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這種新型鋰電隔膜,2020年用量或達1億平米
發布時間:2019-03-15 15:31:00
關鍵詞:動力電池 鋰電池

這種新型隔膜,2020年用量或達1億平米


近年來,隨著鋰電池產業的蓬勃發展,市場對鋰電池性能上的要求也越來越高。鋰電池的安全性、大功率的充放電、續航里程的提升等一系列問題也隨之出現。而對鋰電池中的每個材料進行相應的升級換代必定會成為解決這些問題的突破口。


無紡布隔膜,很有可能是現有聚烯烴類隔膜升級換代的一個重要方向。


無紡布隔膜的一些基礎特點,尤其是和傳統PP\PE隔膜相比所具有的優勢(比如快充、安全性等一些優勢),決定了它在鋰電池今后所應用的隔膜材料中應該占有一席之地。


目前,已有多家電池廠商對無紡布隔膜表現出了濃厚的興趣,也有部分電池廠商正在試用這類產品并且取得了良好的反饋。


無紡布隔膜與傳統隔膜的區別


首先,從材料上來看,PP/PE和無紡布(這里指的是PET無紡布)都使用了不同玻璃化轉變溫度的高分子材料。簡單來說,PP/PE的玻璃化轉變溫度在常溫以下,隨著溫度的上升,膜的材料會變得越來越柔軟(嚴格來說,是分子在局部加速運動的溫度)。


例如,電池內部溫度在大約60℃進行充放電時,電極會反復膨脹、收縮,PP/PE隔膜在受到反復收縮應力的影響下,孔隙率會漸漸變少。


然而,使用PET無紡布的情況下,其玻璃化轉變溫度在80℃以上,隨著溫度的上升不但不會變得柔軟,還能很好的保持穩定的孔隙率,使電池的循環壽命更長。


實際上,同樣的現象在鎳氫電池的使用中已經得到驗證。


高倍率的鎳氫電池工作時,電池內部溫度會超過100℃時,使用一般的隔膜,或是一般尼龍材質的隔膜,在D型電池200A放電的條件下,僅進行數次充放電循環,隔膜就會很快劣化。


如果使用高玻璃化轉變溫度的特殊尼龍材質的隔膜,則電池的壽命會有飛躍性的提升,三洋電機已發表過這項研究結果。


今后,很多事實會在試驗中不斷地被驗證,就像當初,由玻纖制成的無紡布隔膜,也可以應用在鋰離子電池里,還有PP/PE微孔膜,在最初也被認為孔徑及孔隙率大,但當時的鋰離子電池主要應用于相機和手機上,對隔膜的要求是厚度薄,且具有閉孔功能,致使微孔膜的發展占有一定的優勢。


無紡布隔膜具體應用


無紡布的厚度無法做到很薄,目前能夠量產的最薄無紡布隔膜是由纖維素制成的,厚度為12-15μm,并且孔徑最小化很難實現。


另外,要增加閉孔功能的話,還會再增加2-3元/平米的成本。但是儲能和動力電池沒有必要增加閉孔功能,所以,無紡布隔膜適用于大型電池,最適合大型、長循環壽命要求的儲能和動力電池。


同樣的現象,從鉛酸電池也可以解釋。小型的鉛酸電池,使用的是微細玻璃纖維制成的孔徑較小的隔膜,而幾百Ah以上的大型鉛酸電池所使用的隔膜,則是孔徑非常大的隔膜。


目前無紡布隔膜是處于小批量生產階段,還沒大批量被使用。但是已經有很多電池廠商對此表現出了很大的興趣,并且有的已經在中試的過程中。


無紡布隔膜前景


相較3C數碼,儲能電池和動力電池領域的成長空間更大,因為它非常適合單體大容量電池,比如20-30Ah單體更大容量的電池將會更多采用無紡布隔膜,尤其在大型儲能、EV車,PHEV車等都會被更廣泛地使用,預計到2020年,無紡布隔膜大約有1億平米的用量。


無紡布隔膜目前的制造難點以及解決方法


目前無紡布隔膜最大的難點主要在硬件設備導致的生產效率不高的問題上。


傳統隔膜的生產速度大約在為30-50米每分鐘,假定2米寬幅時傳統隔膜生產速度為60-100平米每分鐘,3米寬時為100-150平米每分鐘的情況下,而無紡布的最大速度可以到達200平方米每分鐘。


