一层隔膜值千金！锂电池隔膜赛道开启

锂电池作为一种清洁、高效和经济的储能产品，在过去的十几年当中已经被广泛应用于智能手机、PAD平板、笔记本电脑等数码产品当中。得益于新能源汽车行业电动化趋势步速加快，近几年大容量锂离子电池行业实现飞速增长。有人预计，锂电池将成为21世纪新能源汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天等方面得到应用。锂电池市场需求量的增大，将带动我国锂电池产业链的大发展，其中包括了近年来大火的锂电池隔膜。

隔膜的工作原理

在锂电池的结构中，电池隔离膜BSF（battery separator film）是支撑锂离子电池完成充放电电化学过程的重要构件，是锂电池四大核心材料之一（其余三种为正极材料、负极材料、电解液）。隔膜位于锂电池的正极和负极之间，主要作用是使电池的正、负极活性物质分隔开来，防止两极接触而短路；同时薄膜中的微孔允许电解液中的载流锂离子通过，形成充放电回路。形象地打个比方，电池电解液犹如河流，锂离子好比河上行驶的小船，隔膜是拦腰而建的大坝，一个个隔膜微孔就像是大坝上的闸门。正常情况下，离子自由穿梭到达正负极，完成充放电的循环。隔膜材质是不导电的，其物理化学性能的优劣决定了电池的界面结构、内阻等，隔膜的质量直接影响电池的放电容量、充放电循环使用寿命以及阻燃止爆安全性能的好坏，因此性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。

图1 锂离子电池原理

图2 湿法工艺流程

锂电池隔膜作为新能源电池生产的关键材料，广泛应用于新能源汽车动力电池、3C消费电池、储能电池等领域。

三种典型隔膜

根据结构和组成，锂电池隔膜可以分为不同的类型，现在市场上比较常见的主要有三种：多孔聚合物膜、无纺布隔膜以及无机复合膜。多孔聚合物膜是指通过机械方法、热致相分离法、浸没沉淀法等多种方法制备的孔隙分布均匀的锂电池隔膜；无纺布隔膜是由定向或者是随机的纤维构成的，通常会与有机物或者是陶瓷凝胶复合，来得到具有更优良化学与物理性质的锂电池隔膜；无机复合膜多是采用无机纳米颗粒以及高聚合物复合而得到的锂电池隔膜。

组成材料呈现出多样化趋势

聚烯烃是当前通用的锂电池隔膜材料，可为锂电池隔膜提供良好的机械性、化学稳定性和较低成本，进一步细分则有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、复合材料三大类。隔膜材料的选择与正极材料有关，目前PE主要应用于三元锂电池，PP则主要应用于磷酸铁锂电池（即“刀片”电池）。主要的电池隔膜材料产品有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP 和三层PP/PE/PP 等，其中前两类单层产品主要用于3C小电池领域，后几类多层复合产品主要用于动力锂电池领域。

与此同时，其他一些新型隔膜材料产品也在不断涌现并开始实现应用，不过因量少价高，主要还是用在动力锂电池制造领域。这些产品主要有：涂层处理的聚酯膜（PET）、纤维素膜、聚酰亚胺膜（PI）、聚酰胺膜（PA）、聚偏氟乙烯膜（PVDF）、氨纶或芳纶膜等等。这些隔膜的优点是耐高温，且具有低温输出、充电循环寿命长、机械强度适中的特点。总的来看，锂电池隔膜材料产品呈现出明显的多样化发展趋势。

干法熔融拉伸和湿法热致相分离工艺各有优势

目前，锂离子电池隔膜的制备方法主要有干法熔融拉伸和湿法热致相分离两种。
干法先对聚烯烃树脂进行熔融、挤压和吹制操作，形成结晶性高分子薄膜，然后进行结晶化热处理和退火操作，获得高度取向的薄膜结构，然后在高温中拉伸，测试结晶截面分离，形成多孔结构电池隔膜。干法工艺中还可以分为单向拉伸和双向拉伸。干法技术路线的发展时间长，更加成熟，主要用来生产单层PP膜、单层PE膜、双层膜及多层膜。

干法工艺具有简单、成本低、环境友好的特点，但成品性能较差，更适用于小功率、低容量的中低端电池，已不再是主流制备工艺。而磷酸铁锂电池（刀片电池）恰好存在能量密度偏低的缺陷，故刀片电池采用的隔膜多应用干法工艺技术路线。

