新世紀以來，手機、筆記本電腦、數(shù)碼照相機和攝像機的迅速普及，以及電動汽車的推廣，使得鋰電池與百姓的生活越來越貼近。作為一種清潔能源載體，鋰電池自上世紀90年代實現(xiàn)商品化以來，受到了世界各國的廣泛追捧。我國鋰電池產(chǎn)業(yè)是在近幾年快速成長起來的。2010年我國鋰電池產(chǎn)量約為20億只，銷售收入約為180億元人民幣。未來動力電池車是我國汽車工業(yè)的主攻方向之一，隔膜作為鋰電池的核心材料，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
盡管鋰電池隔膜行業(yè)是一個新興產(chǎn)業(yè)，清潔能源的發(fā)展也為其帶來了新一輪的發(fā)展機遇，但我們必須認識到，前期投資的隔膜生產(chǎn)線項目今明年將全部建成投產(chǎn)，其產(chǎn)能可達8億平方米，加上國外隔膜廠家擴產(chǎn)后的6億平方米，產(chǎn)能將遠遠超出市場需求量，過剩危機在所難免。業(yè)內(nèi)專家提醒，對這一點要有清醒的認識，生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定、優(yōu)化和提升需要企業(yè)長期的摸索和研究，我國鋰電池隔膜行業(yè)未來的發(fā)展重點不是產(chǎn)業(yè)化，而是要根據(jù)市場需求變化進行有的放矢的研發(fā)。
國產(chǎn)膜逐步替代進口
中國化學(xué)與物理鋰電池行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計資料顯示，我國目前已經(jīng)成為世界主要的鋰電池生產(chǎn)基地，是第二大鋰電池生產(chǎn)國和出口國，鋰電池產(chǎn)品已經(jīng)占到全球30%～40%的市場份額。我國對鋰電池隔膜的需求與日俱增，2009年我國鋰電池隔膜需求量超過1.2億平方米。
中國塑料加工工業(yè)協(xié)會雙向拉伸聚丙烯專委會理事長吳耀根介紹說，鋰電池隔膜是鋰電池中關(guān)鍵的內(nèi)層組件。電池的容量、循環(huán)性能和充放電電流密度等關(guān)鍵性能與隔膜有著直接的關(guān)系，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池及動力電池的綜合性能起著重要作用。隔膜吸收電解液后，可隔離正、負極，以防止短路，但同時還要允許鋰離子的傳導(dǎo)。在過度充電或者溫度升高時，隔膜還要有高溫自閉性能，擔(dān)當起阻隔電流傳導(dǎo)防止爆炸的作用。隔膜性能決定著電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻。不僅如此，鋰電池隔膜還要有強度高、防火、耐化學(xué)試劑、耐酸堿腐蝕性、生物相容性好、無毒等特點。
也正是有如此嚴格的技術(shù)性能要求，鋰電池隔膜的制造技術(shù)難度大，制造工藝的相關(guān)專利被美國和日本等少數(shù)國家壟斷。我國鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展之初，鋰電池隔膜全部依靠進口。在鋰電池四大關(guān)鍵元件中，隔膜是最后一個實現(xiàn)國產(chǎn)化的元件。
中科院化學(xué)所從上世紀90年代開始開發(fā)干法雙向拉伸工藝，通過在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進劑，利用聚丙烯不同相態(tài)間密度的差異，在拉伸過程中發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變形成微孔，用于生產(chǎn)單層PP膜；2000年國家“863”計劃項目給予支持；2005年開始，中科院化學(xué)所與新時科技公司合作開展干法雙向拉伸工藝的中試研究；2007年11月成功建成并投產(chǎn)了一條年產(chǎn)聚丙烯微孔膜600萬平方米的生產(chǎn)線，用此工藝生產(chǎn)的聚丙烯微孔膜具有不同于傳統(tǒng)工藝制得隔膜的微孔結(jié)構(gòu)，通過國內(nèi)30多家電池廠在鋰離子電池上進行評價，產(chǎn)品基本性能已經(jīng)完全滿足鋰電池隔膜的質(zhì)量指標要求，市場反應(yīng)積極，2008年2月份開始已經(jīng)有產(chǎn)品在市場上銷售。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，我國鋰電池隔膜已有了長足的進步，有了自己的干法、濕法生產(chǎn)線，還有企業(yè)最近還陸續(xù)推出了多層復(fù)合隔膜。
