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  • 专访:无纺布bobApp应用首页领域权威专家——兵头建二博士
    更新时间:2018-09-11   阅读次数:786

    专访:无纺布bobApp应用首页领域权威专家——兵头建二博士

    近年来,随着锂电池产业的蓬勃发展,市场对锂电池性能上的要求也越来越高。锂电池的安全性,大功率的充放电、续航里程的提升等一系列问题也随之出现。而对锂电池中的每个材料进行相应的升级换代必定会成为解决这些问题的突破口。今天我们将要讲到的无纺布bobApp应用首页,很有可能是现有聚烯烃类bobApp应用首页升级换代的一个重要方向。

    无纺布bobApp应用首页的一些基础特点,尤其是和传统PP\PEbobApp应用首页相比所具有的优势(比如快充、安全性等一些优势),决定了它在锂电池今后所应用的bobApp应用首页材料中应该占有一席之地。目前,据真锂研究掌握的信息,已有多家电池厂商对无纺布bobApp应用首页表现出了浓厚的兴趣,也有部分电池厂商正在试用这类产品并且取得了良好的反馈。

    为了对无纺布bobApp应用首页有更加深入的了解,真锂研究邀请到了原三菱制纸筑波研究院院长、日本信州大学教授、现任bobApp应用首页_bob体育官网_bob游戏官方平台首席科学家——兵头建二博士。兵头建二博士具有25年的电池bobApp应用首页、纳米纤维素,反渗透膜支持体的研发经历,不仅与日本多家电池厂商(如:松下,AESC等),还和中国数十家电池厂商的研发人员都有着深入的交流探讨。目前,兵头建二博士共有专利300多项。

    以下是兵头建二博士对无纺布bobApp应用首页相关问题的回答(中日文对照,日文在文章后面一部分)。

    1. 您认为无纺布bobApp应用首页与现在的传统bobApp应用首页主要区别在哪里?

    兵头博士:这个问题看似简单,从深层意义上去思考,其实是一个很难的问题。

    首先,从材料上来看,PP/PE和无纺布(这里指的是PET无纺布)都使用了不同玻璃化转变温度的高分子材料。简单来说,PP/PE的玻璃化转变温度在常温以下,随着温度的上升,膜的材料会变得越来越柔软(严格来说,是分子在局部加速运动的温度)。例如,电池内部温度在大约60℃进行充放电时,电极会反复膨胀、收缩,PP/PEbobApp应用首页在受到反复收缩应力的影响下,孔隙率会渐渐变少。然而,使用PET无纺布的情况下,其玻璃化转变温度在80℃以上,随着温度的上升不但不会变得柔软,还能很好的保持稳定的孔隙率,使电池的循环寿命更长。

    实际上,同样的现象在镍氢电池的使用中已经得到验证。高倍率的镍氢电池工作时,电池内部温度会超过100℃时,使用一般的bobApp应用首页,或是一般尼龙材质的bobApp应用首页,在D型电池200A放电的条件下,仅进行数次充放电循环,bobApp应用首页就会很快劣化。如果使用高玻璃化转变温度的特殊尼龙材质的bobApp应用首页,则电池的寿命会有飞跃性的提升,三洋电机已发表过这项研究结果。

    今后,很多事实会在试验中不断的被验证,就像当初,由玻纤制成的无纺布bobApp应用首页,也可以应用在锂离子电池里,还有,PP/PE微孔膜,在最初也被认为孔径及孔隙率大,但当时的锂离子电池主要应用于相机和手机上,对bobApp应用首页的要求是厚度薄,且具有闭孔功能,致使微孔膜的发展占有一定的优势。

    1. 无纺布bobApp应用首页目前有规模化的应用吗?具体是应用在哪些地方?

    兵头博士:如同刚才所说,无纺布的厚度无法做到很薄,目前能够量产的最薄无纺布bobApp应用首页是由纤维素制成的,厚度为12-15μm,并且孔径最小化很难实现。另外,要增加闭孔功能的话,还会再增加2-3元/平米的成本。但是储能和动力电池没有必要增加闭孔功能,所以,我认为无纺布bobApp应用首页适用于大型电池,最适合大型、长循环寿命要求的储能和动力电池。

    同样的现象,从铅酸电池也可以解释。小型的铅酸电池,使用的是微细玻璃纤维制成的孔径较小的bobApp应用首页,而几百Ah以上的大型铅酸电池所使用的bobApp应用首页,则是孔径非常大的bobApp应用首页。

    目前无纺布bobApp应用首页是处于小批量生产阶段,还没大批量被使用。但是已经有很多电池厂商对此表现出了很大的兴趣,并且有的已经在中试的过程中。

    1. 您认为无纺布bobApp应用首页以后的前景如何?

