Rapport spécial sur l'industrie des séparateurs de batteries au lithium

Le séparateur de batterie est l'un des matériaux des batteries au lithium.

Séparateur de batterieLe matériau de la cathode, le matériau de l'anode et l'électrolyte sont les éléments les plus importants de la technologie lithium-ion. matériaux pour batteriesreprésentant environ 4% du coût total des matériaux des batteries au lithium. Le séparateur de la batterie au lithium possède un grand nombre de micropores tortueux et traversants, qui peuvent assurer le libre passage des ions de l'électrolyte pour former un circuit de charge-décharge. Sa fonction principale est d'isoler la cathode et l'anode et d'empêcher la batterie de se court-circuiter.

En même temps, on s'assure que les ions lithium passent normalement à travers le canal microporeux pendant la charge et la décharge pour garantir le fonctionnement normal de la batterie. Les performances du séparateur de batterie déterminent les principales caractéristiques des batteries lithium-ion, telles que la résistance interne, la capacité, la performance du cycle et la densité du courant de charge et de décharge.

À l'heure actuelle, les séparateurs de piles au lithium commercialisés sont principalement des séparateurs en polyéthylène (PE), des séparateurs en polypropylène (PP) et des membranes microporeuses composites multicouches en PE et PP. Le séparateur de batterie en PE présente une résistance élevée et une large plage de traitement. Le séparateur en PP présente une porosité, une perméabilité à l'air et des propriétés mécaniques élevées. Les batteries 3C ordinaires utilisent principalement un séparateur PE monocouche ou un séparateur PP monocouche.

Les batteries d'énergie utilisent généralement un séparateur double couche en PE/PP, un séparateur double couche en PP/PP ou un séparateur triple couche en PP/PE/PP. Cependant, les séparateurs en polyoléfine présentent des défauts évidents, tels qu'une stabilité thermique insuffisante et une mauvaise mouillabilité à l'électrolyte, ce qui fait que le revêtement et la modification des séparateurs en polyoléfine deviennent la tendance actuelle.

Processus de production du séparateur de batterie

Le processus de production du séparateur de batterie est principalement divisé en deux catégories : la méthode humide et la méthode sèche. Le processus de production du séparateur de batterie lithium-ion comprend la formulation des matières premières et l'ajustement rapide de la formulation, la technologie de préparation microporeuse et la conception indépendante d'ensembles complets d'équipements. La technologie de préparation microporeuse est au cœur du processus de préparation du séparateur de batterie lithium-ion, qui peut être divisé en deux types : l'étirement à sec et l'étirement humide selon le type de processus.

Les séparateurs à sec sont très sûrs et peu coûteux, c'est pourquoi ils sont principalement utilisés dans les grandes batteries au lithium-fer-phosphate. Le séparateur par voie humide présente une plus grande uniformité de la taille des pores et une plus grande perméabilité à l'air en raison de sa plus faible épaisseur et de sa plus grande porosité. Par rapport au séparateur sec, il présente certains avantages en termes de propriétés mécaniques, de perméabilité à l'air et de propriétés physiques et chimiques, de sorte qu'il est plus largement utilisé dans les batteries ternaires qui accordent de l'importance à la densité énergétique.

Le revêtement du séparateur consiste à mélanger et à remuer l'oxyde d'aluminium, le liant et l'eau désionisée sur le séparateur original de la batterie lithium-ion pour former une boue. Le revêtement par extrusion microgravure est utilisé pour fabriquer une ou deux couches de surfaces céramiques sur le séparateur de substrat. Le séparateur en céramique ajoute la résistance mécanique du film d'origine, ce qui permet à la batterie de présenter d'excellentes performances en termes de résistance aux températures élevées, de résistance à la perforation et de réduction de l'épaisseur.

En même temps, il n'affectera pas la perméabilité à l'air et assurera le flux d'ions lithium, améliorant ainsi la sécurité. Le processus de revêtement peut non seulement renforcer la stabilité thermique du séparateur de batterie, améliorer sa résistance mécanique, mais aussi empêcher le contact sur une grande surface entre la cathode et l'anode causé par le rétrécissement du séparateur de batterie. Il peut également améliorer la résistance à la perforation du séparateur et empêcher le court-circuit causé par la dendrite de lithium qui perce le séparateur dans les conditions de cycle à long terme de la batterie.

En même temps, le processus de revêtement permet d'améliorer la rétention des liquides et la mouillabilité du séparateur de la batterie, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie. Les matériaux de revêtement peuvent être divisés en matériaux inorganiques et organiques. Les matériaux inorganiques comprennent principalement les céramiques, et les matériaux organiques comprennent principalement le PVDF et l'aramide. D'une manière générale, les céramiques sont relativement bon marché et sont davantage utilisées dans les piles de puissance, tandis que l'aramide est plus cher et est principalement utilisé dans l'électronique grand public.

