近年來，隨著鋰電池產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場對(duì)鋰電池性能上的要求也越來越高。鋰電池的安全性、大功率的充放電、續(xù)航里程的提升等一系列問題也隨之出現(xiàn)。而對(duì)鋰電池中的每個(gè)材料進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)換代必定會(huì)成為解決這些問題的突破口。

 

       無紡布隔膜，很有可能是現(xiàn)有聚烯烴類隔膜升級(jí)換代的一個(gè)重要方向。

 

       無紡布隔膜的一些基礎(chǔ)特點(diǎn)，尤其是和傳統(tǒng)PP\PE隔膜相比所具有的優(yōu)勢(shì)（比如快充、安全性等一些優(yōu)勢(shì)），決定了它在鋰電池今后所應(yīng)用的隔膜材料中應(yīng)該占有一席之地。

 

       目前，已有多家電池廠商對(duì)無紡布隔膜表現(xiàn)出了濃厚的興趣，也有部分電池廠商正在試用這類產(chǎn)品并且取得了良好的反饋。

 

 

◤ 無紡布隔膜與傳統(tǒng)隔膜的區(qū)別

 

       首先，從材料上來看，PP/PE和無紡布（這里指的是PET無紡布）都使用了不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的高分子材料。簡單來說，PP/PE的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在常溫以下，隨著溫度的上升，膜的材料會(huì)變得越來越柔軟（嚴(yán)格來說，是分子在局部加速運(yùn)動(dòng)的溫度）。

 

       例如，電池內(nèi)部溫度在大約60℃進(jìn)行充放電時(shí)，電極會(huì)反復(fù)膨脹、收縮，PP/PE隔膜在受到反復(fù)收縮應(yīng)力的影響下，孔隙率會(huì)漸漸變少。

 

       然而，使用PET無紡布的情況下，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在80℃以上，隨著溫度的上升不但不會(huì)變得柔軟，還能很好的保持穩(wěn)定的孔隙率，使電池的循環(huán)壽命更長。

 

       實(shí)際上，同樣的現(xiàn)象在鎳氫電池的使用中已經(jīng)得到驗(yàn)證。

 

       高倍率的鎳氫電池工作時(shí)，電池內(nèi)部溫度會(huì)超過100℃時(shí)，使用一般的隔膜，或是一般尼龍材質(zhì)的隔膜，在D型電池200A放電的條件下，僅進(jìn)行數(shù)次充放電循環(huán)，隔膜就會(huì)很快劣化。

 

       如果使用高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的特殊尼龍材質(zhì)的隔膜，則電池的壽命會(huì)有飛躍性的提升，三洋電機(jī)已發(fā)表過這項(xiàng)研究結(jié)果。

 

       今后，很多事實(shí)會(huì)在試驗(yàn)中不斷地被驗(yàn)證，就像當(dāng)初，由玻纖制成的無紡布隔膜，也可以應(yīng)用在鋰離子電池里，還有PP/PE微孔膜，在最初也被認(rèn)為孔徑及孔隙率大，但當(dāng)時(shí)的鋰離子電池主要應(yīng)用于相機(jī)和手機(jī)上，對(duì)隔膜的要求是厚度薄，且具有閉孔功能，致使微孔膜的發(fā)展占有一定的優(yōu)勢(shì)。

 

 

◤ 無紡布隔膜具體應(yīng)用

 

       無紡布的厚度無法做到很薄，目前能夠量產(chǎn)的最薄無紡布隔膜是由纖維素制成的，厚度為12-15μm，并且孔徑最小化很難實(shí)現(xiàn)。

 

       另外，要增加閉孔功能的話，還會(huì)再增加2-3元/平米的成本。但是儲(chǔ)能和動(dòng)力電池沒有必要增加閉孔功能，所以，無紡布隔膜適用于大型電池，最適合大型、長循環(huán)壽命要求的儲(chǔ)能和動(dòng)力電池。

 

       同樣的現(xiàn)象，從鉛酸電池也可以解釋。小型的鉛酸電池，使用的是微細(xì)玻璃纖維制成的孔徑較小的隔膜，而幾百Ah以上的大型鉛酸電池所使用的隔膜，則是孔徑非常大的隔膜。

 

       目前無紡布隔膜是處于小批量生產(chǎn)階段，還沒大批量被使用。但是已經(jīng)有很多電池廠商對(duì)此表現(xiàn)出了很大的興趣，并且有的已經(jīng)在中試的過程中。

 

 

◤ 無紡布隔膜前景

 

       相較3C數(shù)碼，儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池領(lǐng)域的成長空間更大，因?yàn)樗浅＿m合單體大容量電池，比如20-30Ah單體更大容量的電池將會(huì)更多采用無紡布隔膜，尤其在大型儲(chǔ)能、EV車，PHEV車等都會(huì)被更廣泛地使用，預(yù)計(jì)到2020年，無紡布隔膜大約有1億平米的用量。

 

 

 

◤ 無紡布隔膜目前的制造難點(diǎn)以及解決方法

 

       目前無紡布隔膜最大的難點(diǎn)主要在硬件設(shè)備導(dǎo)致的生產(chǎn)效率不高的問題上。

 

       傳統(tǒng)隔膜的生產(chǎn)速度大約在為30-50米每分鐘，假定2米寬幅時(shí)傳統(tǒng)隔膜生產(chǎn)速度為60-100平米每分鐘，3米寬時(shí)為100-150平米每分鐘的情況下，而無紡布的最大速度可以到達(dá)200平方米每分鐘。

 

