电池隔膜发展尚处黄金期
文章来源：中国石化报 更新时间：2023-11-16 13:50:50
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电动汽车发展势不可当，锂离子电池相随“一日千里”，带动电池隔膜日新月异。未来数年，电池隔膜需求量非常巨大，随着制备工艺不断优化，安全性、稳定性不断提升，我国将成为全球主要电池隔膜生产国。然而，随着新能源市场主角变换，固态电池将粉墨登场，逐渐替代液体电解质电池，预计到2040年电池隔膜完成使命退出历史舞台。
城头变幻大王旗，各种新技术、新材料在波涛汹涌的时代大潮下涌现，又黯然退去。随着新能源汽车的崛起，锂离子电池隔膜进入黄金发展期，然而技术大潮势不可当，固态电池凭借不可比拟的优势或将在2040年取代锂离子电池，届时，锂离子电池重要组成部件隔膜也将淡出历史舞台。
现状火热，中期前景广阔
近年来，我国电动汽车发展突飞猛进，带动锂离子电池迅猛发展。2022年全球电动汽车和储能电池用锂离子电池总量957.7GWh（吉瓦时），比上年增长70.3%。其中车用动力电池684.2GWh，比上年增长84.4%；储能电池159.3GWh，比上年增长140.3%；小型电池114.2GWh，比上年下降8.8%。2022年我国锂离子电池产量660.8GWh，比上年增长97.7%，占全球总量69%。未来十年，锂离子电池仍然是新能源汽车和储能领域的主要技术路线，其中2025和2030年，全球锂离子电池的出货量将达到2211.8GWh和6080GWh。
电池一日千里的发展带动其重要部件电池隔膜的日新月异。电池隔膜主要材料包括PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、电子级PVDF（聚偏二氟乙烯）以及对位芳纶。其中隔膜专用料PE消费规模将从2022年的9.1万吨增加到2030年的21.3万吨，年均增速11%；隔膜专用料PP将从2022年的3万吨增至2030年的7.5万吨，年均增速12%；电子级PVDF将从2022年的0.2万吨增至2030年的0.6万吨，年均增速15%；对位芳纶将从2022年的16吨增至2030年的2000吨，年均增速83%。
电池隔膜历经曲折，产业链从日韩逐步转向国内。从全球角度看，我国目前占全球市场份额绝对领先，为43%，其次是韩、日、美各占28%、21%和6%，其他国家和地区占比2%，而且我国产能还在持续扩大。经过数年发展，我国从2012年前的跟跑，逐渐发展到2017年后的领跑。从国内市场看，恩捷股份在湿法和干法隔膜领域占比都是全国第一。目前以湿法工艺为主，市场占有率超过80%，未来占比还会继续提高。隔膜以PE/PP复合膜为主，PE偏多。其中干法生产工艺中，采用均聚PP为原料的占比达到96%，而采用抗冲共聚PP为原料的干法隔膜占比为4%，可见大多数企业采用均聚PP为原料生产干法隔膜材料。而湿法隔膜材料中，其中98％原料为超高分子量聚乙烯，另外2%采用HDPE（高密度聚乙烯）。
技术含量高、投资金额大
电池隔膜具备技术含量高、投资金额大的特点。
隔膜作为电池四大组成部件（正极、负极、电解液和隔膜）之一，是电池中技术含量最高的部件，因为隔膜可以决定电池的寿命、电阻、电容量及安全性。电池隔膜位于正极与负极之间，阻止电子通过防短路，但可以允许锂离子通过。优良的电池隔膜应保障两大功能，一是优异的稳定性，包括化学稳定性，不易被电解液腐蚀；热稳定性，高温不易变形；力学稳定性，不易因被刺穿导致短路。二是优异的离子通过性，容易被电解液浸润，保持一定尺寸孔隙率及孔径。目前各大公司及研究机构都在增强电池隔膜这两大功能，近年来相关优化改性较多，一是随着锂离子电池能量密度的逐年提升，非活性物质的量越来越少，隔膜越来越薄，最优者可达4毫米。二是开发多层膜、改良膜、新颖隔膜来提高热稳定性。如涂覆勃母石逐渐成为许多企业的选择。
锂电池隔膜是典型的重资产行业，固定资产占比位居电池四大组成部件之首，具有投资金额大的特点。很多头部隔膜企业其固定资产占比超过总资产四成，远超电池其他三大部件固定资产占比。
向高效、安全、低成本方向发展
未来电池隔膜发展方向是高效、安全、低成本。
目前微孔聚烯烃是主力隔膜产品，成本低、稳定性好。但是聚烯烃膜对电解质的浸润性较差，需要对聚烯烃进行改性，如接枝亲水性单体，此举可提高隔膜浸润性；进行涂覆改性来增强浸润性，增加电池循环次数；提高隔膜耐高温性能及抗穿刺能力；提高隔膜避孔功能。
在聚烯烃上可以涂覆无机物，也可以涂覆有机物，涂覆改性是增加电池能量密度的安全垫，重要性日益凸显。涂覆改性可以有效降低其热收缩率，同时提高抗穿刺强度，安全性得到显著提升。此外，涂覆材料可以增强隔膜与电解液之间的浸润性，提高离子电导率。
近两年湿法隔膜的涂覆占比达到80%以上。在涂覆材料应用上，勃姆石由于性价比高，逐渐替代氧化铝作为主要材料，2022年勃姆石出货量超3万吨，占市场份额超50%。勃姆石硬度低可减少设备磨损、可控涂覆面积大且均匀，深受各企业欢迎。
