鋰電池隔膜技術工藝專題培訓課件

鋰電池隔膜技術工藝鋰電池隔膜技術工藝1隔膜是鋰離子電池的重要組成部分,是支撐鋰離子電池完成充放電電化學過程的重要構件。隔膜是鋰電池一個重要組件隔膜是鋰離子電池的重要組成部分,是支撐鋰離子電池完成充放電電2隔膜定義隔膜性能影響電池的界面結構、內阻影響電池容量、循環(huán)次數和安全性能影響電池的綜合性能鋰電池隔膜材料高強度薄膜化聚烯烴多孔膜材料有耐有機溶劑功能基體材料為聚丙烯、聚乙烯材料和添加劑材質特性不導電電池種類不同，采用不同隔膜PE、PP等隔膜作用分隔電池的正負極，防止短路充放電過程中使電解質離子來回通過的功能隔膜定義隔膜性能影響電池的界面結構、內阻影響電池容量、循環(huán)次3性能參數透氣率Gurley指數，是一個重要物化指標；與電池內阻成正比；數值越大，內阻越大。自動關閉機理一種安全保護性能；限制溫度升高和防止短路；安全窗口溫度越高愈好，電池的安全性越高；與隔膜的原材料和隔膜的結構有關；材料熔點決定隔膜的閉孔溫度。熱穩(wěn)定性隔膜受熱時尺寸穩(wěn)定性孔隙率孔的體積和隔膜體積的比值，一般隔膜孔隙率在35%-60%之間。力學強度要求抗穿刺強度高；單向拉伸，拉伸~50N，橫向~5N；雙向拉伸，要求2個方向要求一致。隔膜六大性能參數孔徑大小及分布孔徑的大小及分布與制備方法有關；孔徑大小影響隔膜的透過能力；分布不均勻導致電池內部電流密度不一致，形成枝狀晶刺穿隔膜。性能參數透氣率自動關閉機理熱穩(wěn)定性孔隙率力學強度隔膜六大性能4隔膜特性和分類隔膜分類根據不同物理、化學特性，鋰電池隔膜材料可以分為：織造膜、非織造膜（無紡布）、微孔膜、復合膜、隔膜紙、碾壓膜等幾類；目前商品化鋰電池隔膜材料主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜；固體和凝膠電解質用作一個特殊的組件，同時發(fā)揮電解液和電池隔膜的作用-固態(tài)電池。鋰電池隔膜的主要廠商及其主要產品隔膜特性電子絕緣性-------正負極的機械隔離；一定的孔徑和孔隙率，低電阻和高離子電導率，對鋰離子有很好的透過性；耐電解液腐蝕，有足夠的化學和電化學穩(wěn)定性；對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕力；足夠力學性能----穿刺強度、拉伸強度等，但厚度盡可能薄；空間穩(wěn)定性和平整性好；熱穩(wěn)定性好、自動關斷性能好；動力電池對隔膜要求更高，通常采用復合膜。隔膜特性和分類隔膜分類鋰電池隔膜的主要廠商及其主要產品隔膜特5隔膜壁壘技術方面造孔工程技術隔膜造孔工藝難度高；無成套生產設備；產品穩(wěn)定性保持難?；w材料聚丙烯、聚乙烯材料和添加劑等高分子材料復雜性和高知識含量。制造設備設備精密穩(wěn)定。經濟方面投資金額大、周期長、技術風險高。國內現狀：隔膜的厚度、強度、孔隙率一致性不夠量產批次穩(wěn)定性較差

