如何选择锂电隔膜的制造工艺？

绿色低碳产业在我国正获得迅猛的发展，减碳过程中不可或缺的新能源汽车近两年来的渗透率得到飞速提升。根据中国汽车工业协会发布的数据，全年我国新能源汽车产销量分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9%和93.4%，连续8年位居全球第一。同时，新能源汽车的市场占有率达到25.6%。水涨船也高，在新能源汽车市场的带动下，动力电池作为新能源汽车重要的组成部分，在2022年也有着非常亮眼的表现，累计产量达545.9GWh（吉瓦时），累计同比增长148.5%。而动力电池组成材料的技术研发也在不断创新。

隔膜——技术壁垒最高的锂电材料之一

如果把锂电池比作是一道菜，那么完成这道菜需要一些食材和配料，它们主要是正极材料、负极材料、隔膜、电解液四个部分。其中，隔膜是一种具有微孔结构的薄膜，是锂离子电池产业链中最具技术壁垒的关键内层组件之一，其主要作用有二：一是使电池正、负极分隔开来，防止两极接触而短路；二是薄膜中的微孔使电解质离子通过，形成充放电回路。

基于不同分类标准，隔膜材料有不同的划分。按照基体材料划分，目前大规模商品化的锂离子电池隔膜材料以聚烯烃为主，主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）复合材料三种。聚烯烃可提供良好的机械性能、化学稳定性和高温自闭性能，是当前锂离子电池隔膜的主要原材料。按照工艺划分，主要可以分为干法隔膜、湿法隔膜和涂覆隔膜。

图 1. 锂电池结构

图 2. 锂离子电池充放电过程

隔膜的迭代发展分为多个阶段，大体而言隔膜产品的发展路径分为：干法隔膜→湿法隔膜→涂覆隔膜→新材料隔膜。

干湿双法难分伯仲

隔膜的高性能带来了制造工艺的复杂性，其生产工艺包括原材料配方和快速配方调整、微孔制备技术等工艺，其中微孔制备技术是核心，按照其工艺类型可以分为两类：干法拉伸和湿法工艺，当前这两种制造工艺难分伯仲。

干法隔膜工艺是将高分子聚合物（以PP为主）、添加剂等原料混合形成均匀熔体，挤出时在拉伸应力下形成片晶结构，热处理片晶结构获得硬弹性的聚合物薄膜，之后在一定的温度下拉伸形成狭缝状微孔，热定型后制得微孔膜。目前干法工艺主要包括单向拉伸和双向拉伸两种工艺。

干法单拉主要工艺流程为投料、流延、热处理、拉伸、分切：
◆ 投料：将PE或PP及添加剂等原料按照配方预处理后，输送至挤出系统。
◆ 流延：将预处理的原料在挤出系统中，经熔融塑化后从模头挤出熔体隔膜，熔体经流延后形成特定结晶结构的基膜。
◆ 热处理：将基膜经热处理后得到硬弹性薄膜。
◆ 拉伸：将硬弹性薄膜进行冷拉伸和热拉伸后形成纳米微孔膜。
◆ 分切：将纳米微孔膜根据客户的规格要求裁切为成品膜。
干法双拉工艺为中国拥有自主知识产权的隔膜制造工艺。该工艺通过在PP中加入具有成核作用的β晶型改性剂，利用PP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。其流程为：
◆ 投料：将PP及成孔剂等原料按照配方预处理后输送至挤出系统。
◆ 流延：得到β晶含量高、β晶形态均一性好的PP流延铸片。
◆ 纵向拉伸：在一定温度下对铸片进行纵向拉伸，利用β晶受拉伸应力易成孔的特性来致孔。
◆ 横向拉伸：在较高的温度下对样品进行横向拉伸以扩孔，同时提高孔隙尺寸分布的均匀性。
◆ 定型收卷：通过在高温下对隔膜进行热处理，降低其热收缩率，提高尺寸稳定性。

图 3. 干法工艺隔膜图

干法隔膜的核心优势在于生产工艺相对简单，成本优势显著，产线投资少（干法单线投资额约1-1.5亿元，湿法单线投资额2-2.5亿元），单位能耗低，更适用于对成本敏感度高而对能量密度要求低的应用场景，譬如储能电池。其缺点主要是做不薄，隔膜孔径的大小和分布难以把控，导致稳定性相对较差。

湿法工艺是利用热致相分离的原理，将增塑剂与聚烯烃树脂混合，利用熔融混合物降温过程中发生固-液相或液-液相分离的现象，压制膜片，加热至接近熔点温度后拉伸使分子链取向一致，保温一定时间后用易挥发溶剂（例如二氯甲烷和三氯乙烯）将增塑剂从薄膜中萃取出来，进而制得的相互贯通的亚微米尺寸微孔膜材料。