而要想達到這樣的生產效率,能夠解決的辦法之一,是日本信州大學金翼水教授利用靜電紡絲技術開發了能夠連續成膜的方法,機體寬幅為3.8米、長度為80米以上的靜電紡絲設備,可以大大改善靜電紡絲的量產效率,也同樣適用于其它類型的無紡布隔膜生產。


從成本上來說,制造過程中需要根據隔膜的孔徑、厚度、均勻度,來采用相匹配的纖維。一般來說纖維越細,成本越高。納米級別直徑的PET纖維,成本為1萬日元/kg(人民幣約600元/公斤)以上。如果用該級別的纖維作為無紡布隔膜的材料,成本約為100日元(人民幣約6元)每平米以上。


另外一種方法是將現有的纖維研磨得更細,這種方法已經應用于超級電容器的隔膜制造上。纖維研磨方式也可適用于鋰電池,但要具體根據情況,決定是否需涂布陶瓷涂層。相信今后還會有更多的技術被應用到這個領域。


關于無紡布隔膜成本


普通PET纖維的價格為20-150元/kg,最貴的可達600元/kg以上。PI纖維為30-50元/kg。


無紡布隔膜一半以上的成本為纖維,1平米使用10g的纖維的情況下,普通纖維的成本約為0.2-1.5元每平米,基本和傳統隔膜的成本大體相當,如果使用納米級的纖維的成本約為5-6元每平米。


所以無紡布隔膜的成本根據纖維的構成變化而改變,使用粗纖維成本很低,使用納米級的纖維則成本很高。


成本降低的方式有很多種,比如提高生產效率,提高良品率,改進現有的生產工藝,在厚度方面不能一味地追求太薄。


不同原材料制造的無紡布隔膜有哪些差異


不同原材料制造的無紡布隔膜有很多的不同之處,最顯著的不同,是耐熱性能,比如芳綸、間位芳綸可以達到420℃左右的熔融分解溫度,對位芳綸可以承受600℃。而PET的耐熱性可達到200℃以上,能夠很好地適用于普通的鋰離子電池。



其次,還有纖維粗細的不同,芳綸的纖維無法做細,成本也很高。PET的纖維可以做到很細,強度也較強。纖維素的話,纖維越細強度越低,且無法承受高電壓,但是纖維素的價格便宜,容易被磨碎成亞微米級別的尺寸。


另外,特殊的纖維素在被磨碎后,其斷面為微米級別的圓形,能形成低密度的薄片,因此可以廣泛適用于需要高倍率輸出的LTO電池和超級電容器。PI纖維無法做細,成本很高。


經常有人會說到,PET在電池中會分解,不是很適用,這是由于電池中產生了水分和負極表面形成的枝晶直接接觸到PET纖維而造成的。如果在PET無紡布表面涂覆陶瓷或PVDF,就能有效杜絕該問題的發生。


目前海內外無紡布隔膜量產的企業有哪些


不完全統計,從事纖維素無紡布隔膜量產的公司,日本有2-4家,美國有1家。日本的企業有日本高度紙工業、廣瀨制紙和三菱制紙,日本高度紙工業的纖維素隔膜,每年有2、3千萬平米的銷量,廣瀨制紙和三菱制紙約為每年1千萬平米左右。


鋰電方面,唯一量產是日本高度紙工業,在LTO電池領域每年有2、3千萬平米的出貨量,銷售額為每年數億日元。


另外,從事研發和生產陶瓷涂覆無紡布隔膜的公司,歐洲有科德寶和德固賽,中國除了駿東科技以外,還有從事靜電紡絲PI隔膜的江西先材。


哪些汽車廠在使用無紡布隔膜?效果如何?


最初將無紡布涂覆陶瓷作為隔膜使用的是德國的德固賽(Degussa)公司(即后來的Evonik,現在已被Electovaya公司所收購)。


德固賽(Degussa)公司和日本的ENAX公司(日本的電池之父小澤博士設立的公司),共同開發隔膜時,就對無紡布陶瓷隔膜能否用于電池上進行了驗證。


實際上,當時在公交車和火車上驗證了無紡布陶瓷隔膜的安全性。但是ENAX公司的無紡布隔膜產品到目前為止還沒有具體應用,日本目前只有在LTO電池領域,估計每年有2、3千萬平米的用量。


在電動汽車方面,德固賽公司和戴姆勒公司聯合成立了LiTech公司,電池產品搭載于戴姆勒公司的小型電動車Smart。其安全性非常優越,但是據說沒有得到大力推廣的問題在于量產規模小,電池成本過高,并且戴姆勒公司已經停止該項目的投資,沒有繼續使用了。


稿件來源: 車訊前沿
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