简述锂离子电池隔膜的生产工艺原理

锂离子电池隔膜的生产工艺主要分为干法和湿法，其中干、湿法工艺的主要步骤和原理为：

1、干法——先对聚烯烃树脂进行熔融、挤压和吹制操作，形成结晶性高分子薄膜，然后进行结晶化热处理和退火操作，获得高度取向的薄膜结构，然后在高温中拉伸，测试结晶截面分离，形成多孔结构电池隔膜。干法工艺中还可以分为单向拉伸和双向拉伸。

2、湿法——传统湿法制备以相转化法为主，近年以TIPS热致相分离法为主。原理为将结晶性聚合物、热塑性聚合物以及具有高沸点的小分子化学物稀释剂(比如石蜡油)进行混合，在高温下形成均相溶液，然后降低溶液温度，使混合物发生固液相分离或者液液分离，将小分子化学物稀释剂萃取脱除后，形成热塑性与结晶性聚合物的多孔隔膜。

湿法工艺的主要特点是成本高、投资大，对设备要求高，建设投产周期长，并且在生产过程中对能源消耗较大，且会使用有机溶剂。但是湿法工艺可以较好的控制孔径大小、分布和孔隙率，所以一般用于制造高端薄膜。

与国外企业相比，国内企业之前生产的隔膜主要以干法拉伸为主，且多为中低端产品，高端湿法隔膜多年来一直被国外企业所垄断。但是近年来随着国内隔膜生产企业在湿法生产工艺上的持续改进，湿法隔膜的产量和性能越来越接近国外企业水平，国内企业纷纷迅速扩产湿法隔膜，隔膜市场的格局也发生变化。

2012年国内企业还是以生产干法隔膜为主，新乡格瑞恩、星源材质、佛山金辉、山东正华、佛山东航占据了国内市场前五名，而2016年国内生产湿法隔膜为主的上海恩捷、苏州捷力、金辉高科、重庆纽米等企业出货量排名前列。2016年中国锂电池隔膜出货量前十名的企业市场占比达到63.50%，预计未来随着各大企业在建产能的逐步投产，市场集中度将进一步提升。

根据实际生产情况，每GWh带电量大约需要使用0.2亿平米锂电池隔膜，因此我们预计2020年国内锂电池市场对隔膜的总需求量将达到34.8亿平米。干法隔膜和湿法隔膜在不同的需求领域中的渗透率各有不同。

在动力电池领域，由于国家提高了新能源电车续航里程的要求，因此各大电池厂在政策导向指引下，倾向于生产能量密度更高的三元电池以及使用更薄的锂电池隔膜。

综合考虑各种车型的实际需求后，我们预计到2020年动力电池中三元电池的占比将达到77.66%左右，而动力电池中三元电池几乎都使用湿法隔膜，因此我们预计湿法隔膜的渗透率与三元电池的渗透率保持一致。由于3C产品用锂电池对薄膜的厚度要求更高，因此我们预计到2020年3C产品用锂电池中湿法隔膜渗透率达到90%。

而在储能锂电池中，目前磷酸铁锂电池仍为主流，由于储能锂电池对能量密度要求不高，因此我们预计到2020年储能锂电池中湿法隔膜渗透率约为20%。综合以上分析，我们预计到2020年国内对湿法隔膜的需求量将达到25.8亿平米，对干法隔膜的需求量将达到9.0亿平米。2016年干法和湿法隔膜的市场均价分别为3.0元/平米和4.8元/平米，经过涂覆之后，隔膜价格大约能提高2元/平米。

考虑到未来国内隔膜产能的迅速扩大，以及干法、湿法的空间占比变化，我们保守预计到2020年干法和湿法隔膜的市场均价分别达到2.6元/平米和3.3元/平米，经过涂覆后的价格分别为4.3元/平米和4.8元/平米。最终我们预计2020年我国隔膜市场空间将达到157.5亿元，其中干法和湿法隔膜的市场空间分别为32.5亿元和125.0亿元。

目前市场上的生产工艺主要是干法单向拉伸技术、干法双向拉伸技术和湿法拉伸技术。三者相比，干法单向拉伸隔膜横向强度较差，但因几乎没有热收缩现象而具有较高的安全性。干法双向拉伸工艺只能生产单层隔膜，但隔膜的微孔尺寸和分布不均匀，稳定性较差。湿法拉伸隔膜孔隙率和透气性更高，可以生产更轻薄的隔膜，但投资成本较高。

与干法拉伸制膜工艺相比，湿法工艺制成的锂电池隔膜可以做到很薄，且程控方式不是通过机械拉伸的方式，而是利用聚乙烯与成孔剂发生热致相分离而产生的唯恐，因此孔隙率和孔径大小更易控制，产品的力学性能和均一性更好。从微观形貌对比中可以看到，干法拉伸制成的薄膜中的孔径会按照一定的方向分布，并且薄膜的结晶和非结晶区域之间有明显的分隔，而湿法工艺制成的隔膜形貌上面明显更加均匀。

在国家新能源电车政策提高了对车辆重量和续航里程的要求后，在保证安全性的前提下，提高动力电池的单位带电量成为了重要的发展方向。我们在前面的表一中列举了隔膜各项性能对电池性能的影响方向，综合来看，可以制备厚度更薄、均一性更好、孔径大小更易控制的湿法工艺优势更为明显。

干法工艺的原材料一般是PP，而湿法工艺的原材料一般则是PE。一般来说，PP的熔融温度在170℃左右，PE的熔融温度在140℃左右。因此湿法工艺生产的隔膜虽然厚度较薄，但是较低的熔融温度使得隔膜在高温下容易收缩，从而造成电池短路，电池的安全得不到保证。在隔膜表面涂覆一层无机纳米颗粒或者耐高温的有机化学物可以提高隔膜的高温安全性能，能够很好的弥补湿法工艺的这个缺陷。