電池核心零件到底多先進?只有兩國能造,中國成功造出且白菜價

2019-10-18     胖福的小木屋

前幾天,諾貝爾化學獎揭曉,瑞典皇家科學院宣布,將2019年諾貝爾化學獎授予美國得州大學奧斯汀分校約翰•B•古迪納夫教授,紐約州立大學賓漢姆頓分校M•斯坦利•威廷漢教授,和日本化學家吉野彰,以表彰他們在鋰離子電池領域的貢獻。其中,97歲的約翰·古迪納夫更是刷新了獲獎年齡最大的紀錄。

20世紀70年代初,威廷漢採用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,利用鋰的巨大動力來釋放它的外層電子。製成首個鋰電池。而古迪納夫使鋰電池體積更小、容積更大、使用方式更穩定,從而實現商業化,同時開啟了電子設備便攜化進程。

古迪納夫

到了1G模擬通信時代,因應手機與筆記型電腦進入全球發展期,「高容量小型可充電電池」成為迫切需求。吉野彰於1981年開始挑戰聚乙炔鋰電池難以克服的體積大、不穩定問題。吉野彰成功地將純鋰從電池中去除,取而代之的是鋰離子,鋰離子比純鋰更安全,鋰離子電池被廣泛使用在智慧型手機、電動汽車等設備。

直到現在,鋰電池依然在我們的生活中具有不可替代的作用。可以說他們三個人對我們的生活產生了巨大的變革作用,而日美也因此長期在鋰電池領域占據領先地位。

在如今的鋰電池的結構中,主要構成分四部分:正極、負極、電解液、隔膜。隔膜是關鍵的內層組件之一。隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來,防止兩極接觸而短路,此外還具有能使電解質離子通過的功能。隔膜的性能決定了電池的介面結構、內阻等,直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性,對提高電池的綜合性能具有重要的作用。

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。

一直以來,因隔膜性能的優劣決定了鋰離子電池的容量、循環性能、充放電電流密度等關鍵特性,隔膜生產對工藝技術要求很高,鋰電池微孔隔膜技術掌握在日美的三家公司之中,當時日美公司都限制對中國出口鋰電池隔膜,一聽說中國公司要買隔膜,便首先聲明要先款後貨,並要提前45天,將貨款打到其公司帳戶上,再慢慢等待發貨。

此外,還要審查購買公司的資質,因為隔膜可以被廣泛用於飛彈、潛艇、魚雷的電池上,如果對方我們「有用于軍事目的的可能」,可以隨時終止合租。

微孔隔膜的材料主要是以聚乙烯(polyethylene,PE)和聚丙烯(polypropylene,PP)兩種為主,其中PE 產品主要由濕法工藝製得,PP 產品主要由干法工藝製得。中高端電池以濕法隔膜為主,中低端電池以干法隔膜為主,干法隔膜又分為干法單向拉伸和干法雙向拉伸技術。

聚合物鋰離子電池隔膜結構示意圖

2008年的世界鋰電池隔膜市場份額,世界市場90%被美國和日本壟斷。



第一是日本旭化成29%,第二是美國Celgard23%,第三是日本東燃23%,第三是日本東燃23%,第四是宇部興產7%,第五是韓國SK5%,第七的恩泰克是美國企業,占4%。除了韓國有少量生產,全球的鋰電池隔膜都要仰賴於日美,而鋰電池隔膜的價格也因此居高不下。

但是鋰電池隔膜的壟斷技術最終被我哥突破。

1997年,不安分的陳秀峰決定創業,和哥哥陳良成立了自己的貿易公司,2000年,陳秀峰了解到,隔膜的原料PP、PE等,價格大概只要2萬元一噸,而製成隔膜成品,價格超過300萬元一噸!這中間有接近150倍的利潤。

這吸引了陳秀峰去研製鋰電池隔膜,關於隔膜的製備,當時全世界都沒有一份公開資料,陳秀峰只能另闢蹊徑,找來了四川大學的科研團隊助陣,當時川大的高分子研究當時在國內處於領先地位。

儘管有四川大學的科研團隊助陣,隔膜的技術壁壘依然不容易打破。之前貿易接觸的日本隔膜公司認為這是國家級別的機密技術,絕不對外擴散。陳秀峰和團隊從原料配方、工藝技術到設備設計全部從零開始。

掌握隔膜的製備原理後,他們自己設計設備——因為市場上根本不會有隔膜製備設備出售——設計完成後找國外廠家代工。

2008年,陳秀峰租了廠房,開建了兩條幹法生產線。當年8月18日,第一卷干法製備的隔膜下線,這也是中國自產的第一卷隔膜。因為隔膜製備工藝複雜,技術點非常多,產品剛出來的時候,一些物性指標、外觀,跟國外產品比還是有一定的差距。而一旦突破了關鍵原理技術,再通過不斷進行工藝和設備優化,產品就會不斷成熟。

干法單拉鋰電池隔膜生產線

2009年3月,陳秀峰創立的星源材質生產的隔膜正式投放市場,當時星源得到了中國企業的大力支持,因為當時星源剛剛研發成功投放市場,質量怎麼樣並不清楚,但是中航鋰電和比亞迪還是採購了星源的產品,這也讓星源得以生存下去,後來,星源成功拉到了LG化學這個大客戶,從而奠定了鋰電池隔膜市場的地位。

而濕法隔膜技術則在恩捷股份這裡取得了突破,恩捷股份原本是提供多種包裝印刷產品、包裝製品及服務的綜合供應商,後來專注鋰電池隔膜業務,進軍隔膜市場才短短几年,就取得了不俗的成績。

濕法隔膜工藝特殊,難度較大,但是恩捷公司目前在研發與生產高性能濕法隔膜以及高端功能塗布隔膜領域可以說世界領先。另外,濕法生產需要的主要上游原材料是高分子聚乙烯,2017年6月,國內揚子石化首次實現該材料的量產,打破了進口壟斷。可以說濕法隔膜產品,我們從材料到研製生產,都可以做到全自主。

鋰離子電池隔膜濕法工藝

2018年底恩捷公司濕法隔膜產能13億平,全年出貨量4.68億平,國內濕法隔膜市占率45%,全球隔膜市占率14%,位列全球第一。

據跟蹤鋰和其他大宗商品價格的Benchmark Minerals Intelligence數據顯示,中國生產的鋰離子電池占全球的近三分之二。而在恩捷和星源等的努力下,在鋰電池隔膜領域,中國壟斷了三分之一的市場。

恩捷董事長李曉明表示,與日本、德國等國家的生產技術水平相比,目前我們還暫時略遜一籌,但公司已經定下了一個『小』目標:在2020年7月份以前,生產的隔膜產品必能達到世界頂級水平。

中國企業進駐市場之後,可以說真正做到了白菜價,2003年,壟斷市場的日美企業,製造隔膜的PP、PE原料,大概2萬多元/噸,但是做成隔膜後價值達到300多萬元/噸,完全是暴利。

2019年,技術工藝最高的濕法膜,國產能做到一塊五一平米,進口價格也被直接拉下來了,只有5塊5一平,比10年前足足降低了50倍,國產價格甚至是十年前進口間隔的1/180。

這就是自主的價值,還記得90年代手機電池能賣到七八百元甚至上千元人民幣一塊,而如今鋰電池的價格可以說十分平民,應用在各大領域的成本也大大降低。我們也不需要擔心被別人卡脖子。

也期待我們在其他領域都可以實現彎道超速,助力中華民族實現偉大復興。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh/y7zE5W0BMH2_cNUgtIlG.html