隔膜一致性：厚度、面密度、力學性能一致性；對隔膜微孔的尺寸和分布的均一性-------微孔的尺寸和分布直接影響到隔膜的孔隙率、透氣性、吸液率。鋰電池成本構成鋰電池材料利潤率隔膜壁壘技術方面國內現狀：鋰電池成本構成鋰電池材料利潤率6工藝技術成孔機理不同共性步驟：取向步驟-----使薄膜產生空隙并提高拉升強度。熔融拉升MSCS熱致相分離TIPS工藝技術成孔機理不同熔融拉升MSCS熱致相分離TIPS7干法工藝干法是將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結晶性聚合物薄膜，經過結晶化處理、退火后，得到高度取向的多層結構，在高溫下進一步拉伸，將結晶界面進行剝離，形成多孔結構，可以增加薄膜的孔徑。優(yōu)點：工藝相對簡單、附加值高、無環(huán)境污染。缺點：孔徑及孔隙率較難控制；拉伸比較小，只有約1～3；低溫拉伸時容易導致隔膜穿孔；產品不能做得很薄。熔融擠出高倍拉伸冷卻熱處理拉伸熱定型分切收卷干法工藝干法是將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結晶性聚合物薄8干法工藝影響因數工藝影響膜結構的因素熔融牽伸比；擠出溫度；隔膜性能參數等。降低擠出溫度提高分子取向度提高退火溫度，提高結晶度，晶片結構排列完善微觀影響膜結構的因素干法工藝影響因數工藝影響膜結構的因素降低擠出溫度提高分子取向9兩種干法工藝特點單向拉伸設備工藝方式單向拉伸雙向拉伸工藝原理晶片拉伸晶型轉換方法特點設備復雜，精度要求高，投資大，工藝復雜、控制難度高、環(huán)境友好設備復雜、投資較大，一般需成孔劑等添加劑輔助成孔-加入β晶型改進劑產品特點微孔尺寸、分布均勻、微孔導透性好，產品橫向熱收縮差，能夠生產出不同厚度的產品，能夠生產PP\PE產品和三層復合產品微孔尺寸、分布均勻、透氣性更好，穩(wěn)定性差。現只能生產出較厚規(guī)格的PP膜廠家Celgard、UBE、深圳星源科技新鄉(xiāng)格瑞恩兩種干法工藝特點單向拉伸設備工藝方式單向拉伸雙向拉伸工藝原理10濕法工藝濕法又稱相分離法或熱致相分離法，將液態(tài)烴或一些小分子物質與聚烯烴樹脂混合，加熱熔融后，形成均勻的混合物，然后降溫進行相分離，壓制得膜片，再將膜片加熱至接近熔點溫度，進行雙向拉伸使分子鏈取向，最后保溫一定時間，用易揮發(fā)物質洗脫殘留的溶劑，可制備出相互貫通的微孔膜材料。優(yōu)點：隔膜孔徑范圍比較小而均勻；雙向拉伸強度高；膜更薄。缺點：投資大，周期長，工藝復雜；環(huán)境污染。濕法工藝濕法又稱相分離法或熱致相分離法，將液態(tài)烴或一些小分子11濕法工藝特點工藝方式雙向拉伸工藝原理相分離方法特點設備復雜，投資大，周期長、工藝復雜、成本高、能耗大、有環(huán)境污染產品特點微孔尺寸小、分布均勻、適應生產較薄產品，只能生產PE膜廠家旭化成、東燃、美國Entek、深圳星源、金輝高科干濕法隔膜性能比較濕法工藝特點比較性能干法工藝濕法工藝孔徑大小大小孔徑均勻性差好拉伸強度均勻性差，顯各向異性好，顯各向同性橫向拉伸強度低高橫向收縮率低較高穿刺強度低高干法工藝（單向拉伸）濕法工藝（雙向拉伸）單層隔膜的SEM圖濕法工藝特點工藝方式雙向拉伸工藝原理相分離方法特點設備復雜，12濕法工藝原理濕法制備微孔膜的熱力學基礎是聚合物-溶劑體系的相圖。通過調節(jié)體系的溫度和濃度，使得聚合物直接從體系中結晶析出。影響膜孔結構形態(tài)因素：冷卻速率聚合物溶液的初始濃度聚合物分子量溶劑分子的運動與結晶能力成核劑--成核劑能更好地控制微孔的尺寸和分布濕法工藝原理濕法制備微孔膜的熱力學基礎是聚合物-溶劑體系的相13濕法工藝關鍵系統(tǒng)工藝步驟關鍵工藝濕法工藝關鍵系統(tǒng)工藝步驟關鍵工藝14干濕法工藝區(qū)別比較方法干法工藝濕法工藝工藝比較工序簡單復雜固定資產相對低高工藝控制難度高低產品比較單層膜可以可以三層膜可以不能夠原料PP可以不能夠PE可以可以原料特性流動性好、分子量低不流動、分子量高產品性能成本低高使用范圍小功率、低容量電池大功率、高容量電池安全性低高熱關閉溫度低（135°C）高（180°C）熱收縮性高比較低孔徑比較大納米級環(huán)境友好污染干濕法工藝區(qū)別比較方法干法工藝濕法工藝工序簡單復雜固定資產相15隔膜生產設備生產設備設備大多是進口，目前還沒一條整套設備提供。攪拌機：包括攪拌電機，減速機，送量泵等，性能要求：穩(wěn)定性很重要，一定要選用進口的。萃取設備通風設備需要高耗電通風設備，設備需要1000萬。設備名稱價格攪拌機80萬元擠出機100萬元冷卻成型:100萬元雙拉機840萬元橫拉設備150萬萃取設備150萬烘干定型120萬分切機80萬鍋爐,控壓機,冷卻水塔,危險品倉庫,倉庫,配管線等280萬檢查設備,實驗室設備100萬回收裝置200萬合計約2300萬元按月產100萬平方米隔膜，總投資估算6986萬元，其中：固定資產投入3370萬元，流動資產投入1540萬元+2076萬元(6個月的原材料安全庫存)。隔膜生產設備生產設備設備名稱價格攪拌機80萬元擠出機100萬16隔膜屬于高分子材料，專業(yè)知識門檻高；技術專利問題；滿足工藝要求的高精密設備；要求工藝和產品一致性高。隔膜占鋰電池成本有限；市場規(guī)模有限，主導企業(yè)目前產能過剩；未來產能擴大，導致價格下降。投入高；建設周期較長。風險