传统湿法制备以相转化法为主，近年以热致相分离法TIPS（Thermally Induced Phase Separation）为主。原理为将结晶性聚合物、热塑性聚合物以及具有高沸点的小分子化学物稀释剂（比如石蜡油）进行混合，在高温下形成均相溶液，然后降低溶液温度，使混合物发生固液相分离或者液液分离，将小分子化学物稀释剂萃取脱除后，形成热塑性与结晶性聚合物的多孔隔膜。与干法相比，湿法工艺相对复杂，成本更高，投资更大，对设备要求更高，建设投产周期更长，并且在生产过程中对能源消耗较大，且会使用有机溶剂，易对环境造成污染。不过相较于干法，湿法工艺的隔膜在性能上有着比较明显的优势，其厚度更薄，拉伸强度更理想，孔隙率更高，有着更为均匀的孔径和更高的横向收缩率。此外，湿法隔膜的穿刺强度更高，更有利于延长电池寿命，且更加适应高能量密度的高端锂电池发展方向，目前主要应用于三元锂电池。

近年来，随着三元锂电池占比的提高，湿法隔膜产量的占比也稳步提升。鉴于干法隔膜和湿法隔膜各自的特点，湿法隔膜未来需求将会逐步扩大，但短时间内并不会完全替代干法隔膜。从目前市场的应用来看，从全球锂电池企业的选择来看，干法隔膜和湿法隔膜将在一定时期内并存。

隔膜生产线技术

隔膜是锂电材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料，目前其毛利率可达50%-60%，最高甚至达到70%以上，为锂电池四大核心材料之最，其占锂电池成本比重仅次于正极材料及电解液，差不多占到了电池总成本的15%-20%，属于高端制造产业，其技术难点在于造孔的工程技术、基体材料，以及生产线制造设备。
锂电池隔膜行业生产技术日趋成熟，如前所述，现在已有干法单向拉伸、干法双向拉伸、湿法双向拉伸三种生产线。

◆ 干法单向拉伸生产线
干法单向拉伸生产线以PP或PE为主要原料，混合多种牌号的辅料经充分搅拌，通过流延法挤出成型后，通过复合机多层复合后单向拉伸，再用分层机、分切机将拉伸后的多层隔膜分层、分切，生产出单向拉伸锂电隔膜。

◆ 干法双向拉伸生产线
以PP为主要原料，混合多种牌号的辅料经充分搅拌，通过流延法挤出成型后，双向拉伸收卷后分切，生产出双向拉伸锂电隔膜。

干法工艺简单，其生产设备也比较简单，我国在干法工艺上已迈入了世界第一方阵。但是因为干法制备的隔膜孔径以及孔隙率比较难以控制，拉伸比较小，横向机械强度差等问题存在。所以近几年来我们国内新上生产线以湿法线为主。

◆ 湿法双向拉伸生产线
湿法锂电池隔膜生产过程分为配料挤出、铸片、萃取、干燥、拉伸、收卷等复杂工艺（见图3国产湿法锂电池隔膜自动化生产线介绍）。以PE为主要原料，混合多种牌号的辅料经充分搅拌，通过流延法挤出成型后双向拉伸，经过萃取工艺成孔，再经过横向拉伸后收卷、分切，生产出湿法双向拉伸锂电隔膜。对于湿法制造工艺来说，树脂材料与添加剂的挤出混合过程以及拉伸过程是两大核心难点。

国产隔膜起步较晚，国内企业的技术成熟度不高，虽然近几年的国产化率有所提升，特别是干法隔膜方面已经有了很大的提升，但在湿法方面依旧受制于工艺、技术和生产设备。国内的隔膜湿法生产线的发展落后于日韩以及欧美，大部分核心生产设备主要依赖进口，供应商有德国布鲁克纳Bruckner、日本制刚所JSW、日本东丽Toray、韩国韩承、韩国MASTER等，国内供应商主要有青岛中科华联等。

新型电池技术的挑战

由于锂离子电池面临各类电池的竞争，包括铅酸电池、镍氢电池以及燃料电池、钠电池固态电池等。这些电池应用于各种行业，将会给锂电池隔膜发展带来挑战。特别是近年来对固态电池的研发取得了一些革新进展，它由正极材料+负极材料和固体聚合物电解质组成，固体聚合物电解质可同时起到电解液与隔膜的作用，因此，在真正意义上的固态电池中，已经不需要隔膜结构了。以至于固态电池一出现，就令到整个电池隔膜产业如临大敌。

