜材料主要有聚烯烃类、高分子材料、无机材料等。根据原材料特点及加工方法不同,可将锂离子蓄电池隔膜分成聚烯烃隔膜、聚合物隔膜、陶瓷隔膜、纤维隔膜等。目前市场化的聚烯烃隔膜主要以聚乙烯、聚丙烯为主,包括单层聚乙烯(PE)、单层聚丙烯(PP)以及三层PP/PE/PP的复合膜。

 

    聚烯烃隔膜的生产工艺分干法和湿法两大类。湿法又称相分离法或热致相分离法,将高沸点的烃类液体或低分子量的物质与聚烯烃树脂混合,加热溶化混合物并把熔体铺在薄片上,然后将发生相分离,再以纵向或双轴向对薄片做取向处理,最后用易挥发的溶剂提取液体。可制备出相互贯通的微孔膜材料,适用的材料广。

 

    干法可细分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。干法单向拉伸工艺是通过生产硬弹性纤维的方法,制备出低结晶度的高取向聚丙烯或聚乙烯薄膜,在高退火获得高结晶度的取向薄膜。这种薄膜先在低温下进行拉伸形成微缺陷,然后在高温下使缺陷拉开,形成微孔。该工艺经过几十年的发展在美国、日本已经非常成熟。

 

    干法双向拉伸工艺是中国科学院化学研究所在20世纪90年代初开发出的具有自主知识产权的工艺(CN1062357)。通过在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改进剂,利用聚丙烯不同相态间密度的差异,在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔,用于生产单层PP膜。国内格瑞恩新能源材料股份有限公司、桂林新时代科技有限公司均与中科院合作采用干法双向拉伸工艺。

 

    静电纺织技术是一种有效、实用的纳米纤维的制备工艺。研究发现,由于孔隙率高、比表面积大,纳米纤维膜对锂离子蓄电池电解液的吸收能力特别强,有利于提高隔膜的锂离子导电率、降低蓄电池的内阻、适合大电流放电,对提高锂离子蓄电池特别是动力锂离子蓄电池的性能很有帮助。最近,中国科学院理化技术研究所在多针喷头静电纺织技术在纳米纤维锂离子蓄电池隔膜制备中取得了突破性进展。

 

    为了应用于大型蓄电池,隔膜安全性研究正在开展之中。鉴于聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等微多孔性膜的耐热性差。日本索尼能源设备公司正在开发具有高性能陶瓷层的锂离子充电蓄电池用隔膜,通过在此前的隔膜——聚烯烃(Polyolefin)的微多孔膜两面形成厚度2~5μm的金属氧化物陶瓷层,可防止大电流通过引起的内部短路。

 

    2009年,韩国原子能研究院(KAERI)发布消息称,其研究人员已经开发出了一种用于锂离子蓄电池隔膜的新材料,能够抵御较高的温度和大力量的撞击。KAERI开发出的新型隔膜由聚乙烯、纳米化矾土和氟化树脂混合而成,并经过了辐照处理,可以有效弥补现有锂离子蓄电池的缺陷。据称,使用该混合物隔膜可以在150℃的高温以及相当大力度的外部撞击下保持其绝缘性。

 

国内外隔膜材料产业情况

 

    目前国外的主要隔膜材料生产企业有:日本旭化成(Asahi)、宇部兴产(UBE)、东燃化学(Tonen,埃克森美孚控股)、三菱化学与三菱树脂、三井化学等,美国CelgardEntek,韩国SK能源、W-ScopeWIDEFinepol等公司,此外,德国赢创德固赛集团、英国N-Tech公司、荷兰DSM集团等公司也在生产锂离子蓄电池隔膜材料。在2009年全球锂离子蓄电池材料市场中,日本旭化成是最大的供应商,占据了全球约1/3的市场份额;东燃化学和美国Celgard公司仅次于旭化成,市场占有率都在20%以上。其中部分锂离子蓄电池隔膜生产企业的情况如下:

 

    1.日本旭化成:旭化成的锂离子蓄电池隔膜生产采用湿法制备工艺,主要生产单层隔膜。目前,旭化成已经能够生产部分高性能的聚丙烯、聚乙烯材料。在此基础上,旭化成研究开发出面向高输出功率用途的混合动力车及电动汽车等电动车辆用锂离子充电蓄电池的隔膜技术IBS(Inorganic-blendeds eparator)。该技术通过在隔膜中混合无机物,确保了电动车辆用锂离子充电蓄电池的性能。而且还可直接利用便携设备锂离子充电电池的隔膜量产线。因此,制造成本可保持在与现有产品相当的水平上。此外,这种新型隔膜在将空孔率提高到50%~70%的同时,还将电阻降低到了以往产品的一半。