       而要想達(dá)到這樣的生產(chǎn)效率，能夠解決的辦法之一，是日本信州大學(xué)金翼水教授利用靜電紡絲技術(shù)開發(fā)了能夠連續(xù)成膜的方法，機(jī)體寬幅為3.8米、長度為80米以上的靜電紡絲設(shè)備，可以大大改善靜電紡絲的量產(chǎn)效率，也同樣適用于其它類型的無紡布隔膜生產(chǎn)。

 

       從成本上來說，制造過程中需要根據(jù)隔膜的孔徑、厚度、均勻度，來采用相匹配的纖維。一般來說纖維越細(xì)，成本越高。納米級(jí)別直徑的PET纖維，成本為1萬日元/kg（人民幣約600元/公斤）以上。如果用該級(jí)別的纖維作為無紡布隔膜的材料，成本約為100日元（人民幣約6元）每平米以上。

 

       另外一種方法是將現(xiàn)有的纖維研磨得更細(xì)，這種方法已經(jīng)應(yīng)用于超級(jí)電容器的隔膜制造上。纖維研磨方式也可適用于鋰電池，但要具體根據(jù)情況，決定是否需涂布陶瓷涂層。相信今后還會(huì)有更多的技術(shù)被應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域。

 

 

◤ 關(guān)于無紡布隔膜成本

 

       普通PET纖維的價(jià)格為20-150元/kg，最貴的可達(dá)600元/kg以上。PI纖維為30-50元/kg。

 

       無紡布隔膜一半以上的成本為纖維，1平米使用10g的纖維的情況下，普通纖維的成本約為0.2-1.5元每平米，基本和傳統(tǒng)隔膜的成本大體相當(dāng)，如果使用納米級(jí)的纖維的成本約為5-6元每平米。

 

       所以無紡布隔膜的成本根據(jù)纖維的構(gòu)成變化而改變，使用粗纖維成本很低，使用納米級(jí)的纖維則成本很高。

 

       成本降低的方式有很多種，比如提高生產(chǎn)效率，提高良品率，改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，在厚度方面不能一味地追求太薄。

 

 

◤ 不同原材料制造的無紡布隔膜有哪些差異

 

       不同原材料制造的無紡布隔膜有很多的不同之處，最顯著的不同，是耐熱性能，比如芳綸、間位芳綸可以達(dá)到420℃左右的熔融分解溫度，對(duì)位芳綸可以承受600℃。而PET的耐熱性可達(dá)到200℃以上，能夠很好地適用于普通的鋰離子電池。

 

 

       其次，還有纖維粗細(xì)的不同，芳綸的纖維無法做細(xì)，成本也很高。PET的纖維可以做到很細(xì)，強(qiáng)度也較強(qiáng)。纖維素的話，纖維越細(xì)強(qiáng)度越低，且無法承受高電壓，但是纖維素的價(jià)格便宜，容易被磨碎成亞微米級(jí)別的尺寸。

 

       另外，特殊的纖維素在被磨碎后，其斷面為微米級(jí)別的圓形，能形成低密度的薄片，因此可以廣泛適用于需要高倍率輸出的LTO電池和超級(jí)電容器。PI纖維無法做細(xì)，成本很高。

 

       經(jīng)常有人會(huì)說到，PET在電池中會(huì)分解，不是很適用，這是由于電池中產(chǎn)生了水分和負(fù)極表面形成的枝晶直接接觸到PET纖維而造成的。如果在PET無紡布表面涂覆陶瓷或PVDF，就能有效杜絕該問題的發(fā)生。

 

 

◤ 目前海內(nèi)外無紡布隔膜量產(chǎn)的企業(yè)有哪些

 

       不完全統(tǒng)計(jì)，從事纖維素?zé)o紡布隔膜量產(chǎn)的公司，日本有2-4家，美國有1家。日本的企業(yè)有日本高度紙工業(yè)、廣瀨制紙和三菱制紙，日本高度紙工業(yè)的纖維素隔膜，每年有2、3千萬平米的銷量，廣瀨制紙和三菱制紙約為每年1千萬平米左右。

 

       鋰電方面，唯一量產(chǎn)是日本高度紙工業(yè)，在LTO電池領(lǐng)域每年有2、3千萬平米的出貨量，銷售額為每年數(shù)億日元。

 

       另外，從事研發(fā)和生產(chǎn)陶瓷涂覆無紡布隔膜的公司，歐洲有科德寶和德固賽，中國除了駿東科技以外，還有從事靜電紡絲PI隔膜的江西先材。

 

 

◤ 哪些汽車廠在使用無紡布隔膜？效果如何？

 

       最初將無紡布涂覆陶瓷作為隔膜使用的是德國的德固賽（Degussa）公司（即后來的Evonik，現(xiàn)在已被Electovaya公司所收購）。

 

       德固賽（Degussa）公司和日本的ENAX公司（日本的電池之父小澤博士設(shè)立的公司），共同開發(fā)隔膜時(shí)，就對(duì)無紡布陶瓷隔膜能否用于電池上進(jìn)行了驗(yàn)證。

 

       實(shí)際上，當(dāng)時(shí)在公交車和火車上驗(yàn)證了無紡布陶瓷隔膜的安全性。但是ENAX公司的無紡布隔膜產(chǎn)品到目前為止還沒有具體應(yīng)用，日本目前只有在LTO電池領(lǐng)域，估計(jì)每年有2、3千萬平米的用量。

 

       在電動(dòng)汽車方面，德固賽公司和戴姆勒公司聯(lián)合成立了LiTech公司，電池產(chǎn)品搭載于戴姆勒公司的小型電動(dòng)車Smart。其安全性非常優(yōu)越，但是據(jù)說沒有得到大力推廣的問題在于量產(chǎn)規(guī)模小，電池成本過高，并且戴姆勒公司已經(jīng)停止該項(xiàng)目的投資，沒有繼續(xù)使用了。

 

 

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