1.1 鋰電池隔膜的基本介紹
鋰電池作由正極、負極、隔膜、電解液四個主要部分構成。
隔膜是一種具有微孔結構的薄膜,是鋰離子電池中的關鍵環(huán)節(jié),是鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中最具技術壁壘的關鍵內(nèi)層組件,成本占比約10%-20%,在鋰電池進行電解反應時,鋰電池隔膜可以用來分隔正極和負極防止短路現(xiàn)象的發(fā)生,同時允許電解質(zhì)離子自由通過。
鋰電池隔膜浸潤在電解液中,表面上有大量允許鋰離子通過的微孔,微孔的材料、數(shù)量和厚度會影響鋰離子穿過隔膜的速度,進而影響電池的放電倍率、循環(huán)壽命等性能。
鋰電池隔膜生產(chǎn)工藝復雜、技術壁壘高。
高性能鋰電池需要隔膜具有厚度均勻性以及優(yōu)良的力學性能(包括拉伸強度和抗穿刺強度)、透氣性能、理化性能(包括潤濕性、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、安全性)。
隔膜的優(yōu)異與否直接影響鋰電池的容量、循環(huán)能力以及安全性能等特性,性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。
鋰電池隔膜具有的諸多特性以及其性能指標的難以兼顧決定了其生產(chǎn)工藝技術壁壘高、研發(fā)難度大。
根據(jù)應用領域,鋰電池隔膜可分為動力類鋰電池隔膜、數(shù)碼類鋰電池隔膜和其他功能類隔膜。
在新能源汽車、儲能電站、航天航空、醫(yī)療及電子產(chǎn)品等領域,鋰電池隔膜的應用范圍最為廣泛。
聚烯烴是市場上通用的鋰電池隔膜材料,可為鋰電池隔膜提供良好的機械性和化學穩(wěn)定性,分類為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)復合材料。
其中,聚乙烯產(chǎn)品主要應用于三元鋰電池,聚丙烯產(chǎn)品主要應用于磷酸鐵鋰電池。
生產(chǎn)鋰電池隔膜的技術路線有干法單向拉伸工藝、干法雙向拉伸工藝和濕法工藝,由于干法 雙向拉伸工藝隔膜的性能較差,只能用于中低端電池,因此干法單向拉伸工藝和濕法工藝是目前主流制備工藝。
根據(jù)物理和化學特性,鋰電池隔膜可分為織造膜、非織造膜(無紡布)、微孔膜、復合膜、碾壓膜等。
1.2 隔膜技術發(fā)展路徑與展望
不同隔膜工藝在選材、厚度、微孔數(shù)量等性能上都有較大差異。
隔膜基膜制造根據(jù)微孔成孔機理主要分干法和濕法兩種,其中干法可分為單拉、雙拉兩種,濕法按照拉伸取向是否同時可以分為異步、同步兩種,同步法很均勻適合做消費電池,而異步法良品率高適合做動力電池。
干法隔膜通過拉伸造孔。
干法工藝將高分子聚合物、添加劑等原材料混合,制成均勻熔體擠出,在拉伸應力下,形成片晶結構,熱處理后獲得硬彈性的聚合物薄膜,之后在一定的溫度下再次拉伸,形成微孔,熱定型后制得微孔膜。
濕法隔膜通過萃取增塑劑造孔。
濕法工藝采用熱致相分離原理,將增塑劑與聚烯烴樹脂混合,熔融混合物降溫過程中發(fā)生固液相/液液相分離,壓制膜片并加熱至接近熔點溫度后,拉伸使分子鏈取向一致,保溫并用易揮發(fā)溶劑(二氯甲烷/三氯乙烯)將增塑劑從薄膜中萃取出來,進而制得隔膜。
濕法隔膜目前占了主流,因其可以做得更薄,使電池能力密度更高,濕法隔膜的代表公司主要是日本旭化成、東麗東燃、韓國 SKI、上海恩捷等。