Trois caractéristiques de l'industrie des séparateurs de batteries

● Des actifs lourds et des besoins en équipements importants.

L'industrie des séparateurs de batteries au lithium est une industrie typique à forte intensité d'actifs, et la proportion d'actifs fixes est la première parmi les quatre principaux matériaux. L'investissement dans les équipements est important et la période d'amortissement est longue. En termes de période d'amortissement, la période d'amortissement de l'industrie des séparateurs de batterie est plus longue, légèrement supérieure à celle de l'industrie des cathodes, qui est d'environ 8 ans. La production de séparateurs de batterie impose des exigences élevées en matière de sélection des équipements de production.

Il est nécessaire de personnaliser les lignes de production d'équipements en fonction des différents processus de production. La production est difficile, et les différents équipements et processus de production peuvent directement affecter les propriétés physiques et chimiques globales du séparateur de batterie. À l'heure actuelle, la Chine a pratiquement achevé la localisation des équipements de production de séparateurs à sec. Les équipements de production de séparateurs humides pour batteries au lithium sont complexes et dépendent principalement des importations.

Diriger entreprises de séparateurs de batteries maintiennent des contacts étroits avec les fabricants d'équipements, et la capacité de production des fournisseurs d'équipements de haute qualité est liée par les entreprises. Tout en liant la capacité de production des fournisseurs d'équipements de haute qualité, les grandes entreprises intensifient également la localisation des équipements en Chine. Dans le même temps, les fabricants chinois intensifient également leur recherche personnelle.

La ligne de production de séparateurs de piles au lithium-ion par voie humide développée par l'entreprise elle-même a résolu les problèmes d'investissement important, de consommation d'énergie élevée, de longue période de construction et de pollution environnementale importante des lignes de production de séparateurs de piles au lithium-ion par voie humide étirés biaxialement. Le taux de production nationale d'équipements de séparation humide en Chine continuera d'augmenter à l'avenir, et les principales entreprises intensifieront la localisation des équipements, et le coût d'acquisition des équipements correspondants pourrait être encore réduit à l'avenir.

● Nombreux flux de processus, faible rendement et marge brute élevée.

L'industrie des séparateurs de batterie présente des processus plus compliqués et davantage de pertes. Par rapport à d'autres matériaux, il existe de nombreux liens qui entraînent des pertes importantes dans le processus de l'industrie des séparateurs de batterie, et il y a encore des pertes dans le processus après la production du rouleau mère. Le rouleau mère doit être fendu selon les spécifications du produit, ce processus produira une petite quantité de coins et une certaine perte au cours du processus d'enduction du film de base.

La plus grande difficulté de fabrication entraîne un taux de rendement relativement faible et des barrières industrielles relativement élevées dans l'industrie des séparateurs de batterie. Le rendement global des autres matériaux est plus élevé que celui de l'industrie des séparateurs de piles, de sorte que du point de vue des barrières industrielles, l'industrie des séparateurs de piles présente des barrières relativement élevées, et la différence de niveau technique affectera grandement la compétitivité et le niveau de profit des entreprises. Le taux de rendement et les facteurs de seuil du processus conduisent à une marge bénéficiaire brute élevée dans l'industrie du diaphragme.

● Le film de base est basé sur la quantité, et le revêtement est basé sur le processus et le brevet.

Le cœur de la concurrence des membranes de sous-sol : gagner par la quantité. Les principaux coûts de l'industrie des séparateurs de piles sont les matières premières, les coûts d'amortissement, les coûts de main-d'œuvre, le carburant, etc. En raison de la forte homogénéité du film de base du séparateur de batterie, le coût diminue considérablement après la mise à l'échelle. Si l'on prend l'exemple des matières premières, les principales matières premières du film de base sont le PP et le PE. Lorsque le volume d'achat des entreprises de séparateurs de batterie est important, la capacité de négociation des prix avec les fabricants de produits en vrac en amont est améliorée.

Le processus de revêtement est diversifié et repose essentiellement sur des processus et des brevets. Le revêtement des séparateurs de batteries adopte principalement des méthodes de recherche et de développement personnalisées et conjointes, dont le cœur réside dans la formulation et le processus, et les brevets de revêtement sont principalement contrôlés par de grandes entreprises telles que LG.

