Informe especial sobre la industria de separadores de baterías de litio

El separador de la batería es uno de los materiales de las baterías de litio

Separador de bateríaEl material del cátodo, el material del ánodo y el electrolito son los componentes más importantes de la tecnología de iones de litio. materiales para bateríasque representan alrededor del 4% del coste total de los materiales de las baterías de litio. El separador de la batería de litio tiene un gran número de microporos tortuosos y pasantes, que pueden garantizar el paso libre de los iones del electrolito para formar un circuito de carga-descarga. Su función principal es aislar el cátodo y el ánodo y evitar que la batería entre en cortocircuito.

Al mismo tiempo, se garantiza que los iones de litio atraviesen normalmente el canal microporoso durante la carga y la descarga para asegurar el funcionamiento normal de la batería. El rendimiento del separador de la batería determina las características clave de las baterías de iones de litio, como la resistencia interna, la capacidad, el rendimiento del ciclo y la densidad de corriente de carga-descarga.

En la actualidad, los separadores de baterías de litio comerciales son principalmente separadores de polietileno (PE), separadores de polipropileno (PP) y membranas microporosas multicapa compuestas de PE y PP. El separador de baterías de PE tiene una gran resistencia y un amplio rango de procesamiento. El separador de PP tiene alta porosidad, permeabilidad al aire y propiedades mecánicas. Las pilas 3C ordinarias utilizan principalmente separadores de una capa de PE o separadores de una capa de PP.

Las baterías de energía suelen utilizar separadores de doble capa PE/PP, separadores de doble capa PP/PP o separadores de triple capa PP/PE/PP. Sin embargo, los separadores de poliolefina presentan deficiencias muy evidentes, como una estabilidad térmica y una humectabilidad al electrolito insuficientes, lo que hace que el revestimiento y la modificación de los separadores de poliolefina se conviertan en la dirección de tendencia.

Proceso de producción del separador de baterías

El proceso de producción del separador de baterías se divide principalmente en dos categorías: método húmedo y método seco. El proceso de producción del separador de baterías de iones de litio incluye la formulación de materias primas y el ajuste rápido de la formulación, la tecnología de preparación microporosa y el diseño independiente de conjuntos completos de equipos. Entre ellos, la tecnología de preparación de microporos es el núcleo del proceso de preparación del separador de baterías de iones de litio, que puede dividirse en dos tipos: estiramiento en seco y estiramiento en húmedo según el tipo de proceso.

Los separadores secos tienen una gran seguridad y un bajo coste, por lo que se utilizan sobre todo en las grandes baterías de litio con fosfato de hierro. El separador por vía húmeda tiene una mayor uniformidad del tamaño de los poros y una mayor permeabilidad al aire debido a su menor espesor y mayor porosidad. En comparación con el separador seco, presenta ciertas ventajas en cuanto a propiedades mecánicas, permeabilidad al aire y propiedades físicas y químicas, por lo que se utiliza más en baterías ternarias que prestan atención a la densidad energética.

El revestimiento del separador consiste en mezclar y agitar óxido de aluminio, aglutinante y agua desionizada en el separador original de la batería de iones de litio para formar una lechada. El revestimiento por extrusión de micrograbado se utiliza para hacer una capa o dos capas de superficies cerámicas sobre el sustrato separador. El separador cerámico añade la resistencia mecánica de la película original, lo que hace que la batería muestre un excelente rendimiento en términos de resistencia a altas temperaturas, resistencia a la perforación y reducción del grosor.

Al mismo tiempo, no afectará a la permeabilidad al aire y garantizará el flujo de iones de litio, mejorando así la seguridad. El proceso de revestimiento no sólo puede mejorar la estabilidad térmica del separador de la batería, mejorar su resistencia mecánica, sino también evitar el contacto de gran superficie entre el cátodo y el ánodo causado por la contracción del separador de la batería. También puede mejorar la resistencia a la perforación del separador y evitar el cortocircuito causado por la dendrita de litio que perfora el separador en condiciones de ciclo a largo plazo de la batería.

Al mismo tiempo, el proceso de revestimiento es beneficioso para mejorar la retención de líquidos y la humectabilidad del separador de la batería, prolongando así la vida útil del ciclo de la batería. Los materiales de revestimiento pueden dividirse en inorgánicos y orgánicos. Los materiales inorgánicos incluyen principalmente la cerámica, y los orgánicos, el PVDF y la aramida. En general, los materiales cerámicos son relativamente baratos y se utilizan más en baterías eléctricas, mientras que la aramida es más cara y se utiliza principalmente en electrónica de consumo.

