鋰離子電池軟包裝鋁塑復合膜綜述

鄧 可

(中色科技股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215125)

鋁塑復合膜在微觀結構上綜合利用金屬鋁箔的極高阻隔性、塑料薄膜的柔軟性，通過復合工藝制備出具有二維結構、兼具環保優勢和使用性能優勢的包裝材料。鋁塑復合膜作為軟包裝鋰電池電芯封裝的重要材料，在鋰電池產品包裝中的應用迅速發展，被廣泛應用于消費電子產品、新能源汽車、電動工具、醫療器械、無人機等領域。

1 鋰電池軟包用鋁塑復合膜的簡介

1.1 基本概念

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

圖1 鋁塑復合膜在鋰電池中的應用示意及其基本構成圖

(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計的，在化學穩定性方面具有比較好的作用。作為穩定的復合層和熱封層，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—保護層(厚度15μm～25μm)，外層之所以被稱為保護層，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構，鋁塑復合膜在鋰離子電池包裝上的應用具有以下特點。

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

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

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

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

(5)放電電流大、平臺高。軟包裝電池內部為真空狀態，正極、隔膜和負極之間更為緊密，內阻小，放電電流和平臺得到更有效的釋放。有數據顯示，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，內阻小，降低了電池的自耗電。

1.3 生產工藝

在生產中，鋁塑復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行粘結，然后在干壓的狀態下合成；熱法工藝是用聚丙烯多孔發泡材料將鋁和聚丙烯粘結，在經過緩慢升溫升壓，熱壓的狀態下合成。工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

干法鋁塑膜主要優點是深沖成型性能好、抗短路性能優、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。而熱法工藝生產的鋁塑膜，其鋁層與聚丙烯層之間的結合力大，防止電解質溶脹和內表面層脫落的能力得到提高。但是，這種特殊處理的MPP 需要經過較高的溫度將其熔化才能起到粘結作用。由于各材料收縮系數的差異，冷卻過程中容易出現向內卷曲的現象，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，且制備工藝相對復雜。

兩種工藝各具優勢。干法應用更加廣泛，如手機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；熱合法主要應用于3C領域電池。

2 市場需求及行業現狀

2.1 行業現狀

作為軟包鋰電池的關鍵材料，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業核心原材料國產率最低的環節。日本三大生產廠商大日本印刷(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%。國內市場需求基本依賴進口，國產替代進口的空間非常大。國外鋁塑膜生產企業概況見表1。

表1 國外鋁塑膜生產企業概況表

鋁塑膜產品附加值高，行業前景預期良好。隨著下游消費類和動力電池需求持續高增長，潛在市場規模將達到百億級別。面對巨大的市場和價值誘惑，以及下游鋰電池廠商對進口替代的迫切需求，國內各大企業先后布局鋰電池軟包鋁塑膜產業。國內鋁塑膜生產企業概況見表2。

表2 國內鋁塑膜生產企業概況表

2.2 市場需求

據起點研究院(SPIR)數據顯示，2020年動力電池總裝機量為61.8GWh，其中軟包電池裝機量為3535.3MWh，占比5.7%，鋁塑膜的需求量超過2.2億m2。2021年上半年，新能源汽車產銷量的提速爆發引發了相關行業加速發展。隨著下游市場放量，動力電池需求量增幅將達到甚至超過50%，預計2025年全球動力電池規模將步入TWh時代。新能源汽車領域將是軟包鋰電池用鋁塑膜主要增長動力。

3 鋁塑復合膜的發展前景

鋰離子電池自熱性好、空間利用率高、結構靈活、重量輕，軟包裝的鋰離子電池目前被認為是主流電池類型，占有很大的市場。雖然國內的鋁塑膜具有價格優勢和廣大的市場空間，國產鋁塑膜仍需優化改進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，很多國家由于經濟發展較快，很早時候就已經開始投入鋁塑復合膜的使用，甚至在某些國家鋁塑行業已趨于成熟，逐步邁向平穩發展，而我國在鋁塑復合膜的生產研發上還需加快腳步，逐步在國際市場中站穩腳跟。東南亞、俄羅斯等新興經濟地區，對材料的需求會進一步加大，這將是未來鋁塑復合膜產品又一個新的增長點。

4 結語

我國鋁塑復合膜雖然在近年來得到快速發展，但目前仍有很多的鋁塑復合膜材料還是依賴進口，我國的生產廠家還沒有發展起來。隨著生活質量的提高，未來需要鋁塑復合材料的領域會越來越多，我國在新型材料的研發上仍需進一步加強，與國際水平接軌。