隔膜涂覆在技术上难度不高,使用凹版辊涂、浸涂、窄涂或喷涂等方式,国内主流厂商和大量代工厂都能够实现,一些电池厂如比亚迪、国轩高科也开展了自己的涂覆业务以完善本身的产业链结构。
凹版辊涂工艺是目前常用的涂覆方法,微凹版辊将浆料从浆料盒中带出,由定厚刮刀刮下多余涂料,然后在压力下涂覆到隔膜上。这种方法原理比较简单,凹版辊凹槽容量容易控制,产品精度较好。缺点是由于高硬度的氧化铝陶瓷颗粒作用,网纹辊容易磨损,会导致连续涂覆过程中涂层逐渐变薄,需要更换新辊;涂覆目标厚度改变时就需要更换辊,不能灵活调节。
窄缝挤压涂覆,简称窄涂,是通过一定压力将浆料从挤压嘴挤出涂覆到隔膜上的工艺,涂层厚度由挤压嘴缝宽和计量泵控制。这种工艺适用粘度范围广,产品精度好,可涂覆薄层,涂覆速度高,但挤压嘴的维修相对困难。
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静电纺丝法是通过电场力将浆料喷涂到隔膜上的工艺,给浆料带上电荷,在电场力作用下浆料突破表面张力,形成纳米丝喷射向隔膜。这种工艺有适用材料范围广,操作方便,比表面积大,孔隙率高,纤维丝均一性好,产率高等优点,但存在结晶度、取向度小,机械性能、力学性能差的缺点,需要通过热处理、共混等改性方式优化。
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据调研,涂覆工艺的损耗主要发生在分切步骤上,该步骤在工艺流程上的顺序因企业选择而异。例如上海恩捷使用的产线规模较大,采用先涂覆后分切的流程;鸿图隔膜的设备较小,采用先分切后涂覆的流程,两者主要损耗均在分切段,损耗量与分切次数相关。目前国内的隔膜涂覆厂商在涂覆损耗方面有很大提升空间,这与企业工艺的成熟性有关。
参考中国报告网发布《2017-2022年中国隔膜行业发展格局现状及十三五发展规划分析报告》
涂覆加工的设备目前基本需要进口,供给稳定,设备紧凑成套,一条产线需要投入 150-200 万元,产量约 400 万平米/年,对于同时具备基膜生产和涂覆加工能力的企业,一般每条基膜产线需要配套 10 条涂覆产线。涂覆隔膜的成本主要来自于浆料、设备折旧、人工、能源等,其中浆料是最为主要的成本。
以上的几种方法中,隔膜涂覆厂商大多采用凹版辊涂方法,原因是凹版辊涂的加工速度、精度均较高,工艺成熟,同时辊的加工、维护相对窄涂简单,成本较低。窄涂往往也被选作优选方案,因为该工艺精度高,加工速度快,粘度灵活性大,但窄涂的挤压嘴加工、维修相对困难,成本相对较高。
油性 vs 水性,各有优势
涂覆工艺根据浆料的区别可以分为水性涂覆和油性涂覆,两种工艺各有优势和缺点。 水性涂覆的浆料溶剂使用去离子水、乙醇、丙三醇等极性溶剂,使用后无需回收,环境污染小。但由于隔膜本身存在亲油性,会导致产品的均匀性和粘附性下降,产品可能出现透光点(涂覆厚度太薄)和暗点(涂覆厚度太厚),水性涂覆隔膜价格和产品定位相对较低。油性涂覆的浆料使用油性溶剂,如丙酮、NMP。该工艺中溶剂与粘结剂和隔膜本身亲和性好,产品的均匀性和粘附性较水性涂覆隔膜优秀,也更能减少透光点和暗点的发生,但油性溶剂价格高,污染较大,需要回收,成本较高,因此油性涂覆隔膜通常定位中高端。
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对于这两种涂覆工艺,目前国内主流涂覆厂商均在技术上可以实现,生产过程中对工艺的选择往往取决于对成本、产品定位和下游需求的考虑。国内下游电池厂通常会根据电池性能要求和价格选择水性涂覆,而国外知名厂商,尤其是在动力电池领域往往倾向于使用油性涂覆隔膜。
成本方面每平米水性涂料的成本在 1 块钱左右,不同的配方会有一定的价格波动,最多到 1.5 元;油性涂料成本,每平米 2 元多,溶剂成本较高,占了总成本很大一部分。主要原因是水性涂料的溶剂是水,较为便宜,对废气的处理成本较低。
对于一些特殊要求,采用油性和水性工艺相结合应用的方式。例如一些涂覆隔膜对孔隙率有一定要求,厂家就可能通过造孔工艺来满足需求:油性涂覆工艺,在浆料中按一定小比例添加造孔剂如水、乙醇、正丁醇、PVP 等极性材料,这些材料不溶于油性溶剂,分布相对集中,在涂覆完成后可以通过水洗溶解去除,留下孔道。
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使用造孔剂造孔能极大提升涂覆隔膜的离子迁移率,改善导电性能,但会降低其力学性能和机械性能,对于上述的几种极性材料,PVP 造孔隔膜抗拉伸能力最强,乙醇、正丁醇造孔隔膜次之,水造孔隔膜力学性能最差。
水性和油性涂覆的使用取决于下游电池厂商的需求和应用场景,一定时期内两种技术将并行发展。未来随着三元动力电池占比的上升,湿法涂覆隔膜可以在一定程度上提升电池的安全性能从而降低风险。而成本的持续下降,也使得涂覆隔膜被大多数锂电池企业所接受,使用比例将越来越高。
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