Tres características de la industria de separadores de baterías

● Activos pesados y elevados requisitos de equipamiento

La industria de separadores de baterías de litio es una industria típica de activos pesados, y la proporción de activos fijos ocupa el primer lugar entre las cuatro principales. La inversión en equipos es grande y el periodo de amortización es largo. En términos de periodo de amortización, el de la industria de separadores de baterías es más largo, ligeramente superior al de la industria de cátodos, que es de unos 8 años. La producción de separadores de baterías tiene grandes exigencias en cuanto a la selección de los equipos de producción.

Es necesario personalizar las líneas de producción de equipos en función de los distintos procesos de producción. La producción es difícil, y los diferentes equipos y procesos de producción pueden afectar directamente a las propiedades físicas y químicas integrales del separador de baterías. En la actualidad, en China se ha completado básicamente la localización de equipos de producción de separadores en seco. El equipo de producción de separadores húmedos para baterías de litio es complejo y depende principalmente de las importaciones.

Dirigir empresas de separadores de baterías mantienen un estrecho contacto con los fabricantes de equipos, y las empresas vinculan la capacidad de producción de los proveedores de equipos de alta calidad. Al mismo tiempo que vinculan la capacidad de producción de los proveedores de equipos de alta calidad, las empresas líderes también están intensificando la localización de equipos en China. Al mismo tiempo, los fabricantes chinos también están intensificando la autoinvestigación.

La línea de producción de separadores de baterías de iones de litio por vía húmeda de desarrollo propio ha resuelto los problemas de gran inversión, alto consumo de energía, largo período de construcción y gran contaminación ambiental de las líneas de producción de separadores de baterías de iones de litio por vía húmeda de estiramiento biaxial. La tasa de producción nacional de equipos de separación húmeda en China seguirá aumentando en el futuro, y las empresas líderes intensificarán la localización de equipos, y el coste de adquisición de los equipos correspondientes podrá reducirse aún más en el futuro.

● Muchos flujos de procesos, bajo rendimiento y alto beneficio bruto.

La industria de separadores de baterías tiene procesos más complicados y más pérdidas. En comparación con otros materiales, hay muchos eslabones que causan pérdidas significativas en el flujo del proceso de la industria de separadores de baterías, y sigue habiendo pérdidas en el proceso después de la producción del rollo principal. El rollo maestro debe cortarse de acuerdo con las especificaciones del producto, este proceso producirá una pequeña cantidad de esquinas y una cierta pérdida durante el proceso de recubrimiento de la película base.

La mayor dificultad de fabricación conduce a una tasa de rendimiento relativamente baja y a barreras industriales relativamente altas en la industria de separadores de baterías. El rendimiento global de otros materiales es superior al de la industria de separadores de baterías, por lo que, desde el punto de vista de las barreras industriales, la industria de separadores de baterías tiene barreras relativamente altas, y la diferencia de nivel técnico afectará en gran medida a la competitividad y el nivel de beneficios de las empresas. La tasa de rendimiento y los factores de umbral del proceso conducen a un alto margen de beneficio bruto en la industria de los diafragmas.

● La película base se basa en la cantidad, y el revestimiento se basa en el proceso y la patente

El núcleo de la competencia en membranas de sótano: ganar por cantidad. Los principales costes de la industria de separadores de baterías son las materias primas, los costes de amortización, los costes de mano de obra, la energía del combustible, etc. Debido a la gran homogeneidad de la película base del separador de baterías, el coste disminuye significativamente después de la escala. Si tomamos como ejemplo las materias primas, las principales materias primas de la película base son el PP y el PE. Cuando el volumen de compra de las empresas de separadores de baterías sea grande, mejorará la capacidad de negociación de precios con los fabricantes de materias primas a granel.

El proceso de revestimiento es diverso, con procesos y patentes como núcleo. El revestimiento de separadores de baterías adopta sobre todo métodos de investigación y desarrollo personalizados y conjuntos, cuyo núcleo radica en la formulación y el proceso, y las patentes de revestimiento están controladas principalmente por grandes empresas como LG.

