鋰離子電池軟包裝鋁塑復(fù)合膜綜述

鄧 可

(中色科技股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215125)

鋁塑復(fù)合膜在微觀結(jié)構(gòu)上綜合利用金屬鋁箔的極高阻隔性、塑料薄膜的柔軟性，通過復(fù)合工藝制備出具有二維結(jié)構(gòu)、兼具環(huán)保優(yōu)勢和使用性能優(yōu)勢的包裝材料。鋁塑復(fù)合膜作為軟包裝鋰電池電芯封裝的重要材料，在鋰電池產(chǎn)品包裝中的應(yīng)用迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、新能源汽車、電動工具、醫(yī)療器械、無人機(jī)等領(lǐng)域。

1 鋰電池軟包用鋁塑復(fù)合膜的簡介

1.1 基本概念

鋰離子電池鋁塑復(fù)合膜作為鋰電池的包裝材料具有保護(hù)鋰離子電池電芯的重要作用，是一種復(fù)合軟包裝外殼材料(圖1)。鋁塑復(fù)合膜軟包裝可分為三層，層與層之間通過粘合劑進(jìn)行結(jié)合。

圖1 鋁塑復(fù)合膜在鋰電池中的應(yīng)用示意及其基本構(gòu)成圖

(1)樹脂層—多功能層(厚度40μm～80μm)，是針對鋰離子電池中電解液設(shè)計的，在化學(xué)穩(wěn)定性方面具有比較好的作用。作為穩(wěn)定的復(fù)合層和熱封層，采用較多的是聚丙烯、聚乙烯、乙烯丙烯酸共聚物、聚丙烯或者離子交聯(lián)聚合物樹脂等薄膜材料，可提高包裝材料的耐電解液性能，保證最終電池的性能，使用壽命更長。

(2)鋁中間層—阻隔層(厚度35μm～40μm)，鋁箔在裝備電池中應(yīng)用較多，也比較常見。其阻水、阻氣效果極好，具有不可替代性和唯一性。

(3)表面層—保護(hù)層(厚度15μm～25μm)，外層之所以被稱為保護(hù)層，是因為使用的外層材料具有很好地耐熱性(溫度為160℃±15℃)、耐磨性、防穿刺性和抗折彎性，因此對阻隔層具有很好的保護(hù)作用。另外對冷沖壓成型性和印刷性也有一定的要求?？紤]到外層材料的成本問題，通常我們會選用聚酯和尼龍薄膜材料。

1.2 特點

基于其特殊的包裝材料和結(jié)構(gòu)，鋁塑復(fù)合膜在鋰離子電池包裝上的應(yīng)用具有以下特點。

(1)安全性能更好。因含有多層塑料薄膜，鋁塑復(fù)合膜軟包具有較好的延展性。不會發(fā)生爆炸、起火等重大安全問題，而是包裝發(fā)生氣鼓，或者封口處撕裂并釋放能量。

(2)厚度小，體積比能量高。傳統(tǒng)電池殼的厚度比較大，在降低厚度方面很難有技術(shù)上的突破，最薄在3.6mm左右，而鋁塑復(fù)合膜的厚度可達(dá)到1mm以下，相同體積電池容量更大。

(3)重量輕，質(zhì)量比能量高。鋁塑復(fù)合膜采用了較多的非金屬材料，密度遠(yuǎn)低于金屬。密度低、重量輕則能量高，更符合便攜式設(shè)備的需要。

(4)空間利用率高。鋁塑復(fù)合膜軟包裝可根據(jù)設(shè)計包裝大小，開發(fā)新的電芯型號自由度更大，甚至可以根據(jù)電池使用設(shè)備的形狀量身定做，且可以生產(chǎn)異型電池。

(5)放電電流大、平臺高。軟包裝電池內(nèi)部為真空狀態(tài)，正極、隔膜和負(fù)極之間更為緊密，內(nèi)阻小，放電電流和平臺得到更有效的釋放。有數(shù)據(jù)顯示，軟包裝鋰離子電池在同等體積的前提下，放電容量比傳統(tǒng)硬殼鋰離子電池高10%左右。

(6)儲存期長。軟包裝電池處于完全密封的狀態(tài)，內(nèi)阻小，降低了電池的自耗電。

1.3 生產(chǎn)工藝

在生產(chǎn)中，鋁塑復(fù)合膜主要采用的工藝分為干法和熱法。干法工藝是將鋁和聚丙烯用粘合劑進(jìn)行粘結(jié)，然后在干壓的狀態(tài)下合成；熱法工藝是用聚丙烯多孔發(fā)泡材料將鋁和聚丙烯粘結(jié)，在經(jīng)過緩慢升溫升壓，熱壓的狀態(tài)下合成。工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