 

    2.东燃化学:东燃化学是美国埃克森美孚化工集团旗下埃克森美孚日本集团的控股子公司。东燃化学的隔膜制备采用的是湿法工艺,生产的是PE单层隔膜,目前设计年产能为6800m2200610月东燃化学推出了首款专为混合动力车用锂离子蓄电池设计的先进微孔隔膜。这种高性能隔膜熔融完整性更高,具备快速闭孔性能和高机械强度,可在显著减少热收缩的同时,保持良好的渗透性和拉伸强度,可显著提高混合动力车所用锂离子蓄电池的容量和安全性。20075月东燃化学再一次推出了面向混合动力汽车以及电动汽车用的动力锂离子蓄电池隔膜,其最大特点是耐热性高,在190℃时也不会发生熔化。2007年年底,埃克森美孚化工在美国推出了225μm隔膜产品。20085月推出了220μm新产品。到目前为止,东燃化学共有4款隔膜是针对混合动力车和纯电动车开发的,这4款产品已在东燃化学位于日本那须的工厂进行生产并在全球范围内供应。

 

    为满足隔膜现有及新型应用领域日益增长的需求,东燃化学在韩国龟尾(Gumi)建设了第2个隔膜厂,此外,东燃化学还计划建设一个蓄电池测试中心,对先进蓄电池系统应用于混合动力汽车和其它用途进行评估。200911月,埃克森美孚日本集团旗下的东燃通用石油确定与东丽(TORAY)合作,成立新的合资公司,强化蓄电池隔膜业务。

 

    3.美国Celgard公司:成立于1981年,是专业生产微孔隔膜的全球领先供应商。Celgard持有干法单向拉伸制造工艺的专利,是干法聚烯烃隔膜的领跑者,主要客户有松下、比亚迪等。Celgard在美、韩和中国都有生产基地,中国的生产基地位于上海,在戴瑞米克(上海)电池隔膜有限公司内。20101月,Celgard公司宣布,要扩大其位于美国北卡罗来纳州夏洛特工厂的产能,并将在美国北卡罗来纳州Concord新建一个生产厂,以满足电动汽车市场不断增长的需求。20103月,Celgard公司宣布,计划投资约3000万美元,扩大其位于韩国梧仓(Ochang)的锂离子蓄电池隔膜的产能,扩建项目有望在2011年投产,并将满足消费电子应用方面的客户增长。对此,Celgard表示用于锂离子蓄电池的三层膜的生产能力将增加3倍。对Celgard公司实行的产能扩充计划,美国政府给予了大力支持。

 

    4.德国赢创德固赛股份有限公司:即赢创工业集团化工业务。开发了SEPARION 电池隔膜产品,即以PET无纺布为支撑体,在其表面复合了一层无机陶瓷氧化物涂层,制备出了有机底膜/无机涂层复合的陶瓷多孔锂离子蓄电池隔膜,该隔膜具有良好的热稳定性和良好的电解液湿润性,与聚烯烃的隔膜相比,安全性能有很大改进,但是隔膜的穿刺强度还有待于提高。赢创目前正与戴姆勒集团合作,将家用及商用车辆所需的高性能蓄电池进行产业化生产。采用赢创领先科技生产的电动及混合动力车预计将于2012年正式向市场推出,陶瓷隔膜SEPARION 将是该创新成果的核心。

 

    5.国外其它:2010年杜邦公司发布了其首款基于纳米纤维聚合物的Energain锂离子蓄电池隔膜材料。据介绍,该隔膜对提升蓄电池性能非常有帮助,综合性能提升值可达15%~30%。此外,隔膜还能显著延长动力蓄电池的寿命,并改善蓄电池在高温工作状态下的稳定性。

 

    目前国内深圳星源材质、佛山金辉高科等厂商也在开发和生产小型锂离子蓄电池用隔膜。如:

 

    1.深圳市星源材质科技股份有限公司:成立于2003年。核心业务是锂离子蓄电池微孔隔膜的研发、生产和销售。目前星源材质拥有干法生产线两条,湿法生产线一条,主要生产12μm40μm不同规格的锂离子蓄电池隔膜。公司现正在筹建检测项目齐全的锂离子蓄电池隔膜国家级检测中心。

 