La demande de séparateurs de batterie continue d'augmenter

La demande de batteries au lithium-ion croît à un rythme élevé tout en respectant la neutralité carbone. Les séparateurs de batteries lithium-ion sont largement utilisés dans les véhicules à énergie nouvelle, les centrales de stockage d'énergie, les vélos électriques, les outils électriques, les produits électroniques numériques et d'autres domaines. Les batteries lithium-ion peuvent être divisées en trois scénarios d'utilisation principaux dans les domaines des batteries de puissance, du stockage de l'énergie et de l'électronique grand public. Ces dernières années, l'industrie en aval des batteries au lithium s'est développée rapidement.

Dans le domaine des batteries électriques, sous l'effet d'un soutien politique fort et d'une acceptation croissante de la part des consommateurs, les ventes de véhicules à énergie nouvelle continuent d'augmenter, ce qui stimule la croissance rapide du marché des batteries électriques. Dans le domaine du stockage de l'énergie, la production d'électricité à partir de nouvelles énergies s'est développée rapidement en tant que technologie de production d'électricité propre. Cependant, la contradiction entre la volatilité des nouvelles énergies et la sécurité du réseau électrique est flagrante.

Le développement du stockage de l'énergie est devenu la clé pour résoudre le problème de l'adéquation entre l'offre et la demande d'énergie. Dans le domaine de l'électronique grand public, la demande de batteries lithium-ion grand public restera forte à l'avenir, car le marché des produits électroniques dans les pays en développement est stimulé et la demande de produits électroniques émergents augmente. Le développement rapide du marché en aval a entraîné la croissance rapide de l'ensemble de l'industrie des séparateurs pour batteries lithium-ion.

Le volume des livraisons de séparateurs de batterie a considérablement augmenté et la concentration du marché est élevée. Selon les statistiques, les livraisons de séparateurs de batteries au lithium en Chine atteindront 7,8 milliards de mètres carrés en 2021, soit une augmentation de plus de 100% d'une année sur l'autre. Les fabricants chinois de séparateurs de batterie sont déjà compétitifs au niveau mondial. En 2021, le marché chinois des séparateurs de batterie sera affecté par la forte croissance de la demande mondiale de véhicules à énergie nouvelle et par la forte croissance du marché du stockage de l'énergie, et le taux de croissance des expéditions sera évident.

L'offre et la demande de séparateurs de batterie sont en équilibre étroit, et l'offre mondiale de séparateurs de batterie est dominée par la Chine. D'une part, ces dernières années, en raison de la guerre des prix dans l'industrie des séparateurs de batterie, la structure actuelle de l'industrie est relativement stable, et l'offre et la demande de séparateurs de batterie sont en équilibre étroit. Selon le rythme actuel d'expansion de la production, les fabricants d'équipements de séparation de batteries superposés limitent la libération de la capacité de production. On s'attend à ce que le marché mondial des séparateurs de batterie maintienne un équilibre serré pendant au moins 2 à 3 ans.

D'autre part, la capacité de production mondiale continue d'être concentrée en Chine, et la capacité de production chinoise est concentrée dans des entreprises de premier plan. Du point de vue de la concurrence sur le marché mondial, en 2021, 73,8% de la part de marché des séparateurs de batterie seront concentrés en Chine, et l'offre mondiale de séparateurs de batterie sera dominée par la Chine. Les entreprises chinoises de séparateurs de batterie continuent à pénétrer le marché international et les nouvelles entreprises de séparateurs de batterie ont une grande capacité de planification.

Itération de la technologie du séparateur de batterie

La méthode humide est dominante, et la méthode sèche devrait se stabiliser et rebondir. Selon les statistiques, le volume d'expédition de séparateurs de batterie en 2021 sera de 7,8 milliards de mètres carrés, dont 74% pour les séparateurs humides et 26% pour les séparateurs secs. La part de marché des séparateurs humides continuera à augmenter. Les séparateurs secs sont très sûrs et peu coûteux, c'est pourquoi ils sont principalement utilisés dans les batteries lithium-fer-phosphate.

L'augmentation rapide du volume des modèles explosifs fer-lithium et l'augmentation de la capacité installée des batteries de stockage d'énergie ont entraîné une croissance rapide des livraisons de batteries fer-lithium, et le marché des batteries fer-lithium est en pleine expansion. Séparateur à sec - entreprises en ont profité et le taux de croissance des expéditions a augmenté.

La méthode sèche et la méthode humide continueront à maintenir la différence de prix, et la méthode sèche évoluera vers 10μm et 9μm à l'avenir. Du point de vue du fabricant, l'équipement de production actuel du séparateur de batterie par voie sèche a été essentiellement localisé en Chine. Cependant, le séparateur de batterie par voie humide a des exigences de performance plus élevées et des équipements de production plus complexes, qui dépendent encore des importations.