干法鋁塑膜主要優(yōu)點是深沖成型性能好、抗短路性能優(yōu)、表面缺陷少，且制造速度快，程序簡單，成本低。但其剝離力小，耐電解液和抗水性等性能需要加入特殊膠粘劑得以保證。而熱法工藝生產(chǎn)的鋁塑膜，其鋁層與聚丙烯層之間的結(jié)合力大，防止電解質(zhì)溶脹和內(nèi)表面層脫落的能力得到提高。但是，這種特殊處理的MPP 需要經(jīng)過較高的溫度將其熔化才能起到粘結(jié)作用。由于各材料收縮系數(shù)的差異，冷卻過程中容易出現(xiàn)向內(nèi)卷曲的現(xiàn)象，外觀和裁切性能較差。此外，加熱使材料脆化，其深沖成型性能差，抗短路性能差，且制備工藝相對復(fù)雜。

兩種工藝各具優(yōu)勢。干法應(yīng)用更加廣泛，如手機(jī)電池等需求高能量重度的電池上，電動車等大倍率、高容量的動力電池上；熱合法主要應(yīng)用于3C領(lǐng)域電池。

2 市場需求及行業(yè)現(xiàn)狀

2.1 行業(yè)現(xiàn)狀

作為軟包鋰電池的關(guān)鍵材料，鋁塑膜材料每一層功能性要求都比較高，是目前鋰離子電池產(chǎn)業(yè)核心原材料國產(chǎn)率最低的環(huán)節(jié)。日本三大生產(chǎn)廠商大日本印刷(DNP)、昭和電工(PKG)、T&T(2016年被新綸科技收購)市場占有率(2018年)合計近90%。其中，DNP占45%，PKG占29%，新綸科技占12%。國內(nèi)市場需求基本依賴進(jìn)口，國產(chǎn)替代進(jìn)口的空間非常大。國外鋁塑膜生產(chǎn)企業(yè)概況見表1。

表1 國外鋁塑膜生產(chǎn)企業(yè)概況表

鋁塑膜產(chǎn)品附加值高，行業(yè)前景預(yù)期良好。隨著下游消費類和動力電池需求持續(xù)高增長，潛在市場規(guī)模將達(dá)到百億級別。面對巨大的市場和價值誘惑，以及下游鋰電池廠商對進(jìn)口替代的迫切需求，國內(nèi)各大企業(yè)先后布局鋰電池軟包鋁塑膜產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)鋁塑膜生產(chǎn)企業(yè)概況見表2。

表2 國內(nèi)鋁塑膜生產(chǎn)企業(yè)概況表

2.2 市場需求

據(jù)起點研究院(SPIR)數(shù)據(jù)顯示，2020年動力電池總裝機(jī)量為61.8GWh，其中軟包電池裝機(jī)量為3535.3MWh，占比5.7%，鋁塑膜的需求量超過2.2億m2。2021年上半年，新能源汽車產(chǎn)銷量的提速爆發(fā)引發(fā)了相關(guān)行業(yè)加速發(fā)展。隨著下游市場放量，動力電池需求量增幅將達(dá)到甚至超過50%，預(yù)計2025年全球動力電池規(guī)模將步入TWh時代。新能源汽車領(lǐng)域?qū)⑹擒洶囯姵赜娩X塑膜主要增長動力。

3 鋁塑復(fù)合膜的發(fā)展前景

鋰離子電池自熱性好、空間利用率高、結(jié)構(gòu)靈活、重量輕，軟包裝的鋰離子電池目前被認(rèn)為是主流電池類型，占有很大的市場。雖然國內(nèi)的鋁塑膜具有價格優(yōu)勢和廣大的市場空間，國產(chǎn)鋁塑膜仍需優(yōu)化改進(jìn)深沖性能和耐電解液性能，才能在新能源電池市場上立足。

從市場需求來看，很多國家由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，很早時候就已經(jīng)開始投入鋁塑復(fù)合膜的使用，甚至在某些國家鋁塑行業(yè)已趨于成熟，逐步邁向平穩(wěn)發(fā)展，而我國在鋁塑復(fù)合膜的生產(chǎn)研發(fā)上還需加快腳步，逐步在國際市場中站穩(wěn)腳跟。東南亞、俄羅斯等新興經(jīng)濟(jì)地區(qū)，對材料的需求會進(jìn)一步加大，這將是未來鋁塑復(fù)合膜產(chǎn)品又一個新的增長點。

4 結(jié)語

我國鋁塑復(fù)合膜雖然在近年來得到快速發(fā)展，但目前仍有很多的鋁塑復(fù)合膜材料還是依賴進(jìn)口，我國的生產(chǎn)廠家還沒有發(fā)展起來。隨著生活質(zhì)量的提高，未來需要鋁塑復(fù)合材料的領(lǐng)域會越來越多，我國在新型材料的研發(fā)上仍需進(jìn)一步加強，與國際水平接軌。