锂离子电池隔膜材料产业现状

锂离子电池隔膜材料产业现状 锂离子电池隔膜材料产业现状 时间:2011-01-06 10:39来源:电源技术 作者:admin 点击: 887次 随着国内节能与新能源汽车示范推广试点的电动汽车试运行，到2015年我国将形成100万辆电动汽车的规模，动力锂离子电池隔膜需求为15亿m2。动力锂离子电池及相关材料产业会有一个光明的未来。 在锂离子电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜可隔离电池正负极，以防止出现短路;还可以在电池过热时，通过闭孔功能来阻隔电池中的电流传导。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、循环性能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。目前市场化的锂离子电池用隔膜主要是以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃隔膜，包括单层PE、单层PP、三层PP/PE/PP 复合膜。现有的聚烯烃隔膜生产工艺可按照干法和湿法分为两大类，其中干法又可细分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。目前60%,70%的隔膜市场主要采用湿法双向拉伸工艺。 高端隔膜材料特别是动力锂离子电池用隔膜材料对产品的一致性要求极高，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。除了对目前广泛应用的聚烯烃隔膜进行技术改进之外，其他种类隔膜的研究开发也在积极进行中。比如德国赢创德固赛在PET 纤维无纺布上涂敷复合A1O等无机物，制备出了有机底膜/ 无机涂层复合的锂离子电23 池隔膜。此外，由于固体凝胶聚合物电解质可以同时发挥电解液和隔膜的作用，作为一个特殊组件，也正在引起越来越多的关注。 1 国外的锂离子电池隔膜材料企业 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Celgard、Entek等公司，韩国SK 能源、W-Scope、WIDE、Finepol 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电池隔膜材料。据不完全统计，2009 年全球锂离子电池隔膜市场需求超过2了2.8 亿m，较上一年度提升了10%以上。2009 年全球锂离子电池材料销售额如图1 所示。其中，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，二者不相上下，市场占有率都在20%以上。 (1)日本旭化成(Asahi) 日本旭化成株式会社是一家以化学和材料科学为基础，包括纺织、化学品、生活制品、住宅、建筑、电子和医疗等业务在内的大型综合性集团公司。旭化成化学是旭化成集团所有与化学相关业务的核心运营公司。旭化成化学的锂离子电池隔膜生产采用湿法制备工艺，主要生产单层隔膜，推出的“HIPORE”隔膜产品目前全球市场占有率最高，占到了1/3 以上的市场份额。为应对小型锂离子电池市场需求的扩大，2009 年，旭化成投资约100 亿日元，将位于日本滋贺县宇2 2山市生产基地的设计年产能从1.2 亿m提高到1.5 亿m。另外，旭化成还打算投资60 亿日元，在日本宫崎县日向市建设新的锂离子电池隔膜生产基地，预定2使总设计年产能达到1.7 亿m。旭化成称，鉴于动力锂离子电池在电动汽车领域的光明前景，公司还通过新建工厂来建立长期稳定的供应体制。目前，世界最大的锂离子电池生产商三洋电机是旭化成的主要用户。 旭化成化学背景深厚，在如何提高隔膜材料的性能方面，持续投入很大的力量，并建有自己独立的高分子实验室。 目前，旭化成已经能够自己生产部分高性能的聚丙烯、聚乙烯材料。在此基础上，旭化成研究开发出电动汽车用高输出功率用途的动力锂离子电池隔膜。 2008 年5 月，旭化成化学推出了“IBS(Inorganic-blended separator)” 的动力锂离子电池用隔膜新材料。该技术通过在隔膜中混合无机物，确保了电动汽车用动力锂离子电池的性能，而且，最大的特点是可直接利用现有的锂离子电池隔膜量产线。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。在隔膜材料制造所需的聚烯烃(聚丙烯、聚乙烯等)产品的生产工艺研发和产 品销售方面，埃克森美孚在全球处于领先地位，是全球最大的聚烯烃产品供应商，这为东燃化学锂离子电池隔膜材料产品的优良品质提供了可靠的保证。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6800 2万m。公司拥有索尼、三星SDI、LG 化学等大客户。2006 年10 月东燃化学推出了首款专为混合动力车用锂离子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电池的容量和安全性。2007 年5 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2 款25μm 隔膜产品。