软包技术或为固态电池最优选,“铝塑膜”有望加速应用

软包技术或为固态电池最优选,“铝塑膜”有望加速应用
2024年06月11日 09:36 云奇新材料

锂电池按封装形式,可划分为方形、圆柱和软包三种形态。其中,方形电池通常采用金属材质作为其封装材料,如铝壳;圆柱形电池则特指外壳为圆柱形状的金属封装;软包则是采用铝塑膜作为外壳,较前两种属于软性包装。

磷酸铁锂电池是动力电池领域的主流技术路线,一般采用方形或圆柱形态。目前,方形电池在市场中的接受度较高,是绝对的主流产品。据GGII统计,2022年国内动力电池的总装机量达到260.93吉瓦时,其中方形电池占241.09吉瓦时,占比超92%。而大圆柱电池具备全生命周期尺寸不变化特征,在性能上也具备快充、低温等优势。因此,众多锂电企业视其为未来中高端车型的理想选择。

不同于圆柱形和方形电池所使用的硬质外壳,软包电池采用铝塑膜封装。相较钢壳、铝制等电池壳体材料,软包铝塑膜具有重量轻、高能量密度、内阻小、安全性高等优点。

在铝塑膜产业链中,上游主要涉及尼龙、压延铝箔、CPP薄膜、粘合剂以及制膜设备等原材料和设备;中游涉及铝塑膜的生产企业,目前国际市场主要有日本DNP、昭和电工,国内市场主要包括紫江新材、新纶新材、明冠新材、璞泰来、道明光学等;下游则是各大电池企业。

铝塑膜作为固态电池外包材料的优势:

从技术成熟度、成本及生产效率等方面考虑,软包叠片或为最适合固态电池的装配工艺。

(1)固态电池电解质为氧化物或硫化物,其柔韧性不如液态电解质,软包叠片的设计能够有效解决柔韧性问题,减少电池在受到内部压力或发生形变时破裂的风险;

(2)与液态电池生产相比,固态电池的制造过程无需电解液注入和化学成型步骤,因此,采用软包封装的叠片工艺可以简化生产流程,减少对传统液态电池工艺的依赖;

(3)软包叠片技术与全固态电池的固-固界面处理相兼容,有助于精确控制和优化固态电解质与电极之间的接触面。

软包锂电池用铝塑膜按结构可分为三层:外层尼龙层、中间铝箔层和内层聚丙烯薄膜层。尼龙层与铝箔层之间采用胶水粘接,根据铝箔与聚丙烯薄膜之间的粘合方法不同,铝塑膜的生产技术可以分为干法和热法两种类型。

(1)干法工艺是在PP和铝层之间直接添加粘结剂实现复合,采用绝缘粘结剂。这种方法的优势在于其防短路的能力优于热法,且所用的粘结剂的延展性超过了聚丙烯层本身,无需经过高温处理即可完成成型,不会影响最终形状。市面上采用干法生产铝塑膜的代表企业包括新纶新材、昭和电工等。

(2)热法技术则是在铝层和CPP层之间使用MPP粘结剂,并在一定的温度下通过热压的方式完成合成。这种方法的优势在于其对电解液的耐受性和防水性能更佳。

在固态电池的应用中,根据不同类型的固态电池,铝塑膜的应用方式有所差异。在全固态电池中,铝塑膜主要用于包裹电极材料和固态电解质,防止它们直接接触,并起到隔热的作用,避免电池过热。在半固态电池中,铝塑膜主要用于包裹液态电解质,相较于全固态电池,半固态电池采用液态电解质可以降低成本。而在双固态电池应用中,铝塑膜包裹两种不同的固态电解质,以提高电池的能量密度和稳定性。

在电池的关键材料中,铝塑膜的开发难度较大,技术壁垒较高,长期以来被视为锂电产业链中“国产化的最后一块高地”。然而,随着铝塑膜自主化生产需求日益增长,国内越来越多企业开始布局铝塑膜行业,并在铝塑膜技术上取得了进展与突破。部分国产铝塑膜的性能和可靠性已经能够与进口产品相媲美,并且实现了大规模生产。

值得一提的是,2023年11月20日,中国石化北京化工研究院宣布,其研发的电池软包用流延聚丙烯(CPP)薄膜专用料开发成功,并通过了三家工厂的材料性能评估,工业化生产CPP薄膜和铝塑膜3万余平,形成了软包铝塑膜整体解决方案。目前,其铝塑膜性能已达到甚至部分超越进口产品,实现了国产化突破。

固态电池是锂电池未来的发展方向,而软包是固态电池确定性的包装技术。同时,随着动力电池和储能领域的电池出货量的快速增长,软包锂电池的出货量也在迅速增加。根据中金公司的预测,受3C、动力电池、储能电池等领域渗透率提升的驱动,预计到2025年,铝塑膜的需求量将增至8.7亿平,市场规模将超过150亿元,复合年增长率达到36.5%。

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