隔膜之“薄”承受锂电安全之“重”

 

  隔膜产业发展新热潮

 

  尽管近年来动力电池产业发展如火如荼,然而产业中很多关键问题仍然未能得到解决。笔者认为,要想迎来动力电池产业的大发展,还需要打通以下环节:大幅提高电池性能、提高整车及电池企业研发及生产能力、开展城市配套基础设施的建设以及示范运行的充分验证。其中,电池性能是制约电动汽车发展的瓶颈,要想突破这个瓶颈,还需要解决2个关键问题:一是能量密度,二是安全性。

 

  当然,电动汽车的发展离不开动力电池,但动力电池面对的市场却不仅仅局限于电动汽车。储能、国防装备、探月深潜、矿山井下安全装备等,都是动力电池的重要市场,这些应用领域对能量密度提升的要求并不像动力汽车那样迫切,现有的动力电池材料体系能够在一定程度上满足这些应用的需要,针对这些应用配套的电池体系研究也十分活跃。

 

  隔膜之“薄”承受锂电安全之“重”

 

  一直以来,安全性是动力电池,特别是锂离子电池的重要性能指标之一,未来市场对锂离子电池安全性要求更高。电池的安全性涉及很多方面的内容,其中包括电池的一致性、正负极材料的高温性能、电解液、隔膜性能、基片的毛刺、短路、电池管理系统等。近年来,隔膜对电池安全性的影响越来越受到关注,如何通过高品质的隔膜提升电池的性能,提高电池的安全性,成为技术开发及产业发展的重点。

 

  作为隔离正负极片的薄膜材料,厚度仅在几微米到几十微米之间,如此之“薄”,确是国产动力电池性能突破的关键之一。如果电池质量不好,原因不一定出自隔膜,但如果隔膜质量不行,一定影响电池的性能。经过多年的发展,国产隔膜的材料体系、拉伸设备、温场控制、张力控制、裁切设备、卷绕设备、厚度均匀性、孔隙均匀性、缺陷处理等环节不断突破发展,为我国动力电池产业发展奠定了一定的基础。

 

  为了进一步研究并解决隔膜的安全性问题,研究人员不断开发新的隔膜材料体系。目前,有希望制成隔膜的高温稳定材料体系包括:陶瓷层涂覆处理的聚乙烯(陶瓷+PE)和聚丙烯(陶瓷+PP)微孔膜、涂层处理的聚酯(PET)膜、聚酰亚胺(PI)膜、聚酰胺(PA)膜,氨纶或芳纶膜、纤维素膜等。实际上,除了合理的材料体系之外,制膜方法及设备也十分关键,是相关材料能否得到成功应用的另一决定性因素。

 

  从隔膜专利情况看隔膜产业创新发展

 

  在中国专利数据库(CNPAT)采用IPC分类号H01M2/14,H01M 2/16,H01M2/18和H01M10/00检索,2012年8月8日之前公开的文件,有近800篇涉及电池隔膜的专利申请,通过人工筛选排除了其他电池部件的专利申请,最终得到311篇锂离子电池隔膜的专利申请。

 

  经统计发现,锂离子电池隔膜专利申请在我国的发展趋势大致可以分为几个阶段:第1阶段(1985-1999年),该阶段相关专利申请的数量几乎为0,年申请量不超过3件;第2阶段(2000-2003年),该阶段申请数量以较低速度平稳增加,年申请量达到5~10件;第3阶段(2004-2007年),该阶段申请量增加较多,年申请量达到10~20件;第4阶段(2008-2012年8月),该阶段申请量飞速增长,其中2008年相关专利申请猛增到32件,2010年申请量首次超过50件。预计未来锂离子电池隔膜领域专利申请将继续保持快速增长。国内隔膜专利的申请,中国申请人数量最多,占74%;国外申请人主要集中在日本(占10%)、韩国(占6%)、美国和德国(各占5%)。国内按申请数量排序前3名依此为比亚迪股份有限公司、盈创德固赛公司和上海乾呈玩具科技有限公司。