隔膜生產(chǎn)工藝包括原材料配方和快速配方調(diào)整、微孔制備技術、成套設備自主設計等諸多工藝。
其中,微孔制備技術是鋰電池隔膜制備工藝的核心,目前商業(yè)化應用中主要是以聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)為主的微孔聚烯烴隔膜,按工藝可分為干法(基材以 PP 為主)和濕法(基材以 PE 為主)隔膜。
目前干法工藝主要包括干法單向拉伸和雙向拉伸兩種工藝。
相對于干法工藝,濕法工藝技術制備的隔膜微孔分布均勻性好,孔隙率高,親液性好,內(nèi)阻較低;同時閉孔溫度低,雙向拉伸強度高,可以制備較薄的隔膜(目前應用于動力電池的濕法隔膜普遍為 9-12um,而干法為 12-16um),契合鋰電池提升能量密度的趨勢。
但由于 PE 基材熔點較 PP 基材低,熱收縮性較干法隔膜差,厚度較薄情況下穿刺強度較差,難以直接應用于動力電池。
從產(chǎn)品性能來看,濕法隔膜綜合性能優(yōu)于干法。
相比干法隔膜,濕法工藝在產(chǎn)品特性上的優(yōu)勢在于:具有更好的孔隙結構一致性;更強的橫向拉伸強度;更優(yōu)異的抗穿刺強度;厚度更薄,更好的厚度一致性。
濕法隔膜除熱強度外優(yōu)勢明顯。
濕法隔膜在厚度上可達 5-7μm,符合鋰電池高能量、輕量化發(fā)展趨勢。但對于高能量密度的動力電池來說,厚度太低的薄膜會帶來更高的安全風險。
經(jīng)涂覆后,薄膜的穿刺強度、和耐熱性都有顯著改善,破膜溫度從 120℃提升至 160℃乃至 400℃,熱收縮率從 120℃的 3.4%以上提升至 130℃的 2%乃至 150 度的 3%以內(nèi),從而緩解動力電池快充放熱,隔膜熱收縮造成電池正負極接觸、燃燒、爆炸的安全問題。
經(jīng)涂覆后完全契合三元正極鋰電池。
由于聚烯烴大分子鏈的存在,無涂覆隔膜表面為低的表面能,對電解液親和性差。而涂覆材料,如陶瓷,主要成分為超細氧化鋁,其具有較大的比表面積,且為多孔結構,有利于與電 解液之間的親和,能增加隔膜與電解液的接觸面,吸液率從 116%增加至 190%,提升電容量,電池在反復充放電過程中保持良好電性能。
涂覆后的濕法隔膜大大提高了隔膜的穿刺強度,提高電池安全性,亦使薄膜顯示出更好的電解液親潤性,吸液率從 116%提升至 190%以上,促進電池循環(huán)性能,大幅度提高了電池使用壽命。
綜合來看,濕法涂覆隔膜相對于干法隔膜,具有更好的孔徑均勻度、孔隙率和透氣度。相對于濕法隔膜,顯著提升了其熱穩(wěn)定性、穿刺強度和熱穩(wěn)定性,是綜合性能與安全性的新型隔膜材料,成為三元材料電池隔膜的不二之選。
二、新能源汽車拉動隔膜出貨增長,濕法滲透率快速提升
2.1 新能源汽車高速增長,下游需求旺盛
國內(nèi)新能源汽車銷量高速增長。2021 年國內(nèi)新能源汽車銷量達到 352 萬輛,同比增長 157.5%,12 月份單月銷量達到 53 萬輛,創(chuàng)歷史新高。
從產(chǎn)品結構來看,新能源乘用車占據(jù)市場主體,2021 年新能源乘用車銷量 333.4 萬輛,同比增長 120.6%,占新能源總銷量比例接近 95%。新能源商用車銷量 18.6 萬輛,同比增長 54%。
2021年,我國動力電池裝機量154.5GWh,同比增長142.8%。12月份裝機量達到26.2GWh,創(chuàng)歷史新高,同比增長102.4%。
從市場份額來看,寧德時代繼續(xù)保持著較大的市場優(yōu)勢,2021年國內(nèi)市場份額52.1%。