La proportion de membranes revêtues augmente. Le revêtement des séparateurs de batteries peut améliorer efficacement les performances du cycle et la résistance aux températures élevées des séparateurs de batteries au lithium, et peut produire des séparateurs plus résistants sur la base d'une épaisseur plus fine. À l'heure actuelle, les séparateurs par voie humide utilisent généralement des systèmes de revêtement. Avec la percée de nouvelles technologies telles que les séparateurs par voie humide de 4μm et 4,5μm d'épaisseur plus fine, les applications de revêtement devraient augmenter en raison de l'amélioration des performances et des considérations de sécurité.

Afin d'améliorer la résistance mécanique des séparateurs traités à sec, le système de revêtement a également été progressivement utilisé. Avec l'augmentation de l'application des membranes à tirage unique traitées à sec de 12 μm, l'application des membranes à tirage unique traitées à sec de 10-μm s'est accélérée, et la perméabilité des membranes enduites à sec a continué d'augmenter.

Actuellement, le prix du séparateur de base traité par voie humide est relativement stable, tandis que le prix du séparateur de batterie revêtu par voie humide a fortement augmenté. Étant donné que le processus de revêtement peut améliorer efficacement la qualité des produits à membrane et offrir des possibilités de production personnalisée pour répondre aux différents besoins des clients, la rentabilité des produits séparateurs revêtus est généralement plus élevée que celle des produits à membrane de base.

Le revêtement inorganique est devenu le courant dominant, et la proportion de boehmite augmente progressivement. L'amélioration des performances du séparateur de batterie dépend largement de l'amélioration de la formulation de la boue de revêtement basée sur le matériau de revêtement et de l'amélioration du processus de revêtement. Le revêtement inorganique avec la boehmite et l'alumine comme principaux matériaux de revêtement est plus mature que le revêtement organique et la technologie de revêtement hybride organique-inorganique représentée par le fluorure de polyvinylidène (PVDF) et l'aramide.

La batterie à l'état semi-solide ouvre une nouvelle voie pour le séparateur de batterie

Les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes à l'état solide pour remplacer les séparateurs et les électrolytes des batteries, et l'industrie a encore un long chemin à parcourir. Par rapport aux batteries liquides, les batteries à l'état solide utilisent des matériaux d'électrode de cathode et d'anode à l'état solide et des électrolytes à l'état solide. Les électrolytes solides ont une résistance mécanique élevée et peuvent non seulement être utilisés comme séparateurs dans les batteries, mais aussi inhiber efficacement la croissance des dendrites de lithium, ce qui leur confère une grande sécurité. Par rapport aux piles traditionnelles au lithium liquide, les piles à l'état solide présentent les avantages suivants :

● Éliminer les dangers cachés des fuites d'électrolyte liquide et de la corrosion, et avoir une stabilité thermique plus élevée.
● Fenêtre électrochimique stable et large, qui peut correspondre aux matériaux de cathode à haute tension.
● Les électrolytes solides sont généralement des conducteurs à un seul ion, avec moins de réactions secondaires et une durée de cycle plus longue.
● Les batteries au lithium entièrement à l'état solide peuvent être connectées en série en interne grâce à la technologie d'empilement multicouche afin d'obtenir une tension de sortie plus élevée.

Cependant, des problèmes scientifiques concernant les piles à l'état solide n'ont pas encore été résolus et le moment de réaliser l'industrialisation au sens propre du terme n'est pas encore clair. Même si l'industrialisation est réalisée, la mise en place de la chaîne industrielle, l'optimisation et l'amélioration des processus et des coûts nécessiteront un processus à long terme.

Les batteries semi-solides ont encore besoin de séparateurs de batterie, et les progrès en aval sont relativement rapides. Les batteries semi-solides, également connues sous le nom de batteries lithium-ion hybrides solide-liquide, possèdent à la fois un électrolyte liquide et un électrolyte solide. Par conséquent, le séparateur de batterie reste l'un de ses principaux matériaux, et la quantité requise de séparateur de batterie ne change pas beaucoup, et il n'y a pas de changement majeur dans le film de base par rapport à la batterie liquide traditionnelle.

Cependant, le matériau de revêtement est passé des matériaux inorganiques inertes conventionnels tels que l'alumine et la boehmite à des matériaux actifs à conductivité ionique, et une nouvelle conception est nécessaire pour atténuer et contrôler la formation de dendrites de lithium sur l'anode en lithium métal. En outre, la formulation et le processus de revêtement doivent être développés en conséquence, afin que le séparateur de batterie semi-solide ait une plus grande valeur ajoutée.