La demanda de separadores de baterías sigue aumentando

La demanda de baterías de iones de litio está creciendo a un ritmo elevado con neutralidad de carbono. Los separadores de baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en vehículos de nueva energía, centrales de almacenamiento de energía, bicicletas eléctricas, herramientas eléctricas, productos electrónicos digitales y otros campos. Las baterías de iones de litio pueden dividirse en tres escenarios de uso principales en los campos de las baterías de potencia, el almacenamiento de energía y la electrónica de consumo. En los últimos años, la industria derivada de las baterías de litio se ha desarrollado rápidamente.

En el campo de las baterías eléctricas, en un contexto de fuerte apoyo político y creciente aceptación por parte de los consumidores, las ventas de vehículos de nueva energía siguen aumentando, lo que impulsa el rápido crecimiento del mercado de baterías eléctricas. En el campo del almacenamiento de energía, la generación de nuevas energías se ha desarrollado rápidamente como tecnología de generación de energía limpia. Sin embargo, destaca la contradicción entre la volatilidad de las nuevas energías y la seguridad de la red eléctrica.

El desarrollo del almacenamiento de energía se ha convertido en la clave para resolver el problema de la adecuación entre la oferta y la demanda de energía. En el campo de la electrónica de consumo, la demanda de baterías de iones de litio de consumo seguirá siendo fuerte en el futuro a medida que se impulse el mercado de productos electrónicos en los países en desarrollo y crezca la demanda de productos electrónicos emergentes. El rápido desarrollo del mercado descendente ha impulsado el rápido crecimiento de toda la industria de separadores de baterías de iones de litio.

El volumen de envío de separador de batería ha crecido significativamente, y la concentración del mercado es alta. Según las estadísticas, los envíos de separadores de baterías de litio de China serán de 7.800 millones de metros cuadrados en 2021, un aumento interanual de más de 100%. Los fabricantes chinos de separadores de baterías ya son competitivos a nivel mundial. En 2021, el mercado chino de separadores de baterías se verá afectado por el alto crecimiento de la demanda mundial de vehículos de nueva energía y el alto crecimiento del mercado de almacenamiento de energía, y la tasa de crecimiento de los envíos será obvia.

La oferta y la demanda de las empresas de separadores de baterías se encuentran en un estrecho equilibrio, y la oferta mundial de separadores de baterías está dominada por China. Por un lado, en los últimos años, debido a la guerra de precios en la industria de separadores de baterías, la estructura actual de la industria es relativamente estable, y la oferta y la demanda de separadores de baterías se encuentran en un estrecho equilibrio. De acuerdo con el actual ritmo de expansión de la producción, los fabricantes de equipos de separadores de baterías superpuestos restringen la liberación de capacidad de producción. Se espera que los separadores de baterías mundiales mantengan un estrecho equilibrio durante al menos 2-3 años.

Por otro lado, la capacidad de producción mundial sigue concentrándose en China, y la capacidad de producción china se concentra en las empresas líderes. Desde la perspectiva del patrón de competencia del mercado mundial, en 2021, el 73,8% de la cuota de mercado de separadores de baterías se concentrará en China, y la oferta mundial de separadores de baterías estará dominada por China. Las empresas chinas de separadores de baterías siguen entrando en el mercado internacional, y las nuevas empresas de separadores de baterías tienen una gran capacidad de planificación

Iteración de la tecnología de separadores de baterías

El método húmedo es el dominante, y se espera que el método seco se estabilice y repunte. Según las estadísticas, el volumen de envío de separadores de baterías en 2021 será de 7.800 millones de metros cuadrados, de los cuales los separadores húmedos representarán 74% y los secos 26%. La cuota de mercado de los separadores húmedos seguirá aumentando. Los separadores secos tienen una alta seguridad y un bajo coste, por lo que se utilizan sobre todo en las baterías de litio hierro fosfato.

El rápido aumento del volumen de modelos explosivos de hierro-litio y el incremento de la capacidad instalada de baterías de almacenamiento de energía han impulsado el rápido crecimiento de los envíos de baterías de hierro-litio, y el empresas de separadores por vía seca se han beneficiado de ello, y la tasa de crecimiento de los envíos ha aumentado.

El método seco y el húmedo seguirán manteniendo la diferencia de precio, y el método seco evolucionará hacia 10μm y 9μm en el futuro. Desde el punto de vista de los fabricantes, los actuales equipos de producción de separadores de baterías por vía seca se han localizado básicamente en China. Sin embargo, el separador de baterías por vía húmeda tiene mayores requisitos de rendimiento y equipos de producción más complejos, que siguen dependiendo de las importaciones.

