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中国科学院吴大勇:锂电隔膜的挑战与机遇

来源:高工锂电网综合报道 | 作者:admin | 分类:新闻 | 时间:2017-06-23 | 浏览:2848
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近日,由青海省政府、工信部、科技部、电动汽车百人会共同主办的“第十八届中国•青海绿色发展投资贸易洽谈会-锂产业国际高峰论坛”在青海召开,此次论坛上,中国科学院理化技术研究所研究员吴大勇做了主题演讲,以下为演讲内容实录:

中国科学院吴大勇:锂电隔膜的挑战与机遇

中国科学院理化技术研究所研究员吴大勇

各位同事、各位朋友,非常荣幸能来到青海,今天跟大家一起分享的是我做隔膜研究10年的一点感受,题目叫做锂电隔膜的挑战与机遇。报告包括五方面内容,分别是隔膜对电池的影响,不同种类的隔膜材料以及隔膜需求及产业发展动态,还有国家政策,隔膜技术的发展趋势等五方面。

首先是隔膜与电池性能的关系,影响电池性能的材料很多,比如说正极材料负极材料、极电技术、SEI膜的控制,封装、电芯还有其它技术,电池的一些性能包括容量发挥、能量密度、充电电压、循环性、高倍率功率特性,吸放热这些特性,与隔膜相关的性能是非常多的,应该说我们做研发电池的时候,主要的工作是聚焦在正极材料和负极材料上的,因为是做电池的性能。

隔膜在研发上的作用经常被忽视,但是产业对它的兴趣是非常高的,因为生产隔膜的利润率是比较高的。我们看一下隔膜的关键技术,比如说均匀性,包括厚度和孔径的分布、透气性和孔隙率、电导性、受热收缩性以及抗氧化,隔膜的关键参数还是非常多的。

应该说隔膜是电池性能的保障,为电池提供更高的安全保证电池性能的发挥提供很好的电化学窗口,这里的工作很多。

隔膜的种类有哪些?用一个简单的分类,比如说用材料分类,可以分为聚烯烃、无纺布膜等等,无纺布的膜主要是无纺布和无机物的复合,涂附膜主要是聚乙烯。如果按电池分就是我们前面一代的锂离子电池,还有后面一代的高能量的锂离子电池,还有高固态的电池。

我们都知道锂离子电池聚乙烯的聚丙烯的,还有三层都可以用的,高能量密度的因为它的能量密度比较高,所以对安全技术提出比较高的要求。锂硫电池很多朋友包括媒体朋友比较陌生,实际上它能用的隔膜材料和锂离子电池基本上是一样的,但是由于锂硫电池的特殊的特性,一般情况下为了提高电池的性能,需要对电池的隔膜做一些涂层的修饰,固态电池我们就不太细说了,因为大部分还处于基础的研发阶段。

隔膜的需求及产业发展的态势。我们国家“十三五”规划是要到2020年新能源汽车的年产量达到200万辆,要求动力电池的比能量达到300瓦时每公斤以上,这说明什么?第一,说明隔膜的需求量会非常高,会达到十几亿到几十亿的水平,很高的能量密度就要求这个隔膜要给电池提供更高的安全的保证,一般的聚乙烯的和聚丙烯的隔膜很有可能是不能完全满足这样一个动力电池的需要。

2020年保有量500万辆,如果在五年前我们看这个指标可能还是觉得有点难以实现,但是从这两年的发展态势来看,我们还是很有理由去乐观地看待这个事情。

最近从2012年到现在,中国的隔膜产业发生了一个非常深刻的变化,包括很多有实力的企业在成长,比如说苏州的捷力等企业在崛起,他们的生产线可能会达到5条、8条、10条甚至20条的数量,所以说从数量上来讲,我们国家的这个产业不是问题,主要的问题在于它的质量技术,特别是CATL有一个非常宏大的计划,上午我们也知道了,在溧阳建了产业园,就把上汽、宝马、北汽、吉利汽车都引到了溧阳,这样的一个产业的聚集的计划非常的庞大,它的报导是说要建一个10GWH的产业,但是也有人说是70GWH,到底是多少呢?反正这个数量是很大的,就说明未来的需求是没有问题的。

这样大的需求,这样大的外围的环境,给我们的隔膜的发展和机遇和挑战是什么?应该说整个的机遇是国家政策和新能源汽车的发展,龙头企业比如说CATL还有比亚迪,他们这样的快速发展的成长,经过多年的积累,他们已经达到了这样的国际先进水平,带动了我们整个新能源汽车的发展,所以整个的大环境是非常好的。

