隔膜催化剂：锂电池隔膜专用料“芯片”所在

□ 俸艳芸 苟清强 赵 瑾 潘亚男

隔膜材料是锂电池产业链中最具有挑战和技术壁垒的关键内部组件，也是四大主材中最晚实现国产化及国产率最低的产品。

隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用，轻薄化和高性能化是隔膜行业发展的重要趋势。催化剂是生产隔膜专用料的“芯片”，开发高端锂电池隔膜专用料的技术瓶颈主要在于催化剂。

开发高端锂电池隔膜专用料的技术瓶颈主要在于催化剂

锂电池隔膜是一种具有微孔结构的功能膜材料，在电池体系中起着分隔正负极、阻隔充放电时电路中电子通过、允许电解液中锂离子自由通过的作用，可在电池充放电或温度升高的情况下有选择地闭合微孔以限制过大电流、防止短路，是保障电池工作安全的“卫士”。隔膜需具有合适的厚度、离子透过率、孔径、孔隙率，以及足够的化学稳定性、热稳定性、力学稳定性及安全性等性能。隔膜轻薄化和高性能化是行业发展的重要趋势。隔膜轻薄化能提升锂电池的能量密度，通过使单位体积或重量的锂电池容纳更多的电极材料，从而提高锂电池的续航能力。

国外生产锂电池隔膜专用料的企业从本世纪初就开展了相关技术和产品方面的研发，我国起步要晚一些。近年来，随着我国经济水平的日益提升和国家政策的持续扶持，新能源锂电池行业发展迅速，有力推动了国产替代产品的研发和生产，国产专用料及隔膜逐渐开始替代进口，但国内生产用的专用料及隔膜设备依赖国外的现状仍然没有得到根本改变。催化剂是生产隔膜专用料的“芯片”，开发高端锂电池隔膜专用料的技术瓶颈主要在于催化剂。因此，开发用于生产高端锂电池隔膜专用料的高性能催化剂，是打破进口垄断、助力新能源汽车行业高质量发展的关键。

锂电池隔膜的种类有很多，按照材料的组成分类，主要有聚烯烃微孔膜、聚合物/无机复合膜、无纺布隔膜、凝胶聚合物电解质膜等。其中聚烯烃微孔膜凭借优异的机械性能和化学稳定性、厚度均匀、闭孔温度适宜、价格相对低廉、来源简单、综合性能优异等优点，在锂电池发展初期就得到广泛应用，目前已成为商业化用量最多的隔膜制造材料，主要包括聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯和高密度聚乙烯复合材料三种。聚烯烃隔膜性能由聚烯烃粉料和隔膜制备技术共同决定，国内外主要的隔膜生产工艺分为湿法和干法，湿法隔膜以聚乙烯为原料，干法隔膜以聚丙烯为原料，其中湿法隔膜占比较大。

全球知名石化公司和锂电池隔膜生产商都非常重视隔膜聚烯烃专用料的技术开发。聚烯烃隔膜对原材料主要有力学性能、溶解性、分散性、清洁度等方面的要求，对原料的杂质含量、批次质量的一致性乃至颗粒形态的要求极高。原料研发的周期长，开发难度大，门槛高。隔膜原料的导入周期也比较长，合格的隔膜需要经过锂电池厂家的试用，一次评价要3至6个月，至少要通过3次评价，才能得到正式认可。只有在原材料得到保证的基础上才能加快锂电池隔膜国产化的步伐，生产出优质的隔膜，以提高国产隔膜的市场竞争力。

锂电池结构示意图

创新“一步法”，攻克高档隔膜专用料“卡脖子”技术

干法工艺最常采用的工艺方法为拉伸致孔法、熔融拉伸法（MSCS），与湿法工艺最大的区别是不使用溶剂。干法隔膜所用的原料为灰分含量低、立构规整度高且具有特殊分子量分布及凝聚态结构的聚丙烯，常规的聚丙烯树脂远达不到该要求，而高档锂电池隔膜专用聚丙烯树脂长期被进口树脂垄断，属于“卡脖子”技术。

