是什么卡了我們的脖子--一層隔膜兩重天:國產鋰電池尚需撥云見日

亟待攻克的核心技術

“也不知道這輛車的電池能堅持多久?”

6月15日上午,望著窗外駛過的又一輛新能源汽車,南開大學新能源材料化學研究所所長、博士生導師周震習慣性地自語道。

從事新能源材料研究20多年,看著日漸增多的新能源汽車,周震欣喜之余,仍存憂慮,“鋰電池的基礎材料研究,我們與世界一流水平還有差距,尤其高端電池隔膜材料仍然依賴進口”。

在周震等業內專家看來,作為新能源車的“心臟”,國產鋰離子電池(以下簡稱鋰電池)目前“跳”得還不夠穩。

跨越太平洋的“四國游戲”

去年全球動力電池銷量前10的企業中,中國企業就占了7席,在市場份額上超越日本,占據了世界第一位;預計到2020年,我國在全球電池市場所占的份額將達七成以上;目前我國電池生產企業已超過了200家,是全球擁有鋰電池生產企業最多的國家……然而這一串的數字,并沒有讓業內人士覺得驕傲,不少人接受采訪時指出,雖然我國已經形成了比較完善的動力電池產業鏈,電池產業規模夠大,但是還遠稱不上強。

在鋰電池領域存在著一個跨越太平洋的“四國游戲”。“從行業角度來看,美國有比較強的研發設計能力,目前仍然引領鋰電池原始創新、核心材料研發;日本作為電池材料制造大國,生產規范嚴格,能夠最先制造出新的成品電池;我國和韓國作為第二梯隊,后續跟進……”周震解釋說,“相較日、韓,我國的低端鋰電池產品更有優勢,主要是由于人工和原始材料相對便宜,但是在部分高端產品,尤其是事關電池安全性的核心材料和制造工藝,仍有較大的差距。”

據了解,電池四大核心材料中,正、負極材料、電解液都已實現了國產化,唯獨隔膜仍是短板。國產隔膜主要供應低端3C類電池市場,高端隔膜目前依然大量依賴進口。核心專利缺乏,隔膜等關鍵材料不給力,不僅成了國產鋰電池難以承受之痛,也拖了國產鋰電池企業“走出去”的后腿。

天津力神電池一位負責人在接受科技日報記者采訪時表示,鋰電池最前沿的三元材料,核心專利掌握在美國3M公司和阿貢國家實驗室的手中,3M公司持有常規化學計量比的NMC材料的專利,阿貢國家實驗室擁有層狀富鋰材料專利。目前,松下、三星、LG等主流廠商都要花錢購買相關專利授權。“國內鋰電池企業眾多,未來進入國際市場,面對國際巨頭競爭,缺乏核心專利和材料技術是中國電池企業未來最大的隱憂和短板。”該負責人表示。

一層薄膜兩重天

采訪中,有電池材料專家告訴記者,隔膜是鋰電池的關鍵組件之一,隔膜主要材質為多孔質的高分子膜,包括聚乙烯及聚丙烯。鋰電池用的隔膜對安全性、滲透性、孔隙度及厚度都有嚴苛的要求。

“在鋰電池內部,帶有電荷的離子,在正負極間流動穿梭,才能形成電流,而隔膜位于電池內部正負極之間,既要防止正、負極直接接觸,又要確保電解質離子順利通行。”周震形象地解釋說,電池電解液猶如河流,鋰離子好比河上行駛的小船,隔膜是攔腰而建的大壩,一個個隔膜孔就像是大壩上的閘門,正常情況下,離子自由穿梭到達正負極,完成充放電的循環。

“高端的隔膜一般附帶有陶瓷材料,如果電解液溫度過高,材料膨脹,孔隙會像閘門一樣關閉,切斷離子交流,從而避免電池因溫度過高而起火爆炸。”周震介紹說,隔膜是鋰電材料中技術壁壘最高的一種材料,其技術難點在于造孔的工程技術、基體材料,以及制造設備。“技術要求高,價格自然也就貴,差不多占到了電池總成本一成以上。”

目前,世界上最好的鋰電池隔膜材料出自旭化成和東燃化學兩家日本公司,而國內鋰電池鋁塑膜市場九成份額也被昭和電工等日本廠商壟斷。天津力神公司的工程師告訴記者,與日本相比,我國的高端隔膜差距明顯。國產隔膜產品一致性不高,存在孔隙率不達標,厚度、孔隙分布以及孔徑分布不均等問題。

隔膜的品質直接影響電池容量、充放電循環壽命、阻燃止爆安全性能等指標。業內人士感慨:“一層隔膜兩重天,邁過去就是晴天!”

國產隔膜急需突破

目前鋰電池隔膜制造工藝主要分濕法和干法。記者采訪中了解到,我國在干法工藝上已邁入了世界第一方陣,但在濕法隔膜領域,國內企業雖掌握方法,但整體仍難以與外國巨頭抗衡,此外,核心生產設備也主要依賴進口。

數據顯示,2017年,國內鋰電市場規模達到了1130億元左右,其中動力鋰電池規模大約600億元。而國家工信部印發的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2011—2020年)》也顯示,到2020年我國純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力達200萬輛/年。有電池行業協會據此估算,我國未來每年需要的高品質車用動力電池隔膜材料需求量將達到數億平方米。

“鋰電池發展要想不受制于人,隔膜等高端材料無法回避!”天津巴莫股份有限公司總經理吳孟濤認為,如此巨大的市場需求,完全依賴外國廠商,不僅不現實,也將是國產動力鋰電池最大隱憂。

高端隔膜技術具有相當高的門檻,不僅要投入巨額的資金,還需要有強大的研發和生產團隊、純熟的工藝技術和高水平的生產線。“對于濕法制造工藝來說,樹脂材料與添加劑的擠出混合過程以及拉伸過程是兩大核心難點。”周震認為,國內隔膜企業要想有更大的作為,必須要在基礎材料表面處理工藝、膠粘劑配方工藝、產品沖壓拉伸等涉及材料、設備和工藝控制等三大領域“補課”,此外,在隔膜產業鏈上游,包括國產涂布機等在內核心生產裝備也需要迎頭趕上,盡快實現國產化更大突破。

“好比登山,離山頂越近成功登頂的希望就越大,而這時需要付出的努力也多!”周震說道。(孫玉松)