亟待攻克的核心技術(shù)
“也不知道這輛車的電池能堅(jiān)持多久?”
6月15日上午，望著窗外駛過(guò)的又一輛新能源汽車，南開(kāi)大學(xué)新能源材料化學(xué)研究所所長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師周震習(xí)慣性地自語(yǔ)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(chǔ)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(jìn)口”。
在周震等業(yè)內(nèi)專家看來(lái)，作為新能源車的“心臟”，國(guó)產(chǎn)鋰離子電池(以下簡(jiǎn)稱鋰電池)目前“跳”得還不夠穩(wěn)。
跨越太平洋的“四國(guó)游戲”
去年全球動(dòng)力電池銷量前10的企業(yè)中，中國(guó)企業(yè)就占了7席，在市場(chǎng)份額上超越日本，占據(jù)了世界第一位;預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)在全球電池市場(chǎng)所占的份額將達(dá)七成以上;目前我國(guó)電池生產(chǎn)企業(yè)已超過(guò)了200家，是全球擁有鋰電池生產(chǎn)企業(yè)最多的國(guó)家……然而這一串的數(shù)字，并沒(méi)有讓業(yè)內(nèi)人士覺(jué)得驕傲，不少人接受采訪時(shí)指出，雖然我國(guó)已經(jīng)形成了比較完善的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈，電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模夠大，但是還遠(yuǎn)稱不上強(qiáng)。
在鋰電池領(lǐng)域存在著一個(gè)跨越太平洋的“四國(guó)游戲”。“從行業(yè)角度來(lái)看，美國(guó)有比較強(qiáng)的研發(fā)設(shè)計(jì)能力，目前仍然引領(lǐng)鋰電池原始創(chuàng)新、核心材料研發(fā);日本作為電池材料制造大國(guó)，生產(chǎn)規(guī)范嚴(yán)格，能夠最先制造出新的成品電池;我國(guó)和韓國(guó)作為第二梯隊(duì)，后續(xù)跟進(jìn)……”周震解釋說(shuō)，“相較日、韓，我國(guó)的低端鋰電池產(chǎn)品更有優(yōu)勢(shì)，主要是由于人工和原始材料相對(duì)便宜，但是在部分高端產(chǎn)品，尤其是事關(guān)電池安全性的核心材料和制造工藝，仍有較大的差距。”
據(jù)了解，電池四大核心材料中，正、負(fù)極材料、電解液都已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，唯獨(dú)隔膜仍是短板。國(guó)產(chǎn)隔膜主要供應(yīng)低端3C類電池市場(chǎng)，高端隔膜目前依然大量依賴進(jìn)口。核心專利缺乏，隔膜等關(guān)鍵材料不給力，不僅成了國(guó)產(chǎn)鋰電池難以承受之痛，也拖了國(guó)產(chǎn)鋰電池企業(yè)“走出去”的后腿。
天津力神電池一位負(fù)責(zé)人在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，鋰電池最前沿的三元材料，核心專利掌握在美國(guó)3M公司和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的手中，3M公司持有常規(guī)化學(xué)計(jì)量比的NMC材料的專利，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(gòu)買相關(guān)專利授權(quán)。“國(guó)內(nèi)鋰電池企業(yè)眾多，未來(lái)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，面對(duì)國(guó)際巨頭競(jìng)爭(zhēng)，缺乏核心專利和材料技術(shù)是中國(guó)電池企業(yè)未來(lái)最大的隱憂和短板。”該負(fù)責(zé)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(guān)鍵組件之一，隔膜主要材質(zhì)為多孔質(zhì)的高分子膜，包括聚乙烯及聚丙烯。鋰電池用的隔膜對(duì)安全性、滲透性、孔隙度及厚度都有嚴(yán)苛的要求。
“在鋰電池內(nèi)部，帶有電荷的離子，在正負(fù)極間流動(dòng)穿梭，才能形成電流，而隔膜位于電池內(nèi)部正負(fù)極之間，既要防止正、負(fù)極直接接觸，又要確保電解質(zhì)離子順利通行。”周震形象地解釋說(shuō)，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(gè)個(gè)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(dá)正負(fù)極，完成充放電的循環(huán)。
“高端的隔膜一般附帶有陶瓷材料，如果電解液溫度過(guò)高，材料膨脹，孔隙會(huì)像閘門一樣關(guān)閉，切斷離子交流，從而避免電池因溫度過(guò)高而起火爆炸。”周震介紹說(shuō)，隔膜是鋰電材料中技術(shù)壁壘最高的一種材料，其技術(shù)難點(diǎn)在于造孔的工程技術(shù)、基體材料，以及制造設(shè)備。“技術(shù)要求高，價(jià)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(xué)兩家日本公司，而國(guó)內(nèi)鋰電池鋁塑膜市場(chǎng)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(guó)的高端隔膜差距明顯。國(guó)產(chǎn)隔膜產(chǎn)品一致性不高，存在孔隙率不達(dá)標(biāo)，厚度、孔隙分布以及孔徑分布不均等問(wèn)題。
隔膜的品質(zhì)直接影響電池容量、充放電循環(huán)壽命、阻燃止爆安全性能等指標(biāo)。業(yè)內(nèi)人士感慨：“一層隔膜兩重天，邁過(guò)去就是晴天!”
國(guó)產(chǎn)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(guó)在干法工藝上已邁入了世界第一方陣，但在濕法隔膜領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)企業(yè)雖掌握方法，但整體仍難以與外國(guó)巨頭抗衡，此外，核心生產(chǎn)設(shè)備也主要依賴進(jìn)口。
數(shù)據(jù)顯示，2017年，國(guó)內(nèi)鋰電市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了1130億元左右，其中動(dòng)力鋰電池規(guī)模大約600億元。而國(guó)家工信部印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》也顯示，到2020年我國(guó)純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬(wàn)輛/年。有電池行業(yè)協(xié)會(huì)據(jù)此估算，我國(guó)未來(lái)每年需要的高品質(zhì)車用動(dòng)力電池隔膜材料需求量將達(dá)到數(shù)億平方米。
“鋰電池發(fā)展要想不受制于人，隔膜等高端材料無(wú)法回避!”天津巴莫股份有限公司總經(jīng)理吳孟濤認(rèn)為，如此巨大的市場(chǎng)需求，完全依賴外國(guó)廠商，不僅不現(xiàn)實(shí)，也將是國(guó)產(chǎn)動(dòng)力鋰電池最大隱憂。
高端隔膜技術(shù)具有相當(dāng)高的門檻，不僅要投入巨額的資金，還需要有強(qiáng)大的研發(fā)和生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)、純熟的工藝技術(shù)和高水平的生產(chǎn)線。“對(duì)于濕法制造工藝來(lái)說(shuō)，樹(shù)脂材料與添加劑的擠出混合過(guò)程以及拉伸過(guò)程是兩大核心難點(diǎn)。”周震認(rèn)為，國(guó)內(nèi)隔膜企業(yè)要想有更大的作為，必須要在基礎(chǔ)材料表面處理工藝、膠粘劑配方工藝、產(chǎn)品沖壓拉伸等涉及材料、設(shè)備和工藝控制等三大領(lǐng)域“補(bǔ)課”，此外，在隔膜產(chǎn)業(yè)鏈上游，包括國(guó)產(chǎn)涂布機(jī)等在內(nèi)核心生產(chǎn)裝備也需要迎頭趕上，盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化更大突破。
“好比登山，離山頂越近成功登頂?shù)南Ｍ驮酱螅@時(shí)需要付出的努力也多!”周震說(shuō)道。
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