进口锂电池隔膜专用聚丙烯原料主要是采用聚合后洗涤脱灰、脱无规物的方法得到的，即“两步法”工艺，该生产工艺流程长、能耗高、污染高、成本高，且该工艺技术只有少数几家国外公司掌握。中国石化北京化工研究院（以下称“北化院”）科研团队另辟蹊径，通过催化剂的创新来达到采用本体聚合“一步法”直接从反应器中制备锂电池隔膜专用聚丙烯的目的。经过攻关，团队制备出目前国际上活性最高的HA催化剂，并且可以在活化剂使用量降低80%～90%的情况下保持活性。科研团队同时开发了与之配套的生产锂电池隔膜专用聚丙烯技术，打破了进口树脂的垄断。

随着应用HA催化剂开发的锂电池隔膜专用聚丙烯的逐步推广，科研团队发现产品只能满足双拉工艺要求，还不能满足单拉工艺的要求。他们再次聚焦催化剂开展深入研究，进一步开发了超高立构定向性超高活性的HA-R催化剂，并基于该催化剂开发了配套的聚合工艺技术。基于HA-R高性能催化剂开发的“一步法”生产超高纯高等规聚丙烯技术，将锂电池隔膜专用聚丙烯的质量进一步提升，可以满足双拉和单拉工艺要求，在锂电池隔膜专用聚丙烯生产技术方面优于国外的“两步法”技术。

2021年，HA-R催化剂首次在中原石化工业装置上成功应用之后，北化院与中原石化继续联合攻关，并陆续攻克了破膜率高、晶点多、析出物多等系列技术难题，生产出性能优异的系列锂电池隔膜专用聚丙烯树脂产品FA03、FA02等，满足干法单拉及双拉工艺生产锂电池隔膜产品要求。目前，该产品基本覆盖国内的主流客户，尤其是主要头部客户均已批量使用，主要应用于储能和动力领域，部分产品已应用于国内知名电动汽车企业。今年中原石化系列锂电池隔膜专用聚丙烯树脂的产销量已达到2万吨，预计未来几年产销量将持续增长，对进口产品的替代比例将快速增加。

创新技术为隔膜专用料“量身定做”专用催化剂

湿法工艺在工业上又称相分离法或热致相分离法，其制备原理是加热熔融在常温下互不相容的低分子量物质（液态烃、石蜡等）和高分子量物质（聚烯烃树脂）的混合物，使该混合物形成均匀混合的液态，降温冷却进行相分离压制得膜片，再将膜片加热至熔点进行双向拉伸，可以分为双向同步拉伸和双向异步拉伸，再用易挥发物质洗脱残留的溶剂制备出相互贯通的微孔膜。

与干法相比，湿法工艺复杂，设备要求和投资成本高，生产难度和能耗大，需要使用溶剂。但是湿法工艺制得的薄膜更薄，有利于提高电池能量密度；孔隙率和孔径大小更易控制，力学性能和均一性更好，能够满足动力锂电池的大电流要求；湿法隔膜的主要原材料聚乙烯较干法隔膜原材料聚丙烯亲液性更优，能够有效提高电导率。随着新能源汽车电池续航能力要求的提升，对于三元电池需求迅速增加，而三元电池几乎都采用湿法隔膜。

湿法隔膜所用原料通常为聚乙烯（PE）。分子量在50万～150万的特高/超高分子量聚乙烯（V/UHMWPE），由于分子量大、分子链长，极易缠结，相互缠结比普通的PE、PP要强，它的特点是当到达玻璃化转变温度以上时，链段的运动依然很难，导致UHMWPE的熔体黏度极大，流动非常困难，特别是在温度高于熔点后仍能保持凝胶状态，呈高弹态，熔而不塌；而且UHMWPE具有优异的化学惰性、耐磨性和极高的机械强度，因而UHMWPE适合用于制备锂电池隔膜。目前UHMWPE锂电池隔膜是最具竞争力的隔膜材料之一。我国已经是湿法锂电池隔膜的生产大国，隔膜制品质量也能达到国际领先水平，但是生产时所用的原料UHMWPE大部分都依赖于进口。