我们国内的资金是非常充足的,需求是巨大的,通过这几年的发展,我们国内的隔膜企业的装备水平已经有了很大的提高。

挑战是什么呢?应该说工艺成熟度相对来说还比较低,工艺研究的能力基本上还没有,吸收创新做强是我们要做的一个事情,另外国内还面临着一个很强的同质化竞争的压力。

从国家政策方面讲,工信部2014年底的时候就说,要限制产能不低于2千万平米,只有高于这个产能的企业才能继续支持去批。但是我们觉得应该不能仅仅从产能上来看,我们觉得更应该从质量上来看。

另外从环保上看,我查了很多的资料,还没有一个单独的给锂离子电池隔膜生产的环境要求,它有一个附和的大气污染物综合指标,在里面翻了半天才看到与隔膜二氯甲烷相关的,日本是50毫克每立方米,如果我们国家执行这样的更高的环境标准的话,是不是所有的企业都能达到呢?我们是存疑的。

基于我们国家隔膜产业的现状,提一些政策方面的建议,第一个是建议能够加强地域范围内的规划和布局,避免中低端的重复竞争,重视品质的基础上强调品质的规模。还有是淘汰低端产能,重点支持换代产品的研发。另外要重视技术团队的培养,加大发展国产装备的力度。也就是说我们国家目前有的企业产业线发展得很快,但是大多数是买的我们的邻国日本的设备,国内的设备发展相对来说还是滞后的。

最后,隔膜技术发展的趋势,应该说它的发展路线图应该是从干法到湿法到涂层隔膜到新一代耐高电压的隔膜,到以后的固体电解质的膜材料。

应该说和这几方面的相关技术细节非常多,时间原因不展开讲了,我们看一下到2030年的发展规划,应该说到2020年我们国家高品质的PE隔膜和PP隔膜规模化生产,实现高品质的涂层隔膜的规模化生产,以及相关装备的国产化,新型隔膜的示范生产可以实现。

到了2025年高安全涂附型的隔膜生产,具有离子涂层的隔膜生产,以及生产耐高电压电解质隔膜。到2030年可能就是新一代的高安全性和高电压的隔膜已经能够规模化生产了,固体电解质的规模产业化可能也就逐步实现了,估计是这样的一个路线图。

应该说隔膜并不好做,虽然我们说得比较简单,我们看一下国内的企业做的隔膜材料(ppt),应该说从孔径和孔径分布上还不是很均匀,我们看到有一些树干状的东西存在,孔径分布还不是很均匀。因为不同的工艺、不同的厂家的工艺不同,造成这样的孔径分布和孔隙率是不同的。

和对外的对标产品相比,我们国家的隔膜材料还存在孔隙率偏低的特点,等效的孔隙比较小,还有进一步的发展空间的。

高安全性的隔膜主要是陶瓷PP的,PET应该在200度到250度,新一代的隔膜会达到300度到350度。

另外一类是耐高电压的隔膜,能够让电池在0到5伏之间实现顺利的充放电,普通的PE隔膜或者是有机聚合物涂附的隔膜,在高电压的情况下是无法完成充电的。

从涂层隔膜上来看,它有力的一面是提高了电池的高安全性,电化学窗口也有可能提高,提高了电解液的亲润性,防穿刺,以及可以做一些有针对性的涂层设计。不利的影响是孔隙率是必然降低的,每做一层涂层孔隙率会降低10%,离子电脑也要下降,每涂一层增加4克重量,每做一层涂附成本提高1.5元到2元。电池内阻会上升,影响电池的高低温性能,这个不是很确定,根据不同的电池体系。

锂硫电池很有可能在未来也是作为一个发展的主要方向,实际上它用到的隔膜主要是涂层隔膜,分为不同物质的涂附,比如说碳涂附、聚合物涂附、无机化合物涂附以及复合材料涂附,情况比较复杂,一时半会讲不完,如果大家有兴趣的话,可以看我们最近写的一篇综述。

简单来说是关键材料是什么,如果我们做改进涂附,关键材料是三个,一个是碳材料,另外一个是结构材料,还有一个是提高离子选择性的材料,这三方面材料的组合来做一个锂硫电池的性能的提升。

(本文根据速记整理,未经嘉宾审核)

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