近期, 中国石油和化学工业联合会科技与装备部通过调研总结出石油和化工行业的十大技术需求. 这些事关新材料, 新能源, 信息通讯等高新技术产业发展的关键技术, 目前在研发或产业化上还存在掣肘, 亟待突破, 是行业未来一个时期的科研开发重点. 本版从今日起推出《石油和化工行业十大急需技术》系列报道, 将这些技术的发展现状与关键问题与读者分享.
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)锂电池隔膜是目前最具竞争力的隔膜材料之一. 近年来, 随着新能源汽车电池续航能力要求的不断提升, UHMWPE锂电池隔膜需求量也迅速增加, 迎来扩产潮. 同时其较高的毛利润也使隔膜厂商对生产技术的研发热情有增无减, 都在尝试突破国外技术壁垒, 掌握自主制备工艺.
性能优越 需求增加
锂离子电池隔膜是锂电池中关键的内层组件, 能够影响锂电池的容量, 循环性能和充放电电流密度等关键性能, 处于新能源汽车产业链的上游部分. 一般来说, 根据隔膜的主要功能, 隔膜在安全性和通过性上对性能要求较高. UHMWPE锂离子电池隔膜正好具有在高温下能保持尺寸稳定性, 抗外力穿刺能力强等优点.
扬子石化研究院塑料加工中心左胜武博士介绍, 目前国内隔膜的生产工艺主要有干法和湿法两大类, 干法为聚丙烯材料, 湿法为聚乙烯材料, UHMWPE电池隔离膜材料属于湿法工艺.
随着新能源汽车电池续航能力要求的提升, 对于三元电池需求增加, 而三元电池几乎都采用湿法隔膜, 即UHMWPE电池隔离膜. 这种隔膜厚度更薄, 均一性更好, 孔径大小更易控制, 更受市场青睐. '预计今后几年, 这种湿法隔膜将迎来扩产潮, 市场需求大幅增加. ' 左胜武说.
技术突破 面临难题
在新能源汽车的发展浪潮下, 资本大量涌入, 国内许多隔膜公司获得资本助力, 开始持续扩大生产规模, 新建产能, 目前国内已有近50家锂电池隔膜生产企业, 还在许多企业有新建或建扩装置的打算. 但由于国内锂电隔膜产业兴起相对较晚, 多数企业对隔膜的生产工艺掌握不够全面, 致使许多隔膜生产装置没能如期正常投产, 而且真正上规模量产的企业也比较少, 其主要原因在于国内尚没有完全掌握其生产技术.
目前国内隔膜厂商都在尝试突破国外技术壁垒, 开发UHMWPE锂电池隔膜生产技术, 但难度较大, 主要体现在以下几个方面:
一是传统隔膜制备工艺的知识产权基本被美国, 韩国, 德国和日本等少数国家垄断, 我国研发和生产起步较晚, 自主知识产权匮乏;二是国内企业对生产隔膜用到的上游原材料的研究不够深入, 至今仍没有实现隔膜用原料的完全国产化, 配方研究欠缺系统性, 生产出的隔膜一致性, 均匀性等比较差, 合格率偏低, 量产化难以实现;三是隔膜的制造工艺对设备要求苛刻, 设备运行和控制精度比较差, 直接影响到产品的性能, 国产设备一般难以满足需求, 但进口设备价格相对较高, 因此隔膜的产业化收到一定的设备限制.
原料国产化 曙光初现
左胜武介绍, 我国锂电池隔膜行业正处于高速发展的阶段, 据估计, 国内仅锂离子电池隔膜用UHMWPE的进口量就达到1万吨/年, 并且呈现迅猛增长的趋势. 但受技术水平限制, 目前国内隔膜企业所用UHMWPE原料还只能依靠进口.
扬子石化早在2010年前就跟踪前沿技术, 与国际石化巨头同步开展了新型锂电池隔膜专用聚烯烃原料的开发工作. 2013年, 扬子石化研究院完成了聚乙烯隔膜专用料的小试和中试研发, 开始了锂离子电池隔膜用UHMWPE专用料的工业化研发.
经过技术攻关, 扬子石化解决了专用催化剂的性能优化, 颗粒及形态控制, 产品指标一致性等难题, 2017年5月, 扬子石化首次实现了UHMWPE隔膜专用料YEV-4500的工业化试生产, 填补了国内空白, 成为国内首家成功开发锂电池隔膜料的生产企业, 打破了该产品完全依靠进口的局面, 首次试生产专用料100吨.
2018年4月, 扬子石化又实现了UHMWPE隔膜专用料YEV-5201T的工业化试生产, 试生产150吨. 目前, 扬子石化研究院已与国内某隔膜厂家洽谈并达成了合作开发意向, 相关科研评价工作正在顺利展开.
记者也了解到, 锂离子电池隔膜专用树脂研究已列入中石化重大项目之一——动力电池材料技术开发计划.
隔膜研发 任重道远
左胜武博士坦言, 尽管UHMWPE隔膜专用料已经实现了国产化, 但锂电池隔膜的研发依然任重道远.
隔膜原料的导入周期比较长, 合格的隔膜需要经过锂电池厂家的试用, 一次评价要3~6个月时间, 至少要通过3次评价, 才能得到正式认可. 同时, 隔膜要求的不断提高对原料的杂质含量, 批次质量一致性乃至颗粒形态的要求极高, 原料研发的周期长, 开发的难度大, 门槛高.
因此, 进一步提高UHMWPE隔膜的各项质量指标, 仍需隔膜原料开发, 隔膜生产和电池生产等上下游通力合作, 这也是我国电池业目前急需解决的问题.