理想的UHMWPE锂电池隔膜专用料应当具有合适的分子量、堆积密度高、粒度分布窄、颗粒形态好、细粉和大颗粒含量少、相对分子质量分布适宜，以及批次稳定性好等特点。生产高性能UHMWPE锂电池隔膜专用料的关键在于催化剂。目前生产UHMWPE催化剂主要有Ziegler-Natta（ZN）催化剂、茂金属催化剂和非茂金属催化剂三种。ZN催化剂由于具有催化活性高、产品颗粒均匀、反应条件温和、制备成本低等优点，在UHMWPE工业的催化剂中占据主体地位。由于要兼顾UHMWPE专用料的分子量、颗粒形态、堆积密度、大小均匀和流动性等，所以对制备锂电池隔膜专用料的催化剂的聚合性能、颗粒形态、装置适应等性能要求高，需要开发专用催化剂产能满足需求。

北化院是国内最早研发UHMWPE锂电池隔膜专用料催化剂的科研单位。经过持续多年攻关，研究团队基于成熟的BCE催化剂体系，采用新型给电子体技术为UHMWPE锂电池隔膜专用料“量身定做”了BCE-C300专用催化剂。该催化剂具有聚合活性高，制备的聚合物粉料粒径可控，细粉和大颗粒含量少，粉料流动性好等优点；生产的隔膜用聚乙烯树脂质量稳定，制备的隔膜对比进口产品抗刺穿能力强、耐高温性能好，电池使用寿命更长。扬子石化于2017年开始使用BCE-C300生产UHMWPE锂电池隔膜用的专用料YEV-4500，成为国内首家成功生产锂电池隔膜专用料的生产企业，填补了国内空白，打破了该产品完全依靠进口的局面。随后相继开发了YEV-5201T、YEV-060F、YEV-150F等牌号产品，截至2022年底已累计实现产销逾3万吨，成为国内该领域的龙头企业，广泛应用于国内头部湿法隔膜企业，并远销海外。

随着锂电池容量的提升，对隔膜减薄的要求越来越高，对隔膜原料的要求进一步提升：聚合物分子量提高的同时，还需要使聚合物粉料的粒径更细、分布更窄、堆积密度更高、流动性更好，另外还需保证装置的连续平稳生产。传统的非球形催化剂已无法满足更高的要求，开发新一代适用于高端隔膜专用料生产的球形催化剂势在必行。

北化院科研团队在BCE-C300催化剂的基础上，经过多年探索，开发了新一代球形BCC催化剂，制备的锂电池隔膜专用料颗粒形态好、球形度高、堆积密度高、大颗粒和细粉含量少，流动性好。催化剂于今年在扬子石化三井CX淤浆工艺装置上完成工业应用试验，成为首个在淤浆聚乙烯工艺实现工业化应用的球形催化剂，也是目前唯一能够在淤浆聚乙烯工艺实现高品质细粒径UHMWPE锂电池隔膜专用料连续稳定量产的催化剂，制备的专用料树脂在下游厂家应用效果良好。

开发生产性能、批次稳定的隔膜专用料是行业发展方向

当前，我国锂电池隔膜行业正处于高速发展的阶段，短期内聚烯烃隔膜凭借明显的价格优势，主流地位仍无法动摇。较高的毛利润也使隔膜厂商对生产技术的研发热情高涨。目前国产隔膜专用料已经取得了较大突破，但仍存在批次稳定性稍差的问题，不断完善聚合生产工艺条件、严格控制专用料产品质量，以更高技术水平开发、生产出性能更好批次更稳定的隔膜专用料新产品，依然是进一步发展的方向。

我国《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》出台将更加刺激新能源产业版图的扩张。面临越来越激烈的市场竞争，在抓住新形势下新机遇的同时，建议集团公司坚持“新能源业务与新科技新模式发展相融合”发展方略的同时，更要在顶层设计上下好棋，有效整合优势资源，集中力量突破关键薄弱环节，形成全产业链一体化的高效管理模式，防止出现“低端产品过剩，高端产品依然紧缺”的局面。加快创新驱动，加大研发投入力度，扶持重点平台和重点实验室建设，在催化剂、专用料乃至隔膜和电池等整个产业链关键核心技术上实施“大兵团作战”，促进基础研究与应用研究水平共同提高，在技术研发、制造成本控制和市场拓展上抢占领先地位。加快培育新能源领域全链条高层次领军人才，行业涉及多种学科交叉，强化以产品为导向的“产学研”合作，上下游联动构建从基础研究到产业化整体人才体系，助力国家全面实现“双碳”目标。