磷酸鐵鋰電池受益于技術革新(CTP 技術、刀片技術等)滲透率快速提升,2021年國內(nèi)磷酸鐵鋰動力電池裝機量超過三元。
2021年國內(nèi)動力電池裝機量154.5GWh,其中磷酸鐵鋰電79.8GWh,占比51.7%。
2021年國內(nèi)磷酸鐵鋰電池裝機量同比增長118.5%,三元電池裝機量同比增84.7%。
隨著消費者購買熱情持續(xù)上升,加上部分消費者希望在2022年補貼退坡前,把握更加優(yōu)惠的新能源汽車購買價格,預計2022年全年國內(nèi)電動車銷量有望達到530萬輛,從增量結構來看,2022年的重要增量主要源于高端放量的延續(xù)以及中端價格帶的崛起。
隨著優(yōu)質(zhì)高端電動車型的爆發(fā),憑借響應速度快、加速體驗好、動力性能強等操控優(yōu)勢,以及智能化水平提升整體駕乘體驗,將吸引越來越多的高端消費人群向電動豪華車切換,而車企更多的產(chǎn)品條線的布局也在不斷完善,推出競爭力十足的產(chǎn)品。
2021年以來全球電動車市場表現(xiàn)搶眼,動力電池需求火爆,但隨即而然帶來的是原材料端的供需錯位,原材料價格大幅上漲,電池廠商成本不斷承壓,主要電池廠商毛利率出現(xiàn)了一定程度的下滑。
預計2022年動力電池成本壓力有望順利向下游車企傳導,電池廠商盈利能力有望得到改善。2022年國內(nèi)動力電池裝車量有望突破 270GWh。
2.2 隔膜出貨量快速提升,濕法制備成主流
目前隔膜主要包括兩大技術路線:濕法隔膜和干法隔膜。
目前,三元材料動力鋰電池基本采用濕法隔膜,而同樣需要不斷提高能量密度的磷酸鐵鋰電池亦有寧德、國軒等主流廠家選用濕法隔膜。
過去數(shù)年隨著能量密度相對更高的三元材料動力鋰電池出貨量占比的提升,濕法隔膜的出貨量占比也逐年提升。
根據(jù) GGII 統(tǒng)計,2021年,國內(nèi)隔膜產(chǎn)量 79 億平方米,同比增長112.5%,其中濕法隔膜產(chǎn)量60.6億平方米,占比76.7%,同比增長132%;干法隔膜產(chǎn)量18.44億平方米,占比23%,同比增長67.7%,而未來隨著儲能快速增長,將進一步帶來濕法和干法隔膜的增量市場。
在濕法隔膜市場,恩捷股份在國內(nèi)市占率高達 50.3%,中材科技和星源材質(zhì)位列二、三名。
干法隔膜市場,中興新材、星源材質(zhì)和惠強新材位列前三名。
濕法隔膜是高技術壁壘、高資金投入,建設周期較長的產(chǎn)品。并且生產(chǎn)設備依賴進口,包括日本制鋼所、德國布魯克納等。日本制鋼所的設備在濕法隔膜領域更領先,但其產(chǎn)能有限,無法匹配全球新能源汽車大發(fā)展對隔膜需求的增量,是目前擴產(chǎn)中比較大的制約因素之一,2022年濕法隔膜仍然供不應求,有望繼續(xù)保持高景氣度。
三、重點公司介紹
恩捷股份
公司于2006年成立,2011年公司完成股改后更名為云南創(chuàng)新新材料股份有限公司,并于2016年 9 月在深交所掛牌上市。
2018年 7 月,公司收購同一控制人旗下的上海恩捷 90.08%的股權,上市公司正式納入鋰電隔膜業(yè)務。
2018年 8 月公司成立全資子公司無錫恩捷、11 月上海恩捷收購江西通瑞;2020年 3 月公司完成對蘇州捷力 100%股權的收購,12 月完成對紐米科技 76.36%股權的收購;2020年進一步收購上海恩捷 5.14%的股權。