2008 年5 月推出了2 款20μm 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。此外，东燃化学的创新薄膜还可针对动力锂离子电池厂商的特定需求量身定制产品规格，从而具备很高的竞争力。动力锂离子电池知名生产企业EnerDel 公司是东燃化学的主要合作伙伴，加拿大Electrovaya 公司电动车动力系统也应用了其电池隔膜技术。东燃化学的新型隔膜将使型号更小、功率更强的电池能够应用于新一代排放更低的汽车上。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电池测试中心，对先进电池系统应用于混合动力汽车和其它用途进行评估。 除了自己积极开发高性能隔膜、扩大隔膜产能之外，东燃化学还在积极寻求合作。2009 年11 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，强化电池隔膜业务。东丽将向东燃功能膜公司注资，成立新的合资公司。新公司将把东燃通用石油积累的隔膜业务经验技术与东丽的树脂薄膜精密加工技术及聚合物技术相融合，将更加重视有望快速增长的动力锂离子电池用隔膜业务，今后将积极为电动汽车及混合动力车用动力锂离子电池开发隔膜产品。 (3) 美国Celgard 公司 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 在全球共有4 个事业部，其中电池隔膜事业部2007 年销售收入为8.5 亿美元。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。2010 年1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。2010 年3 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。2009 年，美国能源部长朱棣文宣布，政府将向Celgard 公司提供4920 万美元的资金援助，用于支持该公司研发动力锂离子电池隔膜并实现产业化及扩大产能。援助计划包括3 个联合项目，合作对象分别是位于南卡罗来纳州艾肯(Aiken)的萨凡纳 河国家实验室、哥伦比亚的ESimLLC以及北卡罗来纳州州立大学纺织学院。这是美国政府在电池关键材料等配件领域迄今为止最大的一笔援助。2010 年2月，Celgard 公司对外宣布，它已经完成了与美国能源部的资金援助。 (4) 其他企业 除了隔膜材料生产企业在积极进行技术的研发之外，世界主要的锂离子电池生产企业几乎都在研究隔膜技术。2008 年，日立麦克赛尔(Maxell)开发出了具有耐热性能的锂离子电池用隔膜。一般情况下，锂离子电池隔膜都是采用聚烯烃材料制成的多孔膜，此次，日立麦克赛尔在聚烯烃制成的多孔膜上涂布了板状的无机微粒子。与普通的隔膜相比，即使在180 ?高温下，该隔膜的热收缩现象也很小，仍然可以保持其形状，并且通过预防内部短路，提高了安全性能。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，而普通的聚乙烯隔膜此时早已经罢工。KAERI 已经就此技术申请了两项专利。 2 国内的锂离子电池隔膜材料生产企业 在锂离子电池原材料构成成本中，正极材料约占制造成本的30%,40%，负极材料约占生产成本的15%,20%，电解液占5%,10%，隔膜是锂离子电池关键材料当中技术壁垒最高的一种高附加值材料，毛利率维持在70%以上，占锂离子电池制造所需材料成本的15%,20%，其他成本占25%左右(如图2 所示)。由于隔膜材料技术含量很高，是最后国产化的产品。目前国内80%以上的锂离子电池隔膜市场被美、日进口产品占领。以国内10 亿只数码电子产品估算，约需要隔膜5 000 22万m 到1 亿m，再加上电动汽车电池需要新增的高品质隔膜，需求和质量要求将远远超过目前国内产能和技术水平。电动汽车对锂离子电池材料消耗量相当于传统电池的上万倍。由于电动汽车需要的是大功率电能，因此实际使用过程中，往往使用上千个电芯串联成电池组以保证能量的供应。以日本尼桑公司2010 年推出的纯电动汽车LEAF 为例，锂离子电池为24kWh，是标准手机电池的12000 倍，因此，电动汽车对锂离子电池材料的需求很大。据测算，仅生产100 万辆电动车所需的锂离子电池相关材料，就将是目前全球锂离子电池材料总需求量的数倍。因此，电动汽车的推广将带动锂离子电池相关材料包括隔膜的需求呈现爆发性增长(见图3)。 目前国内深圳星源材质、佛山金辉高科等厂商已可提供小型锂离子电池用隔膜，价格只有进口隔膜的1/3,1/2，供货周期也相对短些。隔膜的国产化已经呈现出喜人的局面，市场推广方面也在迅速打开局面，而且产品的质量也在迅速提高。 (1) 深圳星源材质 星源材质公司是从事新材料、新能源高新技术产业的一家民营领军骨干企业。近几年来，星源材质公司发展势头良好，实现了锂离子电池隔膜生产关键技术的突破，填补了国内该行业的空白，并被评为国家火炬计划重点企业。深圳市星源材质科技股份有限公司(前身为深圳市富易达电子科技有限公司) 成立于2003年，注册资本1500 万元，核心业务是锂离子电池微孔隔膜的研发、生产和 销售。