技術風險

市場風險

資本風險投資風險隔膜屬于高分子材料，專業(yè)知識門檻高；隔膜占鋰電池成本有限；投17

改變尺寸和結構提高熱穩(wěn)定性目前發(fā)展兩個方向膜厚度；電池結構變化。多層膜；改良膜新穎隔膜隔膜隨鋰電池需求變化而發(fā)展隔膜隔膜發(fā)展趨勢改變尺寸和結構提高熱穩(wěn)定性目前發(fā)展兩個方向膜厚度；多層膜；18隔膜發(fā)展趨勢隔膜發(fā)展趨勢19國外隔膜主要企業(yè)公司背景客戶結構和組成2011年產量方法國內工廠AsahiKaseiChemicals日本旭化成化學株式會社成立于1931年，注冊資金103億日元，半數以上產品供給三洋單層PE9650萬平米/年濕法北京、上海設有辦事處，在蘇州、上海、張家港設有工廠。Celgard美國Polypore全資子公司，成立于1981年，注冊資本2億美金MBI、BYD單層和多層PP、PEPP/PE/PPPVDF覆蓋8980萬平米/年干法聚烯烴隔膜深圳設有辦事處，上海設立新的辦事機構。TonenSpecialtyseparator東燃埃克森美孚化工日本東燃化學株式會社的子公司，成立于1947年，注冊資本約3512億日元Sony、SDI、LGC等第三大供應商單層PE8340萬平米/年濕法UbeIndustries日本宇部興產株式會社成立于1942年，注冊資金431億日元主要客戶為比克和三洋多層PP/PE/PP3000萬平米/年干法SumitomoChemical日本住友化學株式會社成立于1913年2007-2009年間計劃進行3700億日元的投資單層PE400萬平米/年濕法在大連、北京、無錫、上海、珠海設有分公司或辦事處SK：韓國SK化工

