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電動(dòng)汽車發(fā)展勢不可當(dāng)，鋰離子電池相隨“一日千里”，帶動(dòng)電池隔膜日新月異。未來數(shù)年，電池隔膜需求量非常巨大，隨著制備工藝不斷優(yōu)化，安全性、穩(wěn)定性不斷提升，我國將成為全球主要電池隔膜生產(chǎn)國。然而，隨著新能源市場主角變換，固態(tài)電池將粉墨登場，逐漸替代液體電解質(zhì)電池，預(yù)計(jì)到2040年電池隔膜完成使命退出歷史舞臺。
城頭變幻大王旗，各種新技術(shù)、新材料在波濤洶涌的時(shí)代大潮下涌現(xiàn)，又黯然退去。隨著新能源汽車的崛起，鋰離子電池隔膜進(jìn)入黃金發(fā)展期，然而技術(shù)大潮勢不可當(dāng)，固態(tài)電池憑借不可比擬的優(yōu)勢或?qū)⒃?040年取代鋰離子電池，屆時(shí)，鋰離子電池重要組成部件隔膜也將淡出歷史舞臺。
現(xiàn)狀火熱，中期前景廣闊
近年來，我國電動(dòng)汽車發(fā)展突飛猛進(jìn)，帶動(dòng)鋰離子電池迅猛發(fā)展。2022年全球電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電池用鋰離子電池總量957.7GWh（吉瓦時(shí)），比上年增長70.3%。其中車用動(dòng)力電池684.2GWh，比上年增長84.4%；儲(chǔ)能電池159.3GWh，比上年增長140.3%；小型電池114.2GWh，比上年下降8.8%。2022年我國鋰離子電池產(chǎn)量660.8GWh，比上年增長97.7%，占全球總量69%。未來十年，鋰離子電池仍然是新能源汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域的主要技術(shù)路線，其中2025和2030年，全球鋰離子電池的出貨量將達(dá)到2211.8GWh和6080GWh。
電池一日千里的發(fā)展帶動(dòng)其重要部件電池隔膜的日新月異。電池隔膜主要材料包括PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、電子級PVDF（聚偏二氟乙烯）以及對位芳綸。其中隔膜專用料PE消費(fèi)規(guī)模將從2022年的9.1萬噸增加到2030年的21.3萬噸，年均增速11%；隔膜專用料PP將從2022年的3萬噸增至2030年的7.5萬噸，年均增速12%；電子級PVDF將從2022年的0.2萬噸增至2030年的0.6萬噸，年均增速15%；對位芳綸將從2022年的16噸增至2030年的2000噸，年均增速83%。
電池隔膜歷經(jīng)曲折，產(chǎn)業(yè)鏈從日韓逐步轉(zhuǎn)向國內(nèi)。從全球角度看，我國目前占全球市場份額絕對領(lǐng)先，為43%，其次是韓、日、美各占28%、21%和6%，其他國家和地區(qū)占比2%，而且我國產(chǎn)能還在持續(xù)擴(kuò)大。經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，我國從2012年前的跟跑，逐漸發(fā)展到2017年后的領(lǐng)跑。從國內(nèi)市場看，恩捷股份在濕法和干法隔膜領(lǐng)域占比都是全國第一。目前以濕法工藝為主，市場占有率超過80%，未來占比還會(huì)繼續(xù)提高。隔膜以PE/PP復(fù)合膜為主，PE偏多。其中干法生產(chǎn)工藝中，采用均聚PP為原料的占比達(dá)到96%，而采用抗沖共聚PP為原料的干法隔膜占比為4%，可見大多數(shù)企業(yè)采用均聚PP為原料生產(chǎn)干法隔膜材料。而濕法隔膜材料中，其中98％原料為超高分子量聚乙烯，另外2%采用HDPE（高密度聚乙烯）。
技術(shù)含量高、投資金額大
電池隔膜具備技術(shù)含量高、投資金額大的特點(diǎn)。
隔膜作為電池四大組成部件（正極、負(fù)極、電解液和隔膜）之一，是電池中技術(shù)含量最高的部件，因?yàn)楦裟た梢詻Q定電池的壽命、電阻、電容量及安全性。電池隔膜位于正極與負(fù)極之間，阻止電子通過防短路，但可以允許鋰離子通過。優(yōu)良的電池隔膜應(yīng)保障兩大功能，一是優(yōu)異的穩(wěn)定性，包括化學(xué)穩(wěn)定性，不易被電解液腐蝕；熱穩(wěn)定性，高溫不易變形；力學(xué)穩(wěn)定性，不易因被刺穿導(dǎo)致短路。二是優(yōu)異的離子通過性，容易被電解液浸潤，保持一定尺寸孔隙率及孔徑。目前各大公司及研究機(jī)構(gòu)都在增強(qiáng)電池隔膜這兩大功能，近年來相關(guān)優(yōu)化改性較多，一是隨著鋰離子電池能量密度的逐年提升，非活性物質(zhì)的量越來越少，隔膜越來越薄，最優(yōu)者可達(dá)4毫米。二是開發(fā)多層膜、改良膜、新穎隔膜來提高熱穩(wěn)定性。如涂覆勃母石逐漸成為許多企業(yè)的選擇。