    兵头博士:我认为无纺布bobApp应用首页的前景非常光明。相较3C数码,储能电池和动力电池领域的成长空间更大,因为它非常适合单体大容量电池,比如20-30Ah单体更大容量的电池将会更多采用无纺布bobApp应用首页,尤其在大型储能、EV车,PHEV车等都会被更广泛的使用。我预计到2020年无纺布bobApp应用首页大约有1亿平米的用量。

    1. 无纺布bobApp应用首页目前的制造技术的难点在哪个环节?有办法能够解决吗?

    兵头博士:主要是设备的问题,我认为无纺布在量产方面(单位时间内的生产面积),相较PP/PE微孔膜,绝不会逊色。传统bobApp应用首页的生产速度大约在为30-50米每分钟,假定2米宽幅时传统bobApp应用首页生产速度为60-100平米每分钟,3米宽时为100-150平米每分钟的情况下,而无纺布的最大速度可以到达200平方米每分钟。而要想达到这样的生产效率,能够解决的办法之一,是日本信州大学金翼水教授利用静电纺丝技术开发了能够连续成膜的方法,机体宽幅为3.8米、长度为80米以上的静电纺丝设备,可以大大改善静电纺丝的量产效率,也同样适用于其它类型的无纺布bobApp应用首页生产。

    从成本上来说,制造过程中需要根据bobApp应用首页的孔径,厚度,均匀度,来采用相匹配的纤维。一般来说纤维越细,成本越高。纳米级别直径的PET纤维,成本为1万日元/kg(人民币约600元/公斤)以上。如果用该级别的纤维作为无纺布bobApp应用首页的材料,成本约为100日元(人民币约6元)每平米以上。

    另外一种方法是将现有的纤维研磨的更细,这种方法已经应用于超级电容器的bobApp应用首页制造上。纤维研磨方式也可适用于锂电池,但要具体根据情况,决定是否需涂布陶瓷涂层。相信今后还会有更多的技术被应用到这个领域。

    1. 目前无纺布bobApp应用首页的售价相比传统bobApp应用首页较高,请问无纺布bobApp应用首页的成本应该如何下降?

    兵头博士:普通PET纤维的价格为20-150元/kg,最贵的可达600元/kg以上。PI纤维为30-50元/kg。无纺布bobApp应用首页一半以上的成本为纤维,1平米使用10g的纤维的情况下,普通纤维的成本约为0.2-1.5元每平米,基本和传统bobApp应用首页的成本大体相当,如果使用纳米级的纤维的成本约为5-6元每平米。所以无纺布bobApp应用首页的成本根据纤维的构成变化很大,使用粗纤维成本很低,使用纳米级的纤维则成本很高。

    成本降低的方式有很多种,比如提高生产效率,提高良品率,改进现有的生产工艺,在厚度方面不能一味的追求太薄。

    1. 不同原材料制造的无纺布bobApp应用首页有哪些差异?如芳纶、PET、纤维素等。

    兵头博士:不同原材料制造的无纺布bobApp应用首页有很多的不同之处,最显著的不同,是耐热性能,比如芳纶,间位芳纶可以达到420℃左右的熔融分解温度,对位芳纶可以承受600℃。而PET的耐热性可达到200℃以上,能够很好的适用于普通的锂离子电池。

    图表:不同原材料制造的无纺布bobApp应用首页的主要差异


    其次,还有纤维粗细的不同,芳纶的纤维无法做细,成本也很高。PET的纤维可以做到很细,强度也较强。纤维素的话,纤维越细强度越低,且无法承受高电压,但是纤维素的价格便宜,容易被磨碎成亚微米级别的尺寸。另外,特殊的纤维素在被磨碎后,其断面为微米级别的圆形,能形成低密度的薄片,因此可以广泛适用于需要高倍率输出的LTO电池和超级电容器。PI纤维无法做细,成本很高。

    经常有人会说到,PET在电池中会分解,不是很适用,这是由于电池中产生了水分和负极表面形成的枝晶直接接触到PET纤维而造成的。如果在PET无纺布表面涂覆陶瓷或PVDF,就能有效杜绝该问题的发生。

    1. 目前海内外无纺布bobApp应用首页量产的企业是哪些?与骏东科技的无纺布陶瓷bobApp应用首页相比具有哪些优势和劣势?