成立于1969年單層PE2900萬平米/年濕法在青島、蘇州、北京、上海、廣州、桂林、寧波等地設有工廠或辦事處。濃厚的高分子化工背景國外隔膜主要企業(yè)公司背景客戶結構和組成2011年產量方法國內20國內生產企業(yè)公司背景產能工藝方法佛塑-金輝高科比亞迪和佛塑合資1200萬平米濕法工藝星源材質民營企業(yè)5000萬平米干法三層復合、濕法單層新鄉(xiāng)格瑞恩河南金龍（國企）控股6000萬平米干法單層拉伸和三層復合供應低端市場產品隔膜性能不滿足動力電池要求規(guī)模和技術無法與日韓美企業(yè)相比。。。。。。國內生產企業(yè)公司背景產能工藝方法佛塑-金輝高科比亞迪和佛塑合21小結隨著動力電池市場擴大，隔膜市場也將擴大；隔膜屬于高投入行業(yè)；隔膜同時是高技術行業(yè)，企業(yè)必須有濃厚的化學背景；聚烯烴微孔膜以其特殊的結構與性能，在液態(tài)鋰離子電池中占據了絕對的主導地位；隨著對鋰離子電池性能要求的提高，隔膜的制備方法呈多樣化，制備工藝不斷完善，改性技術被廣泛研究，新型鋰離子電池隔膜將得到快速發(fā)展。小結隨著動力電池市場擴大，隔膜市場也將擴大；22ThankYou!ThankYou!23鋰電池隔膜技術工藝鋰電池隔膜技術工藝24隔膜是鋰離子電池的重要組成部分,是支撐鋰離子電池完成充放電電化學過程的重要構件。隔膜是鋰電池一個重要組件隔膜是鋰離子電池的重要組成部分,是支撐鋰離子電池完成充放電電25隔膜定義隔膜性能影響電池的界面結構、內阻影響電池容量、循環(huán)次數和安全性能影響電池的綜合性能鋰電池隔膜材料高強度薄膜化聚烯烴多孔膜材料有耐有機溶劑功能基體材料為聚丙烯、聚乙烯材料和添加劑材質特性不導電電池種類不同，采用不同隔膜PE、PP等隔膜作用分隔電池的正負極，防止短路充放電過程中使電解質離子來回通過的功能隔膜定義隔膜性能影響電池的界面結構、內阻影響電池容量、循環(huán)次26性能參數透氣率Gurley指數，是一個重要物化指標；與電池內阻成正比；數值越大，內阻越大。自動關閉機理一種安全保護性能；限制溫度升高和防止短路；安全窗口溫度越高愈好，電池的安全性越高；與隔膜的原材料和隔膜的結構有關；材料熔點決定隔膜的閉孔溫度。熱穩(wěn)定性隔膜受熱時尺寸穩(wěn)定性孔隙率孔的體積和隔膜體積的比值，一般隔膜孔隙率在35%-60%之間。力學強度要求抗穿刺強度高；單向拉伸，拉伸~50N，橫向~5N；雙向拉伸，要求2個方向要求一致。隔膜六大性能參數孔徑大小及分布孔徑的大小及分布與制備方法有關；孔徑大小影響隔膜的透過能力；分布不均勻導致電池內部電流密度不一致，形成枝狀晶刺穿隔膜。性能參數透氣率自動關閉機理熱穩(wěn)定性孔隙率力學強度隔膜六大性能27隔膜特性和分類隔膜分類根據不同物理、化學特性，鋰電池隔膜材料可以分為：織造膜、非織造膜（無紡布）、微孔膜、復合膜、隔膜紙、碾壓膜等幾類；目前商品化鋰電池隔膜材料主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜；固體和凝膠電解質用作一個特殊的組件，同時發(fā)揮電解液和電池隔膜的作用-固態(tài)電池。鋰電池隔膜的主要廠商及其主要產品隔膜特性電子絕緣性-------正負極的機械隔離；一定的孔徑和孔隙率，低電阻和高離子電導率，對鋰離子有很好的透過性；耐電解液腐蝕，有足夠的化學和電化學穩(wěn)定性；對電解液的浸潤性好并具有足夠的吸液保濕力；足夠力學性能----穿刺強度、拉伸強度等，但厚度盡可能??；空間穩(wěn)定性和平整性好；熱穩(wěn)定性好、自動關斷性能好；動力電池對隔膜要求更高，通常采用復合膜。隔膜特性和分類隔膜分類鋰電池隔膜的主要廠商及其主要產品隔膜特28隔膜壁壘技術方面造孔工程技術隔膜造孔工藝難度高；無成套生產設備；產品穩(wěn)定性保持難?；w材料聚丙烯、聚乙烯材料和添加劑等高分子材料復雜性和高知識含量。制造設備設備精密穩(wěn)定。經濟方面投資金額大、周期長、技術風險高。國內現狀：隔膜的厚度、強度、孔隙率一致性不夠量產批次穩(wěn)定性較差

