“鋰電池”，是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

1912 年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis 提出并研究。20 世紀(jì)70 年代時(shí)，M. S.Whittingham 提出并開(kāi)始研究鋰離子電池。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996 年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。因此，我們這里主要討論的是鋰離子電池。


新能源汽車成為鋰電池需求增長(zhǎng)的支撐點(diǎn)

根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2017 年1-4 月，新能源汽車生產(chǎn)95856 輛，同比增長(zhǎng)1.4%;銷售90402 輛，同比下降0.2%。其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷78351 輛和72895 輛，同比增長(zhǎng)11%和9.7%;插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)銷17504 輛和17507 輛，同比下降26.8%和27.4%。雖然新能源汽車產(chǎn)銷量增速放緩，但是純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量仍保持較快速度增長(zhǎng)。

隨著新能源汽車產(chǎn)銷量爆發(fā)式增長(zhǎng)，新能源汽車在我國(guó)汽車產(chǎn)量占比不斷提升。2016 年，新能源汽車產(chǎn)量占汽車總產(chǎn)量的比例為1.79%;新能源汽車銷量占汽車總銷量的比例為1.81%。2017 年1-4 月，新能源汽車產(chǎn)量占汽車總產(chǎn)量的比例為1.03%;新能源汽車銷量占汽車總銷量的比例為0.99%。

我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量爆發(fā)式增長(zhǎng)(萬(wàn)輛)


我國(guó)汽車產(chǎn)銷量中新能源汽車占比不斷提升


從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，鋰離子電池下游需求主要是3C 消費(fèi)電子領(lǐng)域、動(dòng)力電池、工業(yè)及儲(chǔ)能。目前，3C 消費(fèi)電子領(lǐng)域仍是鋰電池的最大需求終端，不過(guò)隨著新能源汽車產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)，刺激了對(duì)動(dòng)力電池的需求，成為鋰電池需求增長(zhǎng)的最主要的支撐點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011 年我國(guó)電動(dòng)汽車對(duì)鋰離子電池的需求量為176.7 萬(wàn)Kwh，占整個(gè)鋰電池市場(chǎng)總需求的比重僅為6.6%;2015 年需求量快速增長(zhǎng)到1503.09 萬(wàn)Kwh，5 年增長(zhǎng)了8 倍多，市場(chǎng)份額也快速增長(zhǎng)到19%左右，成為僅次于3C 鋰離子電池第二大細(xì)分市場(chǎng)。

鋰離子電池內(nèi)部組件成本結(jié)構(gòu)圖


隔膜：技術(shù)壁壘最高，中高端供不應(yīng)求

隔膜是決定鋰離子電池性能、安全性和成本的重要部分。鋰離子電池的放電原理是正極材料中的鋰離子Li+脫嵌，通過(guò)電解液移動(dòng)到負(fù)極中，電子則通過(guò)外電路從正極移動(dòng)到負(fù)極中形成電流。正負(fù)極材料一旦發(fā)生接觸就會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生短路，甚至發(fā)生燃燒和爆炸。而隔膜作為一種絕緣材料，其主要作用在于防止正負(fù)極材料接觸導(dǎo)致短路，成為保障電池安全的最重要部分之一。隔膜能夠浸潤(rùn)在電解液中，而且表面上有大量允許鋰離子通過(guò)的微孔。材料、厚度和微孔數(shù)量等特性都會(huì)影響鋰離子穿過(guò)隔膜的速度，進(jìn)而影響到電池的放電倍率、循環(huán)壽命等性能。在四大鋰離子電池材料中，隔膜的成本占比僅次于正極材料，約為10%-15%，在一些高端電池中，隔膜成本占比甚至超過(guò)20%，主要原因在于：四大鋰離子電池材料中，隔膜技術(shù)壁壘最高，毛利率最高。

鋰離子電池隔膜性能和技術(shù)要求


干法和濕法是鋰電池隔膜的主要生產(chǎn)工藝，但濕法膜涂覆將是大趨勢(shì)鋰電池隔膜的生產(chǎn)工藝包括濕法工藝和干法工藝，同時(shí)干法工藝又可分為單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。

濕法工藝將液態(tài)烴或一些小分子物質(zhì)與聚烯烴樹脂混合，加熱熔融后，形成均勻的混合物，然后降溫進(jìn)行相分離，壓制得膜片，再將膜片加熱至接近熔點(diǎn)溫度，進(jìn)行雙向拉伸使分子鏈取向，最后保溫一定時(shí)間，用易揮發(fā)物質(zhì)洗脫殘留的溶劑，可制備出相互貫通的微孔膜材料。日本旭化成、日本東燃、韓國(guó)SK 等均采用此工藝。