縱觀國內(nèi)的鋰電池隔膜市場，雖然目前依然是國外品牌一統(tǒng)天下，但是隔膜的國產(chǎn)化已經(jīng)呈現(xiàn)出喜人的局面。部分隔膜已實現(xiàn)了市場化，并且產(chǎn)能在逐步擴大，產(chǎn)品的質(zhì)量也在不斷提升。目前，國產(chǎn)隔膜在低、中端市場已經(jīng)大部分替代了進口產(chǎn)品，少量產(chǎn)品已經(jīng)進入高端市場，進口產(chǎn)品價格隨著國產(chǎn)隔膜的問世有所降低，由原來的4美元/平方米降低到現(xiàn)在的1美元/平方米。
深圳市星源材質(zhì)科技股份有限公司、佛山市金輝高科光電材料有限公司、新鄉(xiāng)市格瑞恩新能源材料股份有限公司、南通天豐電子新材料有限公司等幾家龍頭企業(yè)的的產(chǎn)品與進口膜相比，性能指標已相差無幾，且價格只有進口隔膜的1/3～1/2甚至更低，而且供貨周期短、售后服務(wù)及時，可真正為客戶做到量身定做，產(chǎn)品和服務(wù)均得到了用戶的認可，國產(chǎn)鋰電池的市場份額提高到20%。
產(chǎn)能擴張迅速露過剩端倪
隨著技術(shù)的進步和國產(chǎn)市場份額的擴大，特別是對未來市場的期待，以及國家政策的導(dǎo)向等一系列因素的疊加，國內(nèi)鋰電池隔膜生產(chǎn)線擴能的勢頭正勁。幾家大的鋰電池隔膜企業(yè)在原有的基礎(chǔ)上，紛紛開始擴大生產(chǎn)。
格瑞恩公司是國內(nèi)鋰電隔膜干法雙向逐次拉伸的代表，也是國內(nèi)最早實現(xiàn)隔膜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，在國內(nèi)手機等通訊類市場國產(chǎn)膜占有最大份額，目前隔膜生產(chǎn)線數(shù)量為國內(nèi)最多，已有產(chǎn)能3500萬平方米/年，目前正在新建1億平方米/年生產(chǎn)線；佛山金輝公司是國內(nèi)濕法工藝生產(chǎn)生產(chǎn)隔膜的代表，是國內(nèi)最早實現(xiàn)濕法產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)，目前產(chǎn)能1200萬平方米/年，在建4000萬平方米/年產(chǎn)能；深圳星源材質(zhì)公司是國內(nèi)唯一擁有干法單向拉伸和濕法生產(chǎn)工藝的企業(yè)，干法復(fù)合膜產(chǎn)品得到動力電池廠的廣泛認可，已有產(chǎn)能5000萬平方米，在建5000萬平方米/年產(chǎn)能；南通天豐公司是國內(nèi)唯一擁有干法單向、雙向同步拉伸工藝的企業(yè)，是國內(nèi)最早從事鋰電隔膜研發(fā)的企業(yè)之一，是隔膜行業(yè)國家級研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化基地，生產(chǎn)的多層復(fù)合膜得到國內(nèi)外市場的廣泛認可，尤其在動力電池應(yīng)用方面效果尤佳，已有產(chǎn)能3000萬平方米/年，在建7000萬平方米/年產(chǎn)能。
我國鋰電池生產(chǎn)有超前性，在電動汽車產(chǎn)業(yè)還沒有啟動之前，我國就已上了一大批鋰電池和鋰電池材料生產(chǎn)企業(yè)。吳耀根指出，這樣的超前投資，勢必造成產(chǎn)能的嚴重過剩和資源的浪費。如果這些隔膜生產(chǎn)線項目今明年全部建成投產(chǎn)，估計其產(chǎn)能可達8億平方米，加上國外隔膜廠家擴產(chǎn)后的6億平方米，如此大的產(chǎn)能已遠遠超出市場需求量，產(chǎn)能過剩危機在所難免。
中國塑料加工工業(yè)協(xié)會會長廖正品也表示，目前全國投資鋰電池隔膜生產(chǎn)線的企業(yè)已經(jīng)接近40家。這些企業(yè)中，絕大數(shù)對鋰電池隔膜的生產(chǎn)工藝了解不夠深入，大部分投資購買的鋰電池隔膜生產(chǎn)線都未能正常生產(chǎn)。但即使是這樣的一種狀況，依然擋不住企業(yè)投資的熱情。記者粗略地統(tǒng)計了一下，目前全國各地在建的生產(chǎn)線接近20條，富匯投資管理有限公司等一些投資公司也表示看好這一新興領(lǐng)域。