鋰電池隔膜是典型的重資產(chǎn)行業(yè)，固定資產(chǎn)占比位居電池四大組成部件之首，具有投資金額大的特點(diǎn)。很多頭部隔膜企業(yè)其固定資產(chǎn)占比超過總資產(chǎn)四成，遠(yuǎn)超電池其他三大部件固定資產(chǎn)占比。
向高效、安全、低成本方向發(fā)展
未來電池隔膜發(fā)展方向是高效、安全、低成本。
目前微孔聚烯烴是主力隔膜產(chǎn)品，成本低、穩(wěn)定性好。但是聚烯烴膜對電解質(zhì)的浸潤性較差，需要對聚烯烴進(jìn)行改性，如接枝親水性單體，此舉可提高隔膜浸潤性；進(jìn)行涂覆改性來增強(qiáng)浸潤性，增加電池循環(huán)次數(shù)；提高隔膜耐高溫性能及抗穿刺能力；提高隔膜避孔功能。
在聚烯烴上可以涂覆無機(jī)物，也可以涂覆有機(jī)物，涂覆改性是增加電池能量密度的安全墊，重要性日益凸顯。涂覆改性可以有效降低其熱收縮率，同時(shí)提高抗穿刺強(qiáng)度，安全性得到顯著提升。此外，涂覆材料可以增強(qiáng)隔膜與電解液之間的浸潤性，提高離子電導(dǎo)率。
近兩年濕法隔膜的涂覆占比達(dá)到80%以上。在涂覆材料應(yīng)用上，勃姆石由于性價(jià)比高，逐漸替代氧化鋁作為主要材料，2022年勃姆石出貨量超3萬噸，占市場份額超50%。勃姆石硬度低可減少設(shè)備磨損、可控涂覆面積大且均勻，深受各企業(yè)歡迎。
由于涂覆材料可能蓋住聚烯烴孔道，本身耐熱性較差等問題限制了聚烯烴提高性能的空間。因此，采用新型膜也是一種選擇。目前實(shí)驗(yàn)較多的新材料主要包含聚偏氟乙烯、間位芳綸、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺和聚對苯撐苯并二噁唑、無紡布等。但上述隔膜若想在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用，還要面臨降低成本、提升綜合性能等諸多挑戰(zhàn)。
競爭白熱化
2015年海外隔膜產(chǎn)品市場占有率高達(dá)90%以上，但海外隔膜廠商卻對產(chǎn)能擴(kuò)張十分謹(jǐn)慎。隨著我國大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，以鋰電池為首的產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，推動(dòng)隔膜需求快速增長，國內(nèi)廠商抓住機(jī)遇，大舉擴(kuò)大隔膜產(chǎn)能，使國內(nèi)隔膜廠商在供應(yīng)鏈上搶占先機(jī)，從此國內(nèi)隔膜企業(yè)成為行業(yè)領(lǐng)跑者。
目前，隔膜行業(yè)處于白熱化競爭狀態(tài)。一是新投入的生產(chǎn)線車速快、幅寬大。車速、幅寬是影響隔膜生產(chǎn)效率的核心指標(biāo)，速度越快，幅寬越大，綜合成本越低，同時(shí)對設(shè)備和膜料要求越高。目前，國內(nèi)隔膜第一梯隊(duì)幅寬已達(dá)6.2米，車速達(dá)110米/分鐘，效益提升21%~49%。二是頭部企業(yè)馬太效益顯著：越是頭部企業(yè)，訂單越多，其開工率越高，綜合成本越低。經(jīng)測算，100%開工率比50%開工率的生產(chǎn)線，效益提升37%。三是頭部企業(yè)良品率極高：隔膜行業(yè)由于工藝復(fù)雜，良品率較低，頭部企業(yè)技術(shù)工藝優(yōu)勢明顯，能大幅降低不良率。頭部企業(yè)良品率超九成，而二、三流企業(yè)良品率僅為五~八成，競爭力大幅下降。提高良品率可極大提升企業(yè)效益，如果良品率從六成提升至九成，營業(yè)成本能節(jié)省20%左右。
進(jìn)入門檻較高