干法可細(xì)分為單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。干法單向拉伸工藝是通過(guò)生產(chǎn)硬彈性纖維的方法，制備出低結(jié)晶度的高取向聚丙烯或聚乙烯薄膜，再高溫退火獲得高結(jié)晶度的取向薄膜。這種薄膜先在低溫下進(jìn)行拉伸形成微缺陷，然后在高溫下使缺陷拉開(kāi)，形成微孔。美國(guó)celgard、日本宇部興產(chǎn)等采用此工藝。干法雙向拉伸工藝是中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所在20 世紀(jì)90 年代初開(kāi)發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝。通過(guò)在聚丙烯中加入具有成核作用的β晶型改進(jìn)劑，利用聚丙烯不同相態(tài)間密度的差異，在拉伸過(guò)程中發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變形成微孔，用于生產(chǎn)單層PP 膜。目前中國(guó)三分之一以上產(chǎn)能使用干法雙拉工藝，產(chǎn)品在中低端市場(chǎng)占據(jù)較大比例。

鋰離子電池隔膜干法和濕法兩種生產(chǎn)工藝比較


電動(dòng)汽車使用環(huán)境相對(duì)嚴(yán)苛，對(duì)安全性要求較高，需要使用厚膜，濕法工藝制作的隔膜較薄，容易擊穿導(dǎo)致電池短路，而干法工藝制作的隔膜厚度通常在20-40um，且熔點(diǎn)高，具有較強(qiáng)的安全性，因此主要使用干法隔膜。干法雙拉工藝由于隔膜孔徑分布不均勻，穩(wěn)定性較差，因此電動(dòng)汽車主要采用干法單拉工藝的隔膜。此外，干法隔膜制作成本要比濕法工藝低，動(dòng)力和儲(chǔ)能領(lǐng)域使用的電池需要使用大量隔膜，對(duì)于成本更敏感，因此干法隔膜最適合動(dòng)力和儲(chǔ)能電池使用。便攜式電池對(duì)于成本相對(duì)不敏感，更注重能量密度，干法隔膜厚度太高會(huì)導(dǎo)致電池能量密度低，而濕法隔膜厚度可以低至9um。從成本和技術(shù)兩個(gè)維度考量，干法短期將主導(dǎo)國(guó)內(nèi)動(dòng)力隔膜市場(chǎng)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，濕法工藝是今后技術(shù)的演變方向。

性能比較上看，濕法涂覆膜未來(lái)將是大趨勢(shì)。就目前的技術(shù)工藝發(fā)展情況看，陶瓷涂覆工藝是提升隔膜品質(zhì)的一種有效方式。涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF 等粘黏劑或陶瓷氧化鋁。這樣帶來(lái)的直接作用是提高隔膜耐熱收縮性，防止隔膜收縮造成大面積短路;防止電池中的某些熱失控點(diǎn)擴(kuò)大形成整體熱失控。而在保障隔膜力學(xué)性能以及電化學(xué)性能的基礎(chǔ)之上，能盡可能的降低隔膜的厚度，降低隔膜的內(nèi)阻提高電池的體積容量和倍率性能。

隨著我國(guó)鋰離子電池市場(chǎng)容量的快速增加，刺激了對(duì)鋰電池隔膜的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009 年我國(guó)國(guó)內(nèi)鋰電池市場(chǎng)鋰電隔膜需求量為1.35 億平方米，而到了2015 年需求量達(dá)到了6.20 億平方米，同比增長(zhǎng)35.96%，2009 年至2015 年，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到了28.93%。中國(guó)名義產(chǎn)能過(guò)剩，高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口。目前中國(guó)隔膜市場(chǎng)產(chǎn)能過(guò)剩，2015 年底國(guó)產(chǎn)隔膜總產(chǎn)能已達(dá)有效產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到15 億平方米，產(chǎn)能遠(yuǎn)超需求量。另外，國(guó)產(chǎn)隔膜超過(guò)1/3 采用干法雙拉工藝，產(chǎn)品檔次和售價(jià)較低，無(wú)法應(yīng)用于動(dòng)力電池領(lǐng)域。名義產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，但是中高端產(chǎn)品依然依賴進(jìn)口。