在這樣的投資熱潮中，在BOPP膜行業(yè)有著20年從業(yè)經(jīng)驗的南通天豐電子新材料有限公司總經(jīng)理范建國提出，盡管鋰電池及其隔膜行業(yè)是一個新興產(chǎn)業(yè)，清潔能源的發(fā)展也為其帶來了新一輪的發(fā)展高潮，但我們必須認識到，目前我國的生產(chǎn)的大部分產(chǎn)品還是中低檔貨，高端產(chǎn)品依然大量進口。生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定、優(yōu)化和提升需要企業(yè)長期的摸索和研究。我國鋰電池隔膜行業(yè)未來的發(fā)展重點不是產(chǎn)業(yè)化，而是要根據(jù)市場需求變化進行有的放矢的研發(fā)。
吳耀根也表示對產(chǎn)能過剩的擔(dān)憂。由于前兩年電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，鋰電池需求量猛增，造成了隔膜的供不應(yīng)求的局面。但隨著新增鋰電池市場的飽和，需求增長速度放緩，在加上原有隔膜廠家新上產(chǎn)能相繼投產(chǎn)，產(chǎn)能的增長將大于市場需求，產(chǎn)能過剩將逐步顯現(xiàn)。另外隔膜技術(shù)也已經(jīng)從壟斷技術(shù)向公知技術(shù)轉(zhuǎn)化，國內(nèi)隔膜同質(zhì)化競爭將加劇。
自主創(chuàng)新應(yīng)對挑戰(zhàn)
據(jù)臺灣工研院數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2010年全球鋰電池隔膜產(chǎn)量3.51億平方米，同比增長38%。而隨著電動車市場的啟動，這一增長率未來還將有大幅度提升。預(yù)計到2013年，全球隔膜需求量可達5.63億平方米，為2009年市場容量的1.76倍。國際主要廠商均處于擴產(chǎn)進程中，幾乎所有廠商都將在今后兩年內(nèi)將產(chǎn)能提高一倍以上。
如何面對產(chǎn)能增長帶來的過剩隱憂和市場增長帶來的吸引力，范建國表示，我們面對的是一個復(fù)雜的市場環(huán)境。鋰電池隔膜長期以來一直籠罩著一層神秘的色彩，除了有它高利潤外，還有就是技術(shù)上的壁壘。其技術(shù)壁壘在于它的造孔工藝難度大，集中體現(xiàn)在工程技術(shù)和基本材料上。其中造孔的工程技術(shù)包括隔膜造孔工藝、生產(chǎn)設(shè)備以及產(chǎn)品的一致性。基本材料包括聚烯烴材料的添加劑配方，雖然都是經(jīng)縱向、橫向拉伸制膜，但卻是一個復(fù)雜而精密的加工過程。只有有非常高要求的生產(chǎn)工藝配方，才能有優(yōu)異的孔的均勻度及厚度的均勻性。
國內(nèi)企業(yè)無不都在嘗試突破國外技術(shù)壁壘，開發(fā)鋰電池隔膜，但難度較大。我國在生產(chǎn)技術(shù)方面缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，在鋰電池隔膜生產(chǎn)的關(guān)鍵材料、配方方面缺乏研究，往往是膜很容易做出來，但合格率低、一致性差，無法大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。另外鋰電池隔膜工藝對設(shè)備要求苛刻，設(shè)備加工精度及運行控制的偏差，限制了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。一般企業(yè)都是在經(jīng)過3~5年的艱苦研發(fā)后，才能走出了一條有自己特色的、有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新之路。
