大浪淘沙--鋰電池陶瓷涂覆隔膜逆勢而生

發布時間 | 2018-10-20 10:12 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 4324

氧化鋁

導讀：鋰離子電池已成為目前市場上儲能設備的主流，作為“第三電極”的隔膜是鋰離子電池中重要的組成部分。

鋰離子電池已成為目前市場上儲能設備的主流，作為“第三電極”的隔膜是鋰離子電池中重要的組成部分。隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來，防止兩極接觸而短路，此外還具有能使電解質離子通過的功能。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性。

圖1 特斯拉自燃問題飽受詬病（圖片來源：網絡）

隔膜在鋰電池安全使用中的地位至關重要。早在2013年，“特斯拉第一燒”引起了全世界的廣泛關注。其自燃原因是車輛在高速行駛中碰觸到異物，直接導致了電池內隔膜崩潰，進而導致了電池內短路，最終引發自燃。新能源汽車的電池組釋放出的能量是驚人的，由100節帶電量100Ah的電芯組成的電池組，失控能量達到240000KJ，約合57公斤TNT炸藥。

圖2 鋰電池組的巨大能量（圖片來源：高工鋰電網）

傳統的隔膜材料使用的是聚烯烴，其具有穩定的化學性能和較強的機械性能，易于連續化大規模生產，但是其熱穩定性低、對電解液親和性不足，這些都制約了其長遠發展。面對三元材料在動力電池中大量應用，鋰電池能量密度不斷提高，安全問題愈發重要，將超細氧化鋁粉末涂覆在傳統有機隔膜表面的新技術蓬勃發展。

鋰電池興起下的陶瓷涂覆行業

事實上，國內對于陶瓷涂覆的研究與應用由來已久。

早在2013年7月，在廈門大學和中航鋰電（洛陽）有限公司承擔的“高安全性動力電池用功能隔膜的技術開發”項目中，成功建成300萬平方米陶瓷功能膜試驗線。

2013年8月，國軒高科（002074）發布的“陶瓷涂層隔膜對鋰離子電池性能影響”的研究論文中，提到了采用鋰離子電池聚乙烯（PE）隔膜為基體，在其兩側均勻涂覆厚度為1~2um混有納米氧化鋁（Al₂O₃）粉末及凝膠劑的漿體，得到的陶瓷涂覆隔膜擁有優越的熱穩定性，并且由于納米氧化鋁的高比表面積，使得涂覆后的隔膜對電解液具有良好的潤濕性及保液性能。

同年8月，河南義騰新能源科技有限公司建成國內首條高性能耐高溫陶瓷涂覆隔膜生產線，年產1000萬平方米。該生產線采用國際首創的陶瓷材料/聚烯烴/PVDF三層復合技術等最新技術，首次實現了耐高溫三層復合隔膜規模化生產。

不過，就國內隔膜行業大環境而言，在2014年之前陶瓷隔膜仍主要應用于高端數碼產品，那時候市場的需求量較少，主流的隔膜企業也未意識到該工藝的巨大前景，因此未專門建設涂覆產線。在2015年之后，由于國內新能源汽車動力電池需求量大增，對于電池安全性的要求越來越高。

各大鋰電池廠商加大了對電池安全性的設計研發，其中涂覆隔膜被認為是一種降低電池內部事故的重要措施。因此，國內各大隔膜企業開始擴張涂覆產線，以滿足客戶不同的涂覆需求。