La proporción de diafragmas recubiertos es cada vez mayor. El revestimiento del separador de la batería puede mejorar eficazmente el rendimiento del ciclo y la resistencia a altas temperaturas del separador de la batería en las baterías de litio, y puede producir separadores de mayor resistencia sobre la base de un espesor más fino. En la actualidad, los separadores de proceso húmedo suelen utilizar esquemas de revestimiento. Con el avance de nuevas tecnologías como los separadores de proceso húmedo de 4μm y 4,5μm de espesor más fino, se espera que aumenten las aplicaciones de revestimiento debido a la mejora del rendimiento y a consideraciones de seguridad.

Para mejorar la resistencia mecánica de los separadores procesados en seco, también se ha utilizado gradualmente el esquema de revestimiento. Con el aumento de la aplicación de diafragmas de 12 μm procesados en seco de tracción simple, se ha acelerado la aplicación de diafragmas de 10 μm procesados en seco de tracción simple, y la permeabilidad de los diafragmas recubiertos en seco ha seguido aumentando.

En la actualidad, el precio del separador de base procesado por vía húmeda es relativamente estable, y el precio del separador de batería recubierto por vía húmeda ha aumentado considerablemente. Dado que el proceso de revestimiento puede mejorar eficazmente la calidad de los productos de membrana y aportar oportunidades de producción personalizada para las distintas necesidades de los clientes, la rentabilidad de los productos de separador revestido suele ser superior a la de los productos de membrana base.

El revestimiento inorgánico se ha convertido en la corriente principal, y la proporción de boehmita está aumentando gradualmente. La mejora del rendimiento del separador de baterías depende en gran medida de la mejora de la formulación de la lechada de revestimiento basada en el material de revestimiento y de la mejora del proceso de revestimiento. El revestimiento inorgánico con boehmita y alúmina como principales materiales de revestimiento está más maduro que el revestimiento orgánico y la tecnología de revestimiento híbrido orgánico-inorgánico representada por el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y la aramida.

La batería de estado semisólido se convierte en una nueva dirección para el separador de baterías

Las baterías de estado sólido utilizan electrolitos de estado sólido para sustituir a los separadores y electrolitos de las baterías, y la industria aún tiene mucho camino por recorrer. En comparación con las baterías líquidas, las de estado sólido utilizan materiales de electrodos catódicos y anódicos de estado sólido y electrolitos de estado sólido. Los electrolitos de estado sólido tienen una gran resistencia mecánica y no sólo pueden utilizarse como separadores en las baterías, sino que también inhiben eficazmente el crecimiento de dendritas de litio, por lo que tienen una gran seguridad. En comparación con las baterías de litio líquido tradicionales, la batería de estado sólido tiene las siguientes ventajas:

● Eliminan los peligros ocultos de las fugas de electrolito líquido y la corrosión, y tienen una mayor estabilidad térmica.
● Ventana electroquímica estable y amplia, que puede coincidir con materiales de cátodo de alto voltaje.
● Los electrolitos sólidos suelen ser conductores de un solo ion, con menos reacciones secundarias y mayor vida útil del ciclo.
● Todas las baterías de litio de estado sólido pueden conectarse internamente en serie mediante la tecnología de apilamiento multicapa para obtener una tensión de salida más alta.

Sin embargo, todavía hay problemas científicos en las baterías de estado sólido que no se han resuelto, y el momento de realizar la industrialización en el verdadero sentido todavía no está claro. Incluso si se logra la industrialización, el establecimiento de su cadena industrial y la optimización y mejora de procesos y costes requerirán un proceso a largo plazo.

Las baterías semisólidas siguen necesitando separadores de batería, y el progreso posterior es relativamente rápido. La batería semisólida, también conocida como batería híbrida sólido-líquido de iones de litio, tiene tanto electrolito líquido como electrolito sólido. Por lo tanto, el separador de la batería sigue siendo uno de sus materiales principales, y la cantidad necesaria del separador de la batería no cambia mucho, y no hay grandes cambios en la película base con respecto a la batería líquida tradicional.

Sin embargo, el material de revestimiento ha cambiado de los materiales inorgánicos inertes convencionales, como la alúmina y la boehmita, a materiales activos con conductividad iónica, y se requiere un nuevo diseño para aliviar y controlar la formación de dendritas de litio en el ánodo de metal de litio. Además, hay que desarrollar en consecuencia la formulación y el proceso de recubrimiento, para que el separador semisólido de la batería tenga un mayor valor añadido.