范建國建議，業(yè)協(xié)會要及時發(fā)布相關(guān)信息，加強行業(yè)協(xié)調(diào)，提高行業(yè)調(diào)控力度。企業(yè)要加強自律，在上項目之前，一定要進行充分的市場論證、技術(shù)論證，絕不能盲目跟進，聽信錯誤信息，認為挖幾個人，買條線就可以變印鈔機。要加大技術(shù)研發(fā)力度，提高自主創(chuàng)新能力。創(chuàng)新是企業(yè)前進的動力，如果我們一味地用不成熟的工藝及簡易設(shè)備生產(chǎn)中低端產(chǎn)品，而不在原料、設(shè)備、工藝改進上加大研發(fā)力度，拿不出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適合我國鋰電池企業(yè)發(fā)展配套的產(chǎn)品，我們最終會在競爭中被淘汰。因此，我國的隔膜企業(yè)一定加強創(chuàng)新意識，加大科技創(chuàng)新的投入，這樣企業(yè)才會在激烈的市場競爭中立于不敗之地。
在技術(shù)創(chuàng)新方面，范建國認為，隔膜企業(yè)未來幾年應(yīng)重在研發(fā)而不是產(chǎn)業(yè)化。隔膜未來的研發(fā)重點是新能源汽車動力電池隔膜。企業(yè)要重點解決隔膜的耐熱性能，生產(chǎn)能在充放電過程中，大面積正、負極短路后仍能保持隔膜完整性的耐高溫復(fù)合隔膜；在不影響容量的前提下，做出更薄的能滿足小巧、微型產(chǎn)品需要的隔膜和滿足動力電池性能需求的多功能復(fù)合薄膜；開發(fā)吸液性能、保液性能更好的隔膜，提高離子電導(dǎo)率。研發(fā)聚合物電解質(zhì)隔膜、纖維隔膜等新型隔膜產(chǎn)品。
范建國告訴記者，他在走訪客戶時，遇到最多的問題就是國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)出來的隔膜一致性不好。質(zhì)量控制得好的時候和進口的差不多，質(zhì)量控制不好的時候就很差。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定與否主要取決于工藝、設(shè)備、原料及操作四大要素，每一個環(huán)節(jié)都控制好了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性才有保證。另外，我國隔膜產(chǎn)品與國外差距有很大程度上取決于原材料。國外知名隔膜廠家都有自己的專用料，要么自己生產(chǎn)原料，要么和原料廠家聯(lián)合開發(fā)生產(chǎn)隔膜專用料。
范建國指出，由于鋰電池隔膜生產(chǎn)線工藝性很強，我們要研發(fā)自己的工藝路線，所以要建成一批高效率、適合自身工藝特點的生產(chǎn)線。這樣做，既可以最大限度地保護自主知識產(chǎn)權(quán)，大大降低投資成本，縮短項目建設(shè)周期，同時又可以培養(yǎng)自己的核心技術(shù)研發(fā)團隊，增強企業(yè)的競爭力。
鋰離子電池隔膜主要性能要求
厚度均勻性
鋰離子電池隔膜的厚度均勻性直接影響隔膜卷的外觀質(zhì)量以致內(nèi)在性能，是生產(chǎn)過程嚴加控制的質(zhì)量指標之一。
在自動化程度很高的隔膜生產(chǎn)線上，隔膜厚度都是采用精度很高的在線非接觸式測厚儀及快速反饋控制系統(tǒng)進行自動檢測和控制的。隔膜的厚度均勻性包括縱向厚度均勻性和橫向厚度均勻性。其中橫向厚度均勻性尤為重要。一般均要求控制在±1微米以內(nèi)。
力學(xué)性能
隔膜的力學(xué)性能是影響其應(yīng)用的一個重要因素，如果隔膜破裂，就會發(fā)生短路，降低成品率，因此要求隔膜在電池組裝和充放電結(jié)構(gòu)使用過程中，需要自身具有一定的機械強度。隔膜的機械強度可用抗穿刺強度和拉伸強度來衡量。
拉伸強度 隔膜的拉伸強度與制膜的工藝相關(guān)聯(lián)。采用單軸拉伸，膜在拉伸方向上與垂直方向強度不同；而采用雙軸拉伸時，隔膜在兩個方向上一致性會相近。一般拉伸強度主要是指縱向強度要達到100ｍP以上，橫向強度不能太大，過大會導(dǎo)致橫向收縮率增大，這種收縮會加大鋰電池廠家正、負極接觸的幾率。
抗穿刺強度 抗穿刺強度是指施加在給定針形物上用來戳穿隔膜樣本的質(zhì)量，用它來表示隔膜在裝配過程中發(fā)生短路的趨勢。因隔膜是被夾在凹凸不平的正、負極片間，需要承受很大的壓力。為了防止短路，所以隔膜必須具備一定的抗穿刺強度。經(jīng)驗上，抗穿刺強度值在300～500克。
透過性能
透過性能可用在一定時間和壓力下，通過隔膜氣體的量的多少來表征，主要反映了鋰離子透過隔膜的通暢性。隔膜透過性的大小是隔膜孔隙率、孔徑、孔的形狀及孔曲折度等隔膜內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)綜合因素影響的結(jié)果。