鋰電池隔膜是典型的重資產(chǎn)行業(yè)，動(dòng)輒需要幾十億元上百億元投資，而且設(shè)備供應(yīng)商稀缺，全球主要隔膜設(shè)備廠商目前僅有4家,分別是日本制鋼所、日本東芝、德國布魯克納、法國伊索普。我國隔膜設(shè)備以進(jìn)口為主，國內(nèi)各隔膜生產(chǎn)企業(yè)與國外設(shè)備制造企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了深度綁定，鎖定了未來數(shù)年的產(chǎn)線產(chǎn)能，新進(jìn)入者即使資金雄厚，也很難購買到生產(chǎn)設(shè)備，即使想盡辦法購買到了相關(guān)生產(chǎn)線，但設(shè)備建設(shè)和調(diào)試時(shí)間長，尤其首條線調(diào)試時(shí)間可能長達(dá)一年以上，導(dǎo)致潛在競爭者難以涉足隔膜行業(yè)。
此外，隔膜用國外原料占比高：國產(chǎn)聚烯烴性價(jià)比不高，基膜透氣性波動(dòng)較大，基膜膜面經(jīng)常有較大顆粒，因此主要隔膜用聚烯烴還是以進(jìn)口為主，原料成本較高。
隔膜生產(chǎn)工藝技術(shù)壁壘高。隔膜工序復(fù)雜、良品率低，而且不同廠商工藝不同、技術(shù)水平不同，導(dǎo)致良品率差異較大。隔膜改性中非常重要的涂覆改性，專利多被國外巨頭掌控，如LG化學(xué)、帝人、東麗等，國內(nèi)企業(yè)需要獲得授權(quán)方可使用。此外，電池隔膜是電池安全的重要保障，如果電池隔膜破損造成電池短路，輕則電池企業(yè)破產(chǎn)，重則出現(xiàn)重大事故造成難以挽回的損失，電池廠商對隔膜供應(yīng)商的選擇慎之又慎，會(huì)執(zhí)行嚴(yán)格的評估與準(zhǔn)入制度，要求隔膜品質(zhì)有保障且企業(yè)能穩(wěn)定供應(yīng)。因此，進(jìn)入電池廠商的供應(yīng)鏈需要很長的認(rèn)證過程，國內(nèi)廠商認(rèn)證周期約為1年，國外廠商認(rèn)證周期約為2年。
鋰電池隔膜
指在電池正極和負(fù)極之間一層隔膜材料，是電池中非常關(guān)鍵的部分，其主要作用是：隔離正、負(fù)極并使電池內(nèi)的電子不能自由穿過，讓電解液中的離子在正負(fù)極之間自由通過。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)，以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。
隔膜的性能對鋰電池的性能和安全性有重要影響。優(yōu)質(zhì)的隔膜應(yīng)具有較高的離子導(dǎo)電性、較低的電阻和較好的機(jī)械強(qiáng)度。此外，隔膜還應(yīng)具有較好的耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性和較低的自燃性，以確保電池在各種工作條件下的安全性和可靠性。
隨著鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家和工程師一直在研究、開發(fā)新型隔膜材料和結(jié)構(gòu)，以提高鋰電池的性能、安全性和可持續(xù)性。一些新型的隔膜材料包括聚合物復(fù)合材料、陶瓷材料和納米材料等。這些新材料具有更高的離子導(dǎo)電性、更好的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠增加鋰電池的能量密度、延長循環(huán)壽命和提高安全性。
此外，隔膜的結(jié)構(gòu)也在不斷創(chuàng)新。一些新型的隔膜結(jié)構(gòu)，如多孔隔膜、層狀隔膜和納米孔隔膜等，能夠進(jìn)一步提高鋰電池的性能。這些新結(jié)構(gòu)可以增加隔膜的表面積和孔隙度，提高離子傳輸速率和電解液的浸潤性，從而增加電池的功率密度、延長循環(huán)壽命。
隔膜的制備方法也在不斷改進(jìn)。傳統(tǒng)的隔膜制備包括濕法涂覆、干法涂覆和拉伸法等。近年來，還出現(xiàn)了一些新的制備方法，如電紡法、溶膠凝膠法和模板法等。這些新方法可以制備出具有更好性能的隔膜，提高鋰電池的性能和可靠性。
總之，鋰電池隔膜是一種關(guān)鍵的組件，對鋰電池的性能和安全性起到重要作用。隨著鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，隔膜材料、結(jié)構(gòu)和制備方法也在不斷創(chuàng)新，以提高鋰電池的性能、安全性和可持續(xù)性。這些創(chuàng)新將推動(dòng)鋰電池在電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為清潔能源和可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。
