近期, 中國石油和化學工業聯合會科技與裝備部通過調研總結出石油和化工行業的十大技術需求. 這些事關新材料, 新能源, 資訊通訊等高新技術產業發展的關鍵技術, 目前在研發或產業化上還存在掣肘, 亟待突破, 是行業未來一個時期的科研開發重點. 本版從今日起推出《石油和化工行業十大急需技術》系列報道, 將這些技術的發展現狀與關鍵問題與讀者分享.
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)鋰電池隔膜是目前最具競爭力的隔膜材料之一. 近年來, 隨著新能源汽車電池續航能力要求的不斷提升, UHMWPE鋰電池隔膜需求量也迅速增加, 迎來擴產潮. 同時其較高的毛利潤也使隔膜廠商對生產技術的研發熱情有增無減, 都在嘗試突破國外技術壁壘, 掌握自主製備工藝.
性能優越 需求增加
鋰離子電池隔膜是鋰電池中關鍵的內層組件, 能夠影響鋰電池的容量, 迴圈性能和充放電電流密度等關鍵性能, 處於新能源汽車產業鏈的上遊部分. 一般來說, 根據隔膜的主要功能, 隔膜在安全性和通過性上對性能要求較高. UHMWPE鋰離子電池隔膜正好具有在高溫下能保持尺寸穩定性, 抗外力穿刺能力強等優點.
揚子石化研究院塑料加工中心左勝武博士介紹, 目前國內隔膜的生產工藝主要有幹法和濕法兩大類, 幹法為聚丙烯材料, 濕法為聚乙烯材料, UHMWPE電池隔離膜材料屬於濕法工藝.
隨著新能源汽車電池續航能力要求的提升, 對於三元電池需求增加, 而三元電池幾乎都採用濕法隔膜, 即UHMWPE電池隔離膜. 這種隔膜厚度更薄, 均一性更好, 孔徑大小更易控制, 更受市場青睞. '預計今後幾年, 這種濕法隔膜將迎來擴產潮, 市場需求大幅增加. ' 左勝武說.
技術突破 面臨難題
在新能源汽車的發展浪潮下, 資本大量湧入, 國內許多隔膜公司獲得資本助力, 開始持續擴大生產規模, 新建產能, 目前國內已有近50家鋰電池隔膜生產企業, 還在許多企業有新建或建擴裝置的打算. 但由於國內鋰電隔膜產業興起相對較晚, 多數企業對隔膜的生產工藝掌握不夠全面, 致使許多隔膜生產裝置沒能如期正常投產, 而且真正上規模量產的企業也比較少, 其主要原因在於國內尚沒有完全掌握其生產技術.
目前國內隔膜廠商都在嘗試突破國外技術壁壘, 開發UHMWPE鋰電池隔膜生產技術, 但難度較大, 主要體現在以下幾個方面:
一是傳統隔膜製備工藝的智慧財產權基本被美國, 韓國, 德國和日本等少數國家壟斷, 我國研發和生產起步較晚, 自主智慧財產權匱乏;二是國內企業對生產隔膜用到的上遊原材料的研究不夠深入, 至今仍沒有實現隔膜用原料的完全國產化, 配方研究欠缺系統性, 生產出的隔膜一致性, 均勻性等比較差, 合格率偏低, 量產化難以實現;三是隔膜的製造工藝對設備要求苛刻, 設備運行和控制精度比較差, 直接影響到產品的性能, 國產設備一般難以滿足需求, 但進口設備價格相對較高, 因此隔膜的產業化收到一定的設備限制.
原料國產化 曙光初現
左勝武介紹, 我國鋰電池隔膜行業正處於高速發展的階段, 據估計, 國內僅鋰離子電池隔膜用UHMWPE的進口量就達到1萬噸/年, 並且呈現迅猛增長的趨勢. 但受技術水平限制, 目前國內隔膜企業所用UHMWPE原料還只能依靠進口.
揚子石化早在2010年前就跟蹤前沿技術, 與國際石化巨頭同步開展了新型鋰電池隔膜專用聚烯烴原料的開發工作. 2013年, 揚子石化研究院完成了聚乙烯隔膜專用料的小試和中試研發, 開始了鋰離子電池隔膜用UHMWPE專用料的工業化研發.
經過技術攻關, 揚子石化解決了專用催化劑的性能優化, 顆粒及形態控制, 產品指標一致性等難題, 2017年5月, 揚子石化首次實現了UHMWPE隔膜專用料YEV-4500的工業化試生產, 填補了國內空白, 成為國內首家成功開發鋰電池隔膜料的生產企業, 打破了該產品完全依靠進口的局面, 首次試生產專用料100噸.
2018年4月, 揚子石化又實現了UHMWPE隔膜專用料YEV-5201T的工業化試生產, 試生產150噸. 目前, 揚子石化研究院已與國內某隔膜廠家洽談並達成了合作開發意向, 相關科研評價工作正在順利展開.
記者也了解到, 鋰離子電池隔膜專用樹脂研究已列入中石化重大項目之一——動力電池材料技術開發計劃.
隔膜研發 任重道遠
左勝武博士坦言, 儘管UHMWPE隔膜專用料已經實現了國產化, 但鋰電池隔膜的研發依然任重道遠.
隔膜原料的導入周期比較長, 合格的隔膜需要經過鋰電池廠家的試用, 一次評價要3~6個月時間, 至少要通過3次評價, 才能得到正式認可. 同時, 隔膜要求的不斷提高對原料的雜質含量, 批次質量一致性乃至顆粒形態的要求極高, 原料研發的周期長, 開發的難度大, 門檻高.
因此, 進一步提高UHMWPE隔膜的各項質量指標, 仍需隔膜原料開發, 隔膜生產和電池生產等上下遊通力合作, 這也是我國電池業目前急需解決的問題.