隔膜发展趋势

隔膜随锂电池需求变化而发展，存在两个发展方向，一是改变膜厚度和电池结构，二是开发多层膜、改良膜、新颖隔膜来提高热稳定性。

随着锂离子电池能量密度的逐年提升，非活性物质的量也是越来越少，隔膜也越来越薄，尤其是3C数码电池隔膜。而动力电池隔膜安全第一，厚度达到40μm。改变电池结构，如前面提到的聚合物电解质的固态电池具有电解质和隔膜的双重作用，未来将作为移动设备的重点使用。PP/PE双层和PP/PE/PP三层隔膜等多层膜结合了干法膜熔断温度高和湿法膜闭孔温度低的特点；改良膜在表面接枝亲水性单体或改变电解质中的有机溶剂等，改善PE和PP隔膜对电解质的亲和性，进行PVDF涂覆表面处理，提高膜强度，降低隔膜的厚度；新颖隔膜包括高孔隙率纳米纤维隔膜，把纳米丝喷涂在静电纺布上。

从锂电未来发展的趋势看，涂覆隔膜和目前的锂电池技术发展是匹配的，高安全性、高稳定性的隔膜将是未来多年的研究热点。

锂电池隔膜迎发展黄金期

所谓新能源车，在当前的语境下，一般仅指纯电动车路线，即我们熟悉的特斯拉以及一众造车新势力。而纯电动车的核心部件则是锂电池。这无疑是动力电池的好时代：下有消费者购买新概念交通工具，驱动电动车的需求快速增长，上逢电动车成为“双碳”（碳达峰、碳中和）战略背景下我们国家顶层设计的一部分，获得政策上的大力扶持。随着电子产品迭代、新能源汽车强势发展以及政府对于提高节能环保要求，锂电池的市场规模有望进一步扩大，预计2023年市场规模有望达到3294.8亿元，相应的动力电池将实现1600亿以上的规模（数据来源：正略钧策）。

研究显示，锂电池隔膜市场的高速增长，主要驱动力是汽车电动化趋势以及湿法隔膜在汽车行业的广泛应用，这将为锂电池隔膜制造商带来潜在的市场商机。2021年，新能源汽车热销带动动力电池及其细分材料领域需求高涨，锂电隔膜行业发展趋势也很是良好。从2021年开始，国内隔膜供需关系逐步转变为供不应求，2022年之后锂电池需求必将增长迅速，带动隔膜需求大涨，预计2022年锂电池需求量达到430GWh，对应的隔膜需求达到86亿m2（注：1GWh对应的锂电隔膜用量约为2000万m2），但国内隔膜龙头及海外的有限产能仅为100亿m2，隔膜供给已经显得有点满足不了明年的需求。有机构预计2023年全球锂电隔膜需求将由2000年的63.4亿m2增至195.8亿m2，年均增长率达45.6%。从需求端看，业界预计到2030年国内新能源汽车销量将达到1500万辆，对应的动力电池需求将达500GWh，相应地所需的动力电池用隔膜需求量大约为100亿m2。不论干法隔膜和湿法隔膜都是增量需求，未来的市场空间都非常大。

在我国锂电池四大核心材料中，正、负极材料、电解液都已实现了国产化，唯独高端锂电池隔膜隔膜仍是技术短板，目前依然大量依赖进口，国产隔膜主要供应低端3C类电池市场。和芯片、精密仪器、飞机发动机、传感器等技术一道，电池隔膜技术被专家认为是卡住我国脖子的35项尖端技术之一。锂电池发展要想不受制于人，尽快突破锂电池高端隔膜技术对于整个动力电池行业来说都是刻不容缓的问题。随着我国科技的进步，对锂电池隔膜技术的愈加重视，国内企业将会加大研发力度。相信在不久的将来，我国锂电池隔膜行业将会突破技术瓶颈，打破国外垄断，将主动权掌握在自己手中！

目前，锂电池薄膜的生产主要集中在日本、美国、韩国和中国。日本的旭化成、东燃、美国的Celgard、韩国的SKI为全球的主要生产商，合计全球市场占有率（CR4）约45%。而过去几年中国锂电池隔膜的产能快速增长，恩捷股份、中材科技、星源材质三家号称本土锂电池隔膜三巨头，合计全国市场占有率（CR3）超过60%。马斯克因特斯拉成为了新世界首富，宁德时代因锂电池成为了独角兽，那么隔膜行业会出现类似的产业神话吗？一切皆有可能！

作者：冯大勇

来源：荣格-《国际塑料商情》


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