    2.佛山金辉高科光电材料有限公司:佛塑股份于2004年建立了一条采用湿法工艺生产PE隔膜的双向拉伸生产线,于2005年末投放市场。20062月,佛塑股份与比亚迪共同出资组建金辉高科,专业从事锂离子蓄电池隔膜材料的研发、生产和销售。200910月,佛塑股份与比亚迪落实了金辉高科的增资方案,合资扩建锂离子蓄电池隔膜项目,涉及的总投资额约1.05亿元人民币。金辉高科的产能扩充项目建成后锂离子蓄电池隔膜材料年产能将达到4500m2(542t)

 

    3.格瑞恩新能源材料股份有限公司:新乡市格瑞恩新能源材料股份有限公司是由金龙精密铜管集团股份有限公司投资兴建的致力于锂离子蓄电池材料研发、生产、销售于一体的全资子公司。公司于2004年进行隔膜中试及生产,采用的是双向拉伸工艺的干法工艺。可以生产121620μm超薄隔膜。

 

    4.桂林新时科技公司:2005年开始,中国科学院化学研究所与新时科技公司合作重新开展干法双向拉伸工艺的中试研究。根据中试工作取得的经验,于200711月成功建成并投产了一条年产聚丙烯微孔膜600m2的生产线。用此工艺生产的聚丙烯微孔膜具有不同于以上工艺制得隔膜的微孔结构。

 

    5.国内其他:三门峡兴邦特种膜科技发展有限公司也在从事纳米纤维膜和纳米纤维离子交换膜研发和生产。其纳米纤维膜系列产品可广泛用于动力锂离子蓄电池隔膜、燃料电池、海水淡化、工业制药、污水处理、贵金属回收等领域。200912月,兴邦公司与河南海奥通新能源科技有限公司缔结为动力锂离子蓄电池隔膜材料应用战略合作伙伴。

 

    20108月,明基材料与奇瑞集团联合发布声明,双方将成立合资公司,合作开发电动汽车用锂离子蓄电池隔膜材料。总投资额约为8000万人民币,奇瑞与明基各持股50%。双方计划在安徽芜湖设立工厂,从基础研发逐步入手,先建立实验线,然后再逐步加大投资力度,推动相关产品的产业化进程,最早的量产时间可能到2012年。

 

隔膜掣肘我国新能源汽车的发展

 

    根据用途不同,车用锂离子蓄电池分为混合动力汽车(HEV)用的高功率蓄电池和纯电动汽车(EV)用的高能量型蓄电池,高功率蓄电池对隔膜的离子透过性要求更高,而高能量型蓄电池更侧重于隔膜的安全性能。

 

    据了解,车用锂离子蓄电池一个蓄电池模块通常需要几十个单体电池进行串联或并联,同时单体电池容量和体积都很大,容量为几十到上百Ah,以日产LEAF纯电动汽车为例,锂离子蓄电池的能量为24kWh,是标准手机电池的12000倍;加上锂离子蓄电池具有潜在的爆炸危险,这就要求隔膜具有更高的强度、保液能力及熔化温度。现在车用锂离子蓄电池隔膜主要采用厚度为32μm40μm甚至更厚的单层PP隔膜。

 

    由于车用锂离子蓄电池对隔膜的一致性要求极高。除了厚度、面密度、力学性能这些基本要求之外,对隔膜微孔的尺寸和分布的均一性也有很高的要求。另外,隔膜材料生产技术难度高,产业化需要的投资额大,项目周期也较长,投资风险较大。在国际上,车用锂离子蓄电池隔膜的发展也比较缓慢。而在中国,隔膜生产企业数量很少,主要集中在中、低端小型锂离子蓄电池领域。且就国内现有的隔膜生产技术,隔膜的厚度、强度、孔隙率不能得到整体兼顾,量产批次稳定性较差,不适用于对一致性和均一性要求极高的车用锂离子蓄电池隔膜,正规新能源汽车生产厂家基本不使用国产隔膜。

 

    工信部副部长苗圩在最近举办的北大光华新年论坛的公开发言中谈到,动力蓄电池最大的问题是占30%左右成本的隔膜,这种隔膜我国一家企业都做不了,而且生产这种隔膜的技术和装备,都列入了西方对中国限制出口的清单,所以现在中国想买相关设备、技术、工艺时,还没有人卖。如果到2015年我国将形成100万辆电动汽车的规模,则锂离子蓄电池隔膜需求为15亿m2。综上所述,隔膜的短板将成为掣肘我国新能源汽车发展的问题之一。

关键字:动力  隔膜

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0509/article_7113.html
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