 

  通过检索德温特专利数据库(dwpi),笔者研究了锂电隔膜专利技术在国外的申请情况(2012年8月之前的文件),共有4600多篇涉及锂离子电池隔膜的专利申请,通过人工标引排除了涉及其他电池材料的专利申请,最终得到近1700篇国外锂离子电池隔膜的专利申请。从2008年至今,国外隔膜专利申请量飞快增长,预计未来锂离子电池隔膜专利的申请量将继续呈波动性增长。

 

  专利情况的分析表明:锂离子电池隔膜技术经过近40年的发展,拉伸技术、设备制造、隔膜涂层技术及产品在国际上早已成熟,新型隔膜的研发进程也在加快。其中,高温材料体系及相应的隔膜加工方法,新型隔膜的结构设计应是未来重点突破的方向。如何适时抓住机遇,参与新型隔膜研发与国际专利布局十分关键。我国需要把握发展的机遇,加强自主创新,通过不懈的努力在隔膜产业领域做出特色。

 

  如何把握隔膜产业发展机遇

 

  与江浙及广东等沿海地区相比,北京并不具有发展新能源汽车及相关产业的明显优势。但是,作为首都,北京拥有众多国家级的研究机构和国内最有名的高等院校,研发实力非常强大。几乎每一种锂离子电池及其相关材料,电池管理系统,新能源汽车研发、设计,电池及材料的测试都能在北京找到国内顶尖的研发单位。

 

  国内最早的锂离子电池隔膜研发就源自中国科学院化学研究所,随后清华大学、中国科学院理化技术研究所等单位相继开展了各具特色的研究工作。不过,第一代聚烯烃拉伸隔膜的产业化工作并没有落地北京,而是转移到国内其它省市开花结果。目前,新一代以纳米纤维隔膜为代表的新型隔膜,着眼于高端技术,从研发之初就受到来自各方的关注与支持,在北京市政府及北京市科学技术委员会领导的关心和支持下,最终落地北京并不断发展壮大。

 

  2011年,由首钢集团与中国科学院理化技术研究所共同启动并完成了“新型纳米纤维动力锂离子电池隔膜研发及产业化项目”试验线的建设,2012年开展了相关制膜及工艺试验。目前,试制的几个品种与规格的产品结果都好于预期。在原有工作的基础上,该新型锂离子电池隔膜项目的示范工厂即将开建。据悉,示范工厂预计在一年内建成,单条生产线的产能设计将综合考虑投资与效益的因素,比试验线扩大10倍。示范工厂建成后,将通过示范生产来积累产业化生产和管理的经验,定型产业化工艺和设备,解决产品一致性等关键问题,找到盈亏平衡点,根据需求制定合理的产品大纲。后续产业化基地建设将直接复制成功的生产线模式。根据目前的规划,在2014-2015年间,该项目将进行产业化基地的一期建设,形成年产新型隔膜3000万平方米的能力;2016年底,计划进行产业化基地二期的建设,形成年产新型隔膜6000万平方米的能力。尽管北京市的新型锂离子电隔膜项目起步相对较晚,但是有一个很好的切入点:即新的工艺方法、新的材料和结构体系,面向下一代的隔膜产品,技术具有领先性且着眼于高端产业布局。高温稳定的高性能隔膜材料,是北京市新型隔膜项目的基本定位,下游目标产品是储能电池、车用动力电池和特殊用途的动力电池。其材料体系以高温纤维与纳米陶瓷复合材料为主,采用多层复合结构设计,面向高品质的动力电池和未来高温锂离子电池体系的需求。

 

  在下游应用市场的带动下,动力电池产业的发展即将进入一个崭新的时期。为了进一步完善现有的动力电池体系,推动下一代动力电池体系开发,配套的新型隔膜产品也不断向前发展。

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