陶瓷涂覆的主流方向是在基膜的表面，涂覆一層陶瓷材料。陶瓷涂覆工藝使用的漿料由陶瓷顆粒、粘結劑、溶劑和表面活性劑按一定配方配成。

按涂覆方式不同，涂覆設備分為窄縫式涂覆、浸涂法涂覆和凹版輥涂覆。

圖3 滄州明珠生產的涂覆隔膜主要采用凹版輥涂覆工藝

（圖片來源：滄州明珠）

簡單而言，陶瓷涂覆隔膜具有以下優點：

1.可提升隔膜的熱穩定性、改善其機械強度，防止隔膜收縮而導致的正負極大面積接觸；

圖4 滄州明珠生產的陶瓷涂覆隔膜在高溫180℃時仍能保持良好形態

（圖片來源：滄州明珠）

2．能提高其耐刺穿能力，防止電池長期循環鋰枝晶刺穿隔膜引發的短路，并能中和電解液中少量的HF，防止電池氣脹；

3．陶瓷涂層的孔隙率大于隔膜的孔隙率，有利于增強隔膜的保液性和浸潤性，從而延長電池循環壽命。

圖5 滄州明珠生產的陶瓷涂覆隔膜具有良好的浸潤性

（圖片來源：滄州明珠）

蓬勃發展的陶瓷涂覆隔膜

2015年至今的三年間，鋰電池隔膜不斷有舊企業的擴張和新玩家的加入。根據車研咨詢發布的中國鋰電池隔膜市場發展趨勢與投資前景預測報告顯示，截止2017年底，國內隔膜行業共有深滬港上市公司22家，新三板公司6家，非上市公司61家，約89家。傳統的有機隔膜已經不能在激烈的市場競爭中生存，同質化嚴重、價格戰激烈、產能結構性過剩等行業通病開始逐漸爆發。因此，各大龍頭企業開始向濕法+涂覆隔膜進軍。

星源材質（300568）是國內干法膜生產龍頭企業，為順應濕法和涂覆膜的主流趨勢，星源材質大規模向涂覆進軍。2018年6月15日，星源材質公布定增預案，募集資金總額不超過20億元，用于常州“超級涂覆工廠”項目，擬投建50條涂覆生產線，預計形成10億平方米的涂覆產能，由此擴大鋰離子電池涂覆隔膜在公司成品膜中占比。

滄州明珠（002108）在2015年，開始進入濕法隔膜領域，并在之后不斷加碼。2018年7月17日，公司發布公告稱，公司擬建的“年產10500萬平方米濕法+涂覆鋰離子電池隔膜項目”已經全部投產。據筆者了解，公司的濕法隔膜采用同步拉伸的技術，跟日本旭化成采用一樣的工藝。公司投資了國內硬件水平最高的同步雙向拉伸濕法隔膜生產線，立足于5-16μm高端濕法隔膜市場。通過在隔膜表面涂覆陶瓷（Al₂O₃）涂層或聚合物（PVDF）涂層，提高了隔膜產品的高溫熱穩定性和吸液保液性能，改善了隔膜與電池極片的粘結性能，使得鋰離子電池具有更高的安全性能和更好的循環性能。

隨著鋰電池隔膜的興起，創新股份（002812）在收購上海恩捷之后，終于也邁入了鋰電池隔膜的大門。在經歷了一年多的謀劃收購到收購終止，再到修改方案再度重啟收購，創新股份成功以55.5億元收購上海恩捷新材料科技有限公司。2018年3月19日，上海恩捷總投資50億元隔膜項目落戶無錫，該項目擬建設16條全自動進口制膜生產線以及40條隔膜涂覆生產線。目前，上海恩捷在濕法涂覆方面取得技術突破，已經研發出水系陶瓷涂覆膜等產品。

此外，在陶瓷涂覆隔膜有重大投資項目的企業還有中鋰新材、中材科技、北大先行、美聯新材等企業。

小結

在迎來鋰電池大爆發的同時，隔膜行業風生水起，低端隔膜已經進入競爭紅海。濕法+涂覆隔膜是國內企業邁向高端隔膜的主流方向之一。其中，采用無機氧化鋁粉末作為陶瓷涂層涂覆在常規鋰離子電池隔膜表兩側的技術性問題已經得到解決，其優越的熱穩定性以及高比表面積粉體材料對電解液良好的潤濕性、保液性使得陶瓷涂覆隔膜擁有很好的前景。

不過，陶瓷涂覆隔膜并不是簡單的噴涂和黏貼工藝，在涂層的粘結性、均一性以及吸水性等方面，仍需要更多技術支持。目前，直接涂覆的效果非常不穩定，需要配合電池體系，進行單獨開發。可以說，陶瓷涂覆是一個涉及基膜選擇、高精度涂布設備、陶瓷顆粒選擇、工藝參數控制以及電池系統研究的系統工程，只有經過嚴格的驗證和試驗才能保障獲得理想的涂覆效果。