根据拉伸时取向是否同时，湿法工艺也可以分为逐次双向拉伸工艺以及同步双向拉伸工艺两种。逐次双向拉伸工艺流程为：

◆ 投料：将PE、成孔剂等原料按照配方进行预处理输送至挤出系统。
◆ 流延：将预处理的原料在双螺杆挤出系统中经熔融塑化后从模头挤出熔体，熔体经流延后形成含成孔剂的流延厚片。
◆ 纵向拉伸：将流延厚片进行纵向拉伸。
◆ 横向拉伸：将经纵向拉伸后的流延厚片横向拉伸，得到含成孔剂的基膜。
◆ 萃取：将基膜经溶剂萃取后形成不含成孔剂的基膜。
◆ 定型：将不含成孔剂的基膜经干燥、定型得到纳米微孔膜。
◆ 分切：将纳米微孔膜根据客户的规格要求裁切为成品膜。

湿法同步拉伸技术工艺流程与异步拉伸技术基本相同，只是拉伸时可在横、纵两个方向同时取向，免除了单独进行纵向拉伸的过程，增强了隔膜厚度均匀性。但同步拉伸存在的问题是车速慢，第二是可调性略差，只有横向拉伸比可调，纵向拉伸比则是固定的。

图 4. 隔膜双向拉伸设备

湿法工艺适用于生产较薄（最薄至6μm）的单层薄膜，从产品力的角度来说，湿法隔膜综合性能强于干法隔膜。湿法隔膜在厚度均匀性、力学性能（拉伸强度、抗穿刺强度）、透气性能、理化性能（润湿性、化学稳定性、安全性）等材料性质方面均更为优良，有利于电解液的吸液保液并改善电池的充放电及循环能力，适合做高端高容量电池。但是湿法隔膜的缺点不容忽视，例如：原材料带来的热稳定性有一定缺陷；工艺流程中需要消耗大量溶剂，可能对环境造成污染；设备调试复杂，前期投资大，能耗很难降低、产线爬坡周期长等原因带来生产成本的增加。

图 5. 窄缝挤压涂覆工艺示意图：通过挤压嘴将涂覆浆料挤出到基
膜上，涂层厚度可以通过浆料输送速率以及挤压嘴缝大小做把控

隔膜技术迭代迅速，涂覆隔膜则是近年最重大的演化趋势。所谓涂覆，本质是⼀种改性手段，是在聚烯烃隔膜上涂覆特定材料，改变基膜性能，使其能够满足下游更加多元化的需求。概括地说，涂覆隔膜的性能要明显优于基膜，更能满足隔膜更薄的趋势以及如今下游电池厂日渐增长的安全性能需求，且产品溢价更高，是隔膜企业必然的选择。数据显示，2021年涂覆膜占隔膜出货量比例超45%，2022年有望超65%。
与印刷技术相似，隔膜涂覆可以分为凹版辊涂工艺、窄缝挤压涂覆工艺等方法。

几种隔膜应用场景

近30年来，从3C类电池到动力类电池，再到近年来需求快速增长的电化学储能类电池，锂电池渗透率不断提升。各个领域对于隔膜的使用也各有千秋，主要包括：

1）动力电池：受到能量密度高低的影响，能量密度较高的电池会选择湿法隔膜或者涂覆隔膜。相反，能量密度相对较低的则会选择干法隔膜；

2）3C电池：因体积受限，会选择性能更加卓越的湿法隔膜;

3）储能电池：需要考虑使用成本，当前会选择价格更加优惠的干法隔膜。

下游市场的快速发展带动了整个锂离子电池隔膜产业的高速增长。据研究机构EVTank、伊维经济研究院联合中国电池产业研究院共同发布的《中国锂离子电池隔膜行业发展白皮书（2023年）》显示，2022年，中国锂离子电池隔膜出货量达到133.2亿平米，全球出货量已经突破160亿平米，中国隔膜出货量在全球的占比突破80%，已成为全球最大的锂电池隔膜生产国。

产线短缺堪称全球性问题锂电隔膜行业具备高度的行业壁垒，主要体现在技术壁垒、资金壁垒、设备壁垒和客户壁垒，其中设备为核心壁垒之一。

在中国，干法隔膜的制造设备已经实现进口替代，北京自动化研究所、桂林电科所和济南机械装备总厂等都可以供应，国外供应商有奥地利SML兰精机械等。而湿法隔膜的核心制造设备复杂，严重依赖进口，众多隔膜企业在湿法方面还普遍受制于生产设备的“卡脖子”。主流的设备厂商为日本制钢所（JSW）、德国布鲁克纳（BRUCKNER）、法国依索普（ESOPP）、日本东芝。目前隔膜设备均由隔膜厂商根据生产情况与设备厂商共同设计定制，无标准设备可用，比较考验隔膜企业的生产工艺及产线设计能力。