作為鋰電池隔膜材料，本身具有微孔結(jié)構(gòu)，微孔在整個隔膜材料中的分布應(yīng)當均勻?？讖揭话阍?.03μm～0.12μm，孔徑太小會增加電阻，太大則易使正負極接觸或被枝晶刺穿短路。
隔膜廠家現(xiàn)在基本以透氣度、孔隙度指標來衡量透氣性?？紫堵适菃误w膜的體積中孔的體積百分率，它與原料樹脂及膜的密度有關(guān)?，F(xiàn)有鋰離子電池隔膜的孔隙率在40%~50%之間。
理化性能
潤濕性和潤濕速度 較好的潤濕性有利于提高隔膜與電解液的親和性，擴大隔膜與電解液的接觸面，從而增加離子導(dǎo)電性，提高電池的充放電性能和容量。隔膜對電解液的潤濕性可通過測定其吸液率和持液率來衡量。
化學(xué)穩(wěn)定性 隔膜在電解液中應(yīng)當保持長久的穩(wěn)定性，不與電解液和電極物質(zhì)反應(yīng)。其化學(xué)穩(wěn)定性是通過測定耐電解液腐蝕能力和脹縮率來評價的。
熱穩(wěn)定性 電池在充放電過程中會釋放熱量，尤其在短路或過充電的時候，會有大量熱量放出。因此，當溫度升高的時候，隔膜應(yīng)當保持原有的完整性和一定的力學(xué)性能，發(fā)揮隔離正、負極、防止短路的作用。
安全保護性能 隨著鋰電池應(yīng)用范圍的逐漸擴大，尤其是動力電池領(lǐng)域，鋰離子電池的安全性成為鋰電池廠家的最為重視的環(huán)節(jié)。作為鋰電池最為關(guān)鍵的核心材料，對隔膜也提出了更高的要求。
目前鋰電池用隔膜一般都能夠提供一個附加的功能，就是熱關(guān)閉。這一特性可以為鋰離子電池提供一個額外的安全保護。該功能主要參數(shù)為閉孔溫度和破膜溫度。
閉孔溫度是微孔閉合時的溫度,當電池內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)自熱、過充或者電池外部短路時，這些情況都會產(chǎn)生大量的熱量。當溫度接近隔膜熔點時，微孔閉合形成熱關(guān)閉，從而阻斷離子的繼續(xù)傳輸而形成斷路，起到保護電池的作用。一般PE為130℃～140℃，PP為150℃。破膜溫度是指電池內(nèi)部自熱，外部短路使電池內(nèi)部溫度升高，超過閉合溫度后微孔閉塞阻斷電流通過，熱熔性能溫度進一步上升，造成隔膜破裂、電池短路。破裂時的溫度即為破膜溫度。高品質(zhì)的隔膜有較低的閉孔溫度和較高的破裂溫度。
我國鋰離子電池行業(yè)發(fā)展情況
我國現(xiàn)已是全球電池制造大國，電池的產(chǎn)量和出口量均位居世界第一。我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化始于1997年后期，走過了一條引進、學(xué)習(xí)、研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化道路。2000年中國的鋰離子電池產(chǎn)量僅為0.35億只。
進入2001年以后，隨著深圳比亞迪、比克、邦凱、天津力神等鋰離子電池企業(yè)的迅速崛起，我國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)開始進入快速成長階段。2004年達到8億只，在全球市場的市場份額猛增到38%，僅次于日本。在其后的2005~2008年，我國的鋰離子電池全球市場份額穩(wěn)定在34%左右，自此形成了中日韓三足鼎立的局面。2010年我國鋰電池的產(chǎn)量約為20億只，銷售收入約為180億元人民幣。
2010年鋰離子電池出口量為11.95億只。在與國際大廠配套方面，2010年日本占42%，韓國占38%，我國僅占18%。鋰離子電池需求巨大，但我國鋰電池企業(yè)在全球的市場份額卻在減少，競爭力在減弱。
目前，中國作為全球最大的鋰離子電池制造基地之一，比亞迪、力神、比克、ATL已發(fā)展成為全球鋰電池行業(yè)引人注目的重點企業(yè)。我國鋰離子電池的生產(chǎn)廠家集中在廣州、天津、山東、江蘇、浙江等地，華南地區(qū)（廣東、福建）的鋰電池生產(chǎn)量仍占國內(nèi)市場份額的65%，其他省占10%。華南地區(qū)鋰電生產(chǎn)最具代表性的為深圳，盤踞了比亞迪、比克、邦凱、華粵寶等眾多知名企業(yè)，形成了產(chǎn)業(yè)集群。