隔膜一致性：厚度、面密度、力學性能一致性；對隔膜微孔的尺寸和分布的均一性-------微孔的尺寸和分布直接影響到隔膜的孔隙率、透氣性、吸液率。鋰電池成本構成鋰電池材料利潤率隔膜壁壘技術方面國內現狀：鋰電池成本構成鋰電池材料利潤率29工藝技術成孔機理不同共性步驟：取向步驟-----使薄膜產生空隙并提高拉升強度。熔融拉升MSCS熱致相分離TIPS工藝技術成孔機理不同熔融拉升MSCS熱致相分離TIPS30干法工藝干法是將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結晶性聚合物薄膜，經過結晶化處理、退火后，得到高度取向的多層結構，在高溫下進一步拉伸，將結晶界面進行剝離，形成多孔結構，可以增加薄膜的孔徑。優(yōu)點：工藝相對簡單、附加值高、無環(huán)境污染。缺點：孔徑及孔隙率較難控制；拉伸比較小，只有約1～3；低溫拉伸時容易導致隔膜穿孔；產品不能做得很薄。熔融擠出高倍拉伸冷卻熱處理拉伸熱定型分切收卷干法工藝干法是將聚烯烴樹脂熔融、擠壓、吹膜制成結晶性聚合物薄31干法工藝影響因數工藝影響膜結構的因素熔融牽伸比；擠出溫度；隔膜性能參數等。降低擠出溫度提高分子取向度提高退火溫度，提高結晶度，晶片結構排列完善微觀影響膜結構的因素干法工藝影響因數工藝影響膜結構的因素降低擠出溫度提高分子取向32兩種干法工藝特點單向拉伸設備工藝方式單向拉伸雙向拉伸工藝原理晶片拉伸晶型轉換方法特點設備復雜，精度要求高，投資大，工藝復雜、控制難度高、環(huán)境友好設備復雜、投資較大，一般需成孔劑等添加劑輔助成孔-加入β晶型改進劑產品特點微孔尺寸、分布均勻、微孔導透性好，產品橫向熱收縮差，能夠生產出不同厚度的產品，能夠生產PP\PE產品和三層復合產品微孔尺寸、分布均勻、透氣性更好，穩(wěn)定性差?，F只能生產出較厚規(guī)格的PP膜廠家Celgard、UBE、深圳星源科技新鄉(xiāng)格瑞恩兩種干法工藝特點單向拉伸設備工藝方式單向拉伸雙向拉伸工藝原理33濕法工藝濕法又稱相分離法或熱致相分離法，將液態(tài)烴或一些小分子物質與聚烯烴樹脂混合，加熱熔融后，形成均勻的混合物，然后降溫進行相分離，壓制得膜片，再將膜片加熱至接近熔點溫度，進行雙向拉伸使分子鏈取向，最后保溫一定時間，用易揮發(fā)物質洗脫殘留的溶劑，可制備出相互貫通的微孔膜材料。優(yōu)點：隔膜孔徑范圍比較小而均勻；雙向拉伸強度高；膜更薄。缺點：投資大，周期長，工藝復雜；環(huán)境污染。濕法工藝濕法又稱相分離法或熱致相分離法，將液態(tài)烴或一些小分子34濕法工藝特點工藝方式雙向拉伸工藝原理相分離方法特點設備復雜，投資大，周期長、工藝復雜、成本高、能耗大、有環(huán)境污染產品特點微孔尺寸小、分布均勻、適應生產較薄產品，只能生產PE膜廠家旭化成、東燃、美國Entek、深圳星源、金輝高科干濕法隔膜性能比較濕法工藝特點比較性能干法工藝濕法工藝孔徑大小大小孔徑均勻性差好拉伸強度均勻性差，顯各向異性好，顯各向同性橫向拉伸強度低高橫向收縮率低較高穿刺強度低高干法工藝（單向拉伸）濕法工藝（雙向拉伸）單層隔膜的SEM圖濕法工藝特點工藝方式雙向拉伸工藝原理相分離方法特點設備復雜，35濕法工藝原理濕法制備微孔膜的熱力學基礎是聚合物-溶劑體系的相圖。