公司緊抓鋰電池隔離膜業(yè)務的行業(yè)發(fā)展機遇,濕法隔膜的產(chǎn)銷量持續(xù)穩(wěn)定增長,2021年隔膜銷量超過 30 億平,同比增長超 130%,公司在線涂覆隔膜 2021 年占比預計達到 30%以上,產(chǎn)品結構進一步優(yōu)化。
公司2022年產(chǎn)能規(guī)劃達到 50 億平以上,2022 年有望達到 75 億平,進一步提升市場競爭力。
公司已與寧德時代簽訂了2022年51.78億元的保供協(xié)議;與Ultium Cells簽訂了至2024 年的 2.58億美元采購合同;與中創(chuàng)新航簽訂了 2022 年合計不超過 25 億元的供應協(xié)議;與海外車企簽訂了 2022 至 2024 年合計不超過 16.5 億平米隔膜的供應協(xié)議。
海內(nèi)外優(yōu)質(zhì)客戶的大規(guī)模訂單可以保障公司新建產(chǎn)能的完全釋放以及規(guī)模化生產(chǎn)的效率提升。
星源材質(zhì)
公司成立于 2003 年,從事鋰離子電池隔膜研發(fā)、生產(chǎn)及銷售,是我國首家打破國外壟斷的鋰電池隔膜干法單拉技術的企業(yè)。
公司產(chǎn)品為鋰離子電池隔膜,包括干法,濕法和涂覆三類,廣泛應用于數(shù)碼類電池和動力電池,獲得了韓國 LG 化學、寧德時代、比亞迪、國軒高科、億緯鋰能、天津力神、孚能科技等國內(nèi)外知名的鋰離子電池廠商的供應能力。
公司 2021 年實現(xiàn)隔膜銷量 12.2 億平,同比增長 74.25%,銷售額 18.42 億元,同比增 長 109.71%,毛利率 37.75%,同比提升 6.47 個百分點。
子公司常州星源收入 7.05 億元, 同比增長 78.79%,凈利潤 1.29 億元,同比增長 65.36%。2021 年公司海外收入 3.95 億 元,同比增長 71.39%,毛利率 51.37%,同比提升 8.67 個百分點。
公司年產(chǎn) 36000 萬平方米鋰離子電池濕法隔膜產(chǎn)能已經(jīng)完成建設并開始批量供貨,超級涂覆工廠部分產(chǎn)能完成建設并向客戶大批量交貨。
中材科技
公司是國內(nèi)集玻纖與制品、風電葉片、鋰電隔膜業(yè)務于一體的復合材料龍頭。
公司是在南京玻纖研究設計院、北京玻璃鋼研究設計院和蘇州非金屬礦工業(yè)設計研究院三所科研院所基礎上改制而成的,2007 年 6 月,公司成立中材葉片子公司,正式進軍風電葉片領域,2016 年 4 月,公司完成收購泰山玻纖 100%股權,切入玻纖領域,同年成立子公司 中材鋰膜并正式進行產(chǎn)能大規(guī)模擴建。
2019年,公司子公司中材鋰膜增資并購湖南中鋰,鋰膜市場占有率快速提升。
2021年玻纖行業(yè)整體處于高景氣周期,公司銷售玻纖及制品 111 萬噸,泰山玻纖子公司營業(yè)收入 89.68 億元,同比增長 29.23%,凈利潤 28.94 億元。
公司玻纖資產(chǎn)量的擴張與技術突破值得期待。
2021年公司銷售隔膜 6.8 億平,同比增長 76%,收入 11.7 億元,凈利潤 0.88 億元。
鋰電隔膜業(yè)務屬于公司三大板塊業(yè)務中成長爆發(fā)力最強的業(yè)務,目前處于產(chǎn)能高速擴張階段,公司基膜產(chǎn)能超 10 億平米,目前南京基地、內(nèi)蒙二期、三期及滕州三期正在籌建中,預計新增產(chǎn)能 26 億平米,海外韓國兩大客戶已實現(xiàn)批量供貨,供應份額保持穩(wěn)定。