    兵头博士:在我所知的范围内,从事纤维素无纺布bobApp应用首页量产的公司,日本有2-4家,美国有1家。日本的企业有日本高度纸工业,广濑制纸和三菱制纸,日本高度纸工业的纤维素bobApp应用首页,每年有2、3千万平米的销量,广濑制纸和三菱制纸约为每年1千万平米左右。锂电方面,唯一量产是日本高度纸工业,在LTO电池领域每年有2、3千万平米的出货量,销售额为每年数亿日元。另外,从事研发和生产陶瓷涂覆无纺布bobApp应用首页的公司,欧洲有科德宝和德固赛,中国除了骏东科技以外,还有从事静电纺丝PIbobApp应用首页的江西先材。

    骏东科技和海外的无纺布bobApp应用首页厂商相比,没有大的不同。最大的不同,我认为是和电池厂商的沟通方面。骏东科技是在中国国内生产,有很好的研发团队和研发设备为技术支撑,能够更快更好地对应中国境内电池厂商的细致需求。

    1. 目前有哪些海内外的汽车厂在使用无纺布bobApp应用首页?使用的效果如何?

    兵头博士:最初将无纺布涂覆陶瓷作为bobApp应用首页使用的是德国的德固赛(Degussa)公司(即后来的Evonik,现在已被Electovaya公司所收购)。德固赛(Degussa)公司和日本的ENAX公司(日本的电池之父小泽博士设立的公司),共同开发bobApp应用首页时,就对无纺布陶瓷bobApp应用首页能否用于电池上进行了验证。实际上,当时在公交车和火车上验证了无纺布陶瓷bobApp应用首页的安全性。但是ENAX公司的无纺布bobApp应用首页产品到目前为止还没有具体应用,日本目前只有在LTO电池领域,估计每年有2、3千万平米的用量.

    在电动汽车方面,德固赛公司和戴姆勒公司联合成立了LiTech公司,电池产品搭载于戴姆勒公司的小型电动车Smart。其安全性非常优越,但是据说没有得到大力推广的问题在于量产规模小,电池成本过高,并且戴姆勒公司已经停止该项目的投资,没有继续使用了。

    1. 今后您对bobApp应用首页的研究方向在哪里?

    兵头博士:我正在和日本信州大学的金翼水教授一同开发下一代静电纺丝bobApp应用首页。我们试着采用不同耐热性的高分子,来制造出更低成本,更安全的产品。

    目前,应用于飞机的锂离子电池正在加速开发中,这个领域要求bobApp应用首页更轻量化,能承受更高能量密度。我认为无纺布bobApp应用首页会在这个领域发挥很好的应用价值。

    1. 最后,请谈一下您对中国和日本锂离子电池发展的看法?

    兵头博士:我本人是1983年至1985年在美国宾夕法尼亚大学留学,从事导电性高分子的研究。当时,艾伦·G·马克迪尔米德教授(2000年诺贝尔化学奖得主)正在进行正负极都采用聚乙炔来制作锂离子电池的研究。研究室里,有几名日本和中国留学生。虽然,日本率先实现了锂离子电池的量产,但从锂离子电池的各种突破历程中可见,日本、中国、美国、欧洲都有着各种发明和改良。据说中国已经和美国、欧洲建立了线上的技术信息共享,推进研究的机构。和美国、欧洲相比,日本离中国更近,时差也仅有1小时,我认为中国和日本可以共同协作,共同开发,成为最紧密的伙伴。


    由真锂研究发起的2018全球锂电产业链高峰论坛(中日韩锂电论坛2018)定于2018年10月17-18日在北京市 丰大国际大酒店举办,论坛规模预计500人左右,论坛主题为锂电产业链(含下游电动汽车应用及储能应用)技术研讨、市场交流和产业投资分析。此次论坛我们也邀请到了文中提到的兵头建二博士和日本信州大学金翼水教授作为演讲嘉宾来和大家深入的探讨锂电池bobApp应用首页的技术方向与未来的发展趋势。

    欢迎联系咨询

    组委会秘书处:

    ① 真锂研究:王观林(151 0223 3417)、贾宏伟(132 6938 1756)联系电话/传真010-69725089

    ② 旺材锂电:祝银茶(135 8561 5054)

    ③ 德意志银行:舒航(+852-59011995)

    ——————————-以下是日语原文———————————-

    1. 您认为无纺布bobApp应用首页与现在的传统bobApp应用首页主要区别在哪里?