2006 年底，公司的研发工作取得了突破性进展，掌握了锂离子电池隔膜的核心制造工艺及核心配方的关键技术，承担了国家“863” 计划“节能与新能源汽车”中“锂离子动力蓄电池隔膜产业化关键技术研究”、国家火炬计划“高安全性锂离子电池复合隔离膜产业化技术”等项目，有4 项科研成果通过鉴定，申请各项专利34 项。2007 年，公司在东莞樟木头投资兴建了隔膜试生产基地，2建成月设计产能16,25μm 系列隔膜产品40 万m 的湿法生产线，当年隔膜售2出约360 万m，实现销售收入3671 万元。2008 年公司引进深圳创东方投资、东方富海创投、晓扬科技投资等战略投资者，完成了股份制改造。公司计划2011 年在创业板挂牌上市。 2为适应市场需求，2008 年1 月，星源材质公司启动了年产1000 万m 锂离子电池隔膜(干法)熔融挤出/ 热处理/ 单轴拉伸(MEAUS)制备动力锂离子电池高性能隔膜工业生产线项目，总投资4788万元，该生产线关键零部件和仪器分别从德、美、意等国进口，其他辅助、配套设施在国内采购，生产线于2008 年9 月正式投产。目前星源材质拥有干法生产线2 条，湿法生产线1 条，主要生产12,40μm 不同规格的锂离子电池隔膜。2009年11 月开始兴建的锂离子电池隔膜光明新区制造基地，预计投资7.8 亿元，到2013 年建成12 条干法生产线和2 条2湿法生产线。届时，公司将形成9600 万m隔膜的产业规模，年产值10 亿元。深圳星源材质现正在筹建检测项目齐全的锂离子电池隔膜国家级检测中心。 (2) 佛山金辉高科 佛塑股份于2001 年前后组建了“锂离子电池用隔膜”项目攻关小组，经过3年多的开发工作，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2004 年末正式生产出性能合格的产品，并经过长期试验及稳定生产后于2005 年末投放市场。2006 年2 月，佛塑股份与比亚迪共同出资组建佛山市金辉高科光电材料有限公司，专业从事锂离子电池隔膜材料的研发、生产和销售。 2公司生产常规锂离子电池用离子渗析微孔薄膜，2008 年售出隔膜756 万m，实现收入7592 万元，净利润3585 万元，净利润率高达47.22%。2009 年10 月，佛塑股份与比亚迪落实了金辉高科的增资，合资扩建锂离子电池隔膜项目，涉及的总投资额约1.05 亿元人民币。新增资金主要用于金辉高科的产能扩充计划，增资后的金辉公司注册资本将为921万美元，比亚迪、佛塑及佛塑相关管理层与技术人员分别占39.375%、48.125%及12.5%的股权。金辉高科的产能扩充项2目建成后锂离子电池隔膜材料年产能将达到4500 万m(约542 吨)，预计投产后每年新增收入及税后利润分别为2.29 亿元及6250 万元。 (3) 其他企业 新乡市格瑞恩新能源材料股份有限公司于2004 年进行隔膜中试及生产，2005 年底开始有产品在市场上销售。同期开始筹备新的生产线，于2007 年正2式投产，2008 年底形成了1500 万m 的年产能，2009 年底，公司对外宣称其2设计年产能已达到3000,3500 万m。同时，公司计划继续扩充产能，2010 年2底使生产线总数达到7 条，设计年产能达到6000万m。在产品供应方面，公司称不仅可以满足对25、30、40μm 传统隔膜的需求，而且可以极大满足众多公司对12、16、20μm 超薄隔膜的要求。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，尤其是纳米纤维膜是动力锂离子电池隔膜的最佳选择。2009 年12 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电池隔膜材料应用战略合作伙伴。海奥通公司研制成功的电动汽车产品已经过数次路试和技术检测，整体性能良好，单次行程突破了500 km。此外，有消息称，芜湖市2 相关部门于2009 年11 月对外发布“年产8000 万m锂离子电池隔膜项目”的招商引资项目。该项目预算总投资额5.4 亿元，其中第一期3 亿元，第二期2.4 亿元。建成后可实现年度销售收入9 亿元，年平均利润总额3.24 亿元，税后年利润2.1 亿元(表1，表2)。 3 与展望 目前，中国隔膜企业本就数量很少，且实力一般;锂离子电池企业介入隔膜研发的也很少;一些大学和科研机构如清华大学、北京大学、北京有色金属研究总院等虽然在2006 年之前就都申请了隔膜制造的相关专利，但这些技术到现在还没有产业化的消息。 这种状况会在一定程度上对中国锂离子电池隔膜产业的发展前景造成影响。据预测，到2012 年，中国电动自行车、电动摩托车等轻型电动车保有量将超过25000万辆，如果全部使用动力锂离子电池的话，隔膜需求将达到2.5 亿m。随着深圳等节能与新能源汽车示范推广试点的电动汽车试运行，到2015 年我国将2形成100万辆电动汽车的规模，动力锂离子电池隔膜需求为15 亿m。可以说， 动力锂离子电池及相关材料产业会有一个非常光明的未来，但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，致使投资风险较大。总之，中国锂离子电池隔膜产业的发展正处于一种积极追赶世界领先水平的状态，中国企业的技术和产能等方面的储备已经到了开始释放的阶段。在可以预见的将来，中国锂电池隔膜的性能和产品品质，会有一个较为明显的提升。