通過調節(jié)體系的溫度和濃度，使得聚合物直接從體系中結晶析出。影響膜孔結構形態(tài)因素：冷卻速率聚合物溶液的初始濃度聚合物分子量溶劑分子的運動與結晶能力成核劑--成核劑能更好地控制微孔的尺寸和分布濕法工藝原理濕法制備微孔膜的熱力學基礎是聚合物-溶劑體系的相36濕法工藝關鍵系統(tǒng)工藝步驟關鍵工藝濕法工藝關鍵系統(tǒng)工藝步驟關鍵工藝37干濕法工藝區(qū)別比較方法干法工藝濕法工藝工藝比較工序簡單復雜固定資產相對低高工藝控制難度高低產品比較單層膜可以可以三層膜可以不能夠原料PP可以不能夠PE可以可以原料特性流動性好、分子量低不流動、分子量高產品性能成本低高使用范圍小功率、低容量電池大功率、高容量電池安全性低高熱關閉溫度低（135°C）高（180°C）熱收縮性高比較低孔徑比較大納米級環(huán)境友好污染干濕法工藝區(qū)別比較方法干法工藝濕法工藝工序簡單復雜固定資產相38隔膜生產設備生產設備設備大多是進口，目前還沒一條整套設備提供。攪拌機：包括攪拌電機，減速機，送量泵等，性能要求：穩(wěn)定性很重要，一定要選用進口的。萃取設備通風設備需要高耗電通風設備，設備需要1000萬。設備名稱價格攪拌機80萬元擠出機100萬元冷卻成型:100萬元雙拉機840萬元橫拉設備150萬萃取設備150萬烘干定型120萬分切機80萬鍋爐,控壓機,冷卻水塔,危險品倉庫,倉庫,配管線等280萬檢查設備,實驗室設備100萬回收裝置200萬合計約2300萬元按月產100萬平方米隔膜，總投資估算6986萬元，其中：固定資產投入3370萬元，流動資產投入1540萬元+2076萬元(6個月的原材料安全庫存)。隔膜生產設備生產設備設備名稱價格攪拌機80萬元擠出機100萬39隔膜屬于高分子材料，專業(yè)知識門檻高；技術專利問題；滿足工藝要求的高精密設備；要求工藝和產品一致性高。隔膜占鋰電池成本有限；市場規(guī)模有限，主導企業(yè)目前產能過剩；未來產能擴大，導致價格下降。投入高；建設周期較長。風險

技術風險

市場風險

資本風險投資風險隔膜屬于高分子材料，專業(yè)知識門檻高；隔膜占鋰電池成本有限；投40

改變尺寸和結構提高熱穩(wěn)定性目前發(fā)展兩個方向膜厚度；電池結構變化。多層膜；改良膜新穎隔膜隔膜隨鋰電池需求變化而發(fā)展隔膜隔膜發(fā)展趨勢改變尺寸和結構提高熱穩(wěn)定性目前發(fā)展兩個方向膜厚度；多層膜；41隔膜發(fā)展趨勢隔膜發(fā)展趨勢42國外隔膜主要企業(yè)公司背景客戶結構和組成2011年產量方法國內工廠AsahiKaseiChemicals日本旭化成化學株式會社成立于1931年，注冊資金103億日元，半數以上產品供給三洋單層PE9650萬平米/年濕法北京、上海設有辦事處，在蘇州、上海、張家港設有工廠。