为保持稳定、优质的产能，当前隔膜头部企业多采取与国外设备厂商深度绑定的合作战略。例如：星源材质的设备主供应商为布鲁克纳，双方已经签订中华区独供协议，设备供给锁定至2026年；恩捷股份与日本制钢所关系非常紧密，已锁定其未来三年设备订单，2022年获得20条产线，但仍无法满足扩产需求。

图 6. 中科华联配料挤出系统

此外隔膜设备价格高昂，单米隔膜产能投资在3.6元左右，也就是一亿平方米隔膜项目投资在3.6亿元左右，其中的设备投资占比较大，一般高于50%。举例来说，星源材质的“高性能锂离子电池湿法隔膜及涂覆隔膜（一期、二期）项目”，总投资75亿元，硬件设备投资50.61亿元，占比67%，2022年向布鲁克纳购买12条双向拉伸微孔电池隔膜生产线设备，合同金额达到2亿欧元；恩捷股份的“年产4亿平方米锂离子电池隔膜项目（一期）”，总投资金额为17.5亿元，其中设备投入占比达81%。

目前隔膜生产设备的供应存在着瓶颈，因全球范围内的隔膜设备供应商并不多，年产量在8条线以上的不足5家，全球生产线年总供给量也就40多条，且交付周期都比较长，一般需要20个月，与巨大的全球新能源汽车市场需求形成鲜明反差。目前电池隔膜产线的短缺几乎是个全球性问题，是隔膜产能扩张的主要制约因素之一。

设备国产化正当时

现阶段我国干法隔膜生产已经基本实现国产化，但湿法设备仍然严重依赖进口，产能有限且售价高昂，因此国产设备替代进口将是中国隔膜行业非常清晰的降本路线。头部企业在绑定优质设备供应商产能的同时，也在加紧设备国产化之路，未来相应设备采购成本或将进一步降低。

中科华联在这方面走在了行业前列，该公司已成为全球四大湿法隔膜装备制造商之一（另三家为东芝、日本制钢所、布鲁克纳），所制隔膜的强度可以做到韩国、日本企业隔膜产品强度的1.5倍到2倍。2022年，国内电池头部企业已经使用了他们5μ的隔膜做动力电池，而且这种技术创新，并不仅仅是工艺改进或者配方调整，而是设备的整体置换。生产线的宽幅可以做到7.5米，车速80-100米/分钟，一条生产线就能相当于现在市场上其他企业2-3条生产线的产能。这样无论是设备投资还是膜的单平米能耗，都会大幅下降。

图 7. 精诚锂电池隔膜挤出平模头

隔膜设备国产化率较低，尤其是挤出、拉伸等设备基本采用进口设备。在锂电池隔膜挤出平模头领域，其因行业高门槛的技术壁垒与精密制造的经验，精诚时代集团是目前国产替代进口唯一的选择，用户实际使用后评价优于进口的同类质量。挤出平模头及生产工艺的稳定性，对隔膜的厚薄均匀性、阻隔性及物理性能等起到关键作用。2021年精诚时代在新能源汽车锂离子电池隔膜模头的国内市场份额超80%。

涂覆同样存在着国产化需求。目前的高端涂覆隔膜的专利与配方仍高度依赖海外企业授权，遭遇专利狙击的风险持续存在，特别是在企业纷纷寻求出海的当下。加强自研，打造本土化的知识产权以应对海外企业的竞争，必不可少。

隔膜及设备发展趋势

在保障安全性的基础上，隔膜进一步趋于轻薄化是锂电池隔膜行业发展的重要趋势，将能够有效提升锂电池的能量密度，使单位体积或重量的锂电池中容纳更多的电极材料，从而最终提升锂电池的续航能力。

从技术趋势来看，对于湿法隔膜来说，未来大部分生产线都会转成高速宽幅，降低单位能耗，并优化萃取及整合相关工艺段。目前头部企业产线宽幅约6米，车速最快能达到100m/min及以上。整个隔膜基材的生产包括挤出、拉膜、分切和涂布四段工艺，目前后面两段工艺都是分开的，后续会有越来越多的厂家引入在线技术，即在基膜主线末端直接增加⼀道涂覆，使得基膜产线与涂布间相互独立的两段式生产流程一体化，一方面可提高生产效率，另一方面可避免收卷褶皱，分切形成废料，从而提高良率，对成本的影响效果明显。

写在最后

如果说锂电池是“电动车之心”，那么隔膜就是“电动车心脏之瓣膜”。隔膜行业近年显著受益于蓬勃发展的动力电池市场与储能市场，呈现飞速增长的态势，且在全球性的绿色经济浪潮下短期不会有重大转向。所以笔者现在大胆预测，在接下来几年内，电动车行业仍会呈现“有锂走遍天下”的形势。

国家陆续出台了多项政策，鼓励锂电池隔膜行业发展，如《关于加快推动新型储能发展的指导意见》《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》等。政策推动整体新能源汽车产业快速发展将带动锂电池需求上升，锂电隔膜行业受益新能源，增长前景广阔。

作者：王平

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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