由于涂覆材料可能盖住聚烯烃孔道，本身耐热性较差等问题限制了聚烯烃提高性能的空间。因此，采用新型膜也是一种选择。目前实验较多的新材料主要包含聚偏氟乙烯、间位芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚对苯撑苯并二噁唑、无纺布等。但上述隔膜若想在工业上大规模应用，还要面临降低成本、提升综合性能等诸多挑战。
竞争白热化
2015年海外隔膜产品市场占有率高达90%以上，但海外隔膜厂商却对产能扩张十分谨慎。随着我国大力发展新能源产业，以锂电池为首的产业得到快速发展，推动隔膜需求快速增长，国内厂商抓住机遇，大举扩大隔膜产能，使国内隔膜厂商在供应链上抢占先机，从此国内隔膜企业成为行业领跑者。
目前，隔膜行业处于白热化竞争状态。一是新投入的生产线车速快、幅宽大。车速、幅宽是影响隔膜生产效率的核心指标，速度越快，幅宽越大，综合成本越低，同时对设备和膜料要求越高。目前，国内隔膜第一梯队幅宽已达6.2米，车速达110米/分钟，效益提升21%~49%。二是头部企业马太效益显著：越是头部企业，订单越多，其开工率越高，综合成本越低。经测算，100%开工率比50%开工率的生产线，效益提升37%。三是头部企业良品率极高：隔膜行业由于工艺复杂，良品率较低，头部企业技术工艺优势明显，能大幅降低不良率。头部企业良品率超九成，而二、三流企业良品率仅为五~八成，竞争力大幅下降。提高良品率可极大提升企业效益，如果良品率从六成提升至九成，营业成本能节省20%左右。
进入门槛较高
锂电池隔膜是典型的重资产行业，动辄需要几十亿元上百亿元投资，而且设备供应商稀缺，全球主要隔膜设备厂商目前仅有4家,分别是日本制钢所、日本东芝、德国布鲁克纳、法国伊索普。我国隔膜设备以进口为主，国内各隔膜生产企业与国外设备制造企业已经进行了深度绑定，锁定了未来数年的产线产能，新进入者即使资金雄厚，也很难购买到生产设备，即使想尽办法购买到了相关生产线，但设备建设和调试时间长，尤其首条线调试时间可能长达一年以上，导致潜在竞争者难以涉足隔膜行业。
此外，隔膜用国外原料占比高：国产聚烯烃性价比不高，基膜透气性波动较大，基膜膜面经常有较大颗粒，因此主要隔膜用聚烯烃还是以进口为主，原料成本较高。
隔膜生产工艺技术壁垒高。隔膜工序复杂、良品率低，而且不同厂商工艺不同、技术水平不同，导致良品率差异较大。隔膜改性中非常重要的涂覆改性，专利多被国外巨头掌控，如LG化学、帝人、东丽等，国内企业需要获得授权方可使用。此外，电池隔膜是电池安全的重要保障，如果电池隔膜破损造成电池短路，轻则电池企业破产，重则出现重大事故造成难以挽回的损失，电池厂商对隔膜供应商的选择慎之又慎，会执行严格的评估与准入制度，要求隔膜品质有保障且企业能稳定供应。因此，进入电池厂商的供应链需要很长的认证过程，国内厂商认证周期约为1年，国外厂商认证周期约为2年。
锂电池隔膜
指在电池正极和负极之间一层隔膜材料，是电池中非常关键的部分，其主要作用是：隔离正、负极并使电池内的电子不能自由穿过，让电解液中的离子在正负极之间自由通过。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环，以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
隔膜的性能对锂电池的性能和安全性有重要影响。优质的隔膜应具有较高的离子导电性、较低的电阻和较好的机械强度。此外，隔膜还应具有较好的耐热性、耐化学腐蚀性和较低的自燃性，以确保电池在各种工作条件下的安全性和可靠性。
随着锂电池技术的不断发展，科学家和工程师一直在研究、开发新型隔膜材料和结构，以提高锂电池的性能、安全性和可持续性。一些新型的隔膜材料包括聚合物复合材料、陶瓷材料和纳米材料等。这些新材料具有更高的离子导电性、更好的耐热性和机械强度，能够增加锂电池的能量密度、延长循环寿命和提高安全性。
此外，隔膜的结构也在不断创新。一些新型的隔膜结构，如多孔隔膜、层状隔膜和纳米孔隔膜等，能够进一步提高锂电池的性能。这些新结构可以增加隔膜的表面积和孔隙度，提高离子传输速率和电解液的浸润性，从而增加电池的功率密度、延长循环寿命。
隔膜的制备方法也在不断改进。传统的隔膜制备包括湿法涂覆、干法涂覆和拉伸法等。近年来，还出现了一些新的制备方法，如电纺法、溶胶凝胶法和模板法等。这些新方法可以制备出具有更好性能的隔膜，提高锂电池的性能和可靠性。
总之，锂电池隔膜是一种关键的组件，对锂电池的性能和安全性起到重要作用。随着锂电池技术的不断发展，隔膜材料、结构和制备方法也在不断创新，以提高锂电池的性能、安全性和可持续性。这些创新将推动锂电池在电动汽车、便携式电子设备、储能系统等领域的广泛应用，为清洁能源和可持续发展作出更大的贡献。
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