    兵头博士:この質問は、簡単ですが、意味するとことはいろいろあり、実はかなり難しい質問です。材料の面から言えば、PP/PEと不織布(この場合、PETとしておきます。)では、使われている高分子のガラス転移温度が違うと言うことです。簡単に言えば、PP/PEは、ガラス転移温度が室温以下ですので、温度が上がるにつれて、膜の材料がどんどん柔らかくなっていくということです。(厳密には、分子が局部的により大きく動き出す温度)例えば、電池内部の温度が60℃ぐらいで充放電で電極が膨張、収縮を繰り返すと、セパレターに繰り返し圧縮応力がかかるので空隙率は徐々に小さくなっていくと考えられます。PETの場合は、ガラス転移温度が80℃以上ですので、それまでは、温度が上がっても柔らかくなることはありませんので、空隙率は維持され、その分、繰り返し寿命が長くなると考えられます。

    実は、同様な現象はニッケルカドミウムの時にも認められていました。高出力のニッケルカドミウム電池の場合、電池内部の温度が100℃を超すと言われていますが、一般的なセパレーターを使った場合、D型電池で200A放電を数回繰り返しますと、一般的なナイロンセパレーターでは、数回の充放電でセパレーターが劣化しますが、ガラス転移温度の高い特殊ナイロンを使うと電池の寿命が飛躍的に伸びることが三洋電機によって発表されています。

    今後、いろいろと確かなことを調べて行きたいと考えていますが、初期の頃のリチウムイオン電池は、一般的なマイクロガラスでできた不織布セパレーターが使われていたと思います。また、PPやPEのフィルムセパレーターも初期の頃は、ポア径も空隙率も大きかったのではと考えています。それが、リチウムイオン電池がビデオカムや携帯電話に使われ出すことにより、薄膜化、シャットダウン特性などが要求され出すことにより、不織布はフェイドアウトし、フィルムセパが優勢になってきたと考えています。

    1. 无纺布bobApp应用首页目前有规模化的应用吗?具体是应用在哪些地方?

    兵头博士:先にも述べましたが、不織布は薄型化、ポア径の最小化には向いていません。また、シャットダウン特性を持たせるには余分なコストがかかります。不織布セパは大型電池に向いている物と思われます。大型で、長寿命に向いているので、貯蔵用電池には最適ど思います。セルロースベースだと12−15μmが実用化されています。シャットダウン特性を持たせるには、2−3人民元/㎡。

    同様な現象は、鉛電池でも見られます。一般的な小型の鉛電池では、マイクロガラスを使った比較的ポアの小さいセパレーターが使われますが、数百Ah以上の大きな鉛電池で使われるスペーサーは、穴も非常に大きな単なるスペーサーが使われています。

    1. 您认为无纺布bobApp应用首页以后的前景如何?

    兵头博士:私は、非常に明るいと考えています。これは、リチウムイオン電池分野で、一般の3C分野よりも今後は貯蔵電池や車載用電池分野ののびが大きいと思うからです。

    一つのセルの容量が大きな電池、20−30Ah/セルの容量よりも大きくなる用途は、貯蔵用、EV用、HEV用ともに不織布セパは拡大すると思われます。2020年ではまだ1億m²/年の使用量だと思われます。

    1. 无纺布bobApp应用首页目前的制造技术的难点在哪个环节?有办法能够解决吗?

    兵头博士:一般的な不織布の場合、生産性はPP/PEフィルムの生産性(単位時間あたりの生産面積)と遜色ないと考えています。フィルムセパレーターの速度は分かりませんが、30−50m/分だと想定しています。この場合、2m幅で作れば 60−100㎡/分、3m幅で作れば 90−150m²/分と想定しています。不織布の場合、最大で200㎡/分での生産は可能だと考えています。これを解決する方法は、信州大の金教授が実証していますが、静電紡糸も一つの考えだと思います。金教授は、3.8m幅で80m以上の連続吐出口をもった静電防止設備を構築し、静電紡糸の生産性は改善できることを実証しています。ポイントは、必要なポア径、厚さ、均一性により使用する繊維を変えなければならず、一般的に繊維は細ければ細いほど高いということです。ナノメートルの直径を持つPET繊維は1万日本円/kg以上します。この繊維のみでセパレーターを作ると原料だけで、100円/㎡以上のコストがかかることになります。

    もう一つのアプローチは、既存の繊維をすり潰してより細かくする方法で、こちらも既に電気二重層キャパシター用セパレーターなどで実用化されています。

    今後さらに、多くの技術開発がなされる領域だと考えています。

    1. 目前无纺布bobApp应用首页的售价相比传统bobApp应用首页较高,请问无纺布bobApp应用首页的成本应该如何下降?

    兵头博士:PET繊維の価格は、20-150人民元/kgで最も高い物は、500人民元/kg以上となっています。PI繊維は、30−50人民元/kgとなっています。不織布のコストの半分以上は、繊維代です。1㎡当たり、10gの繊維を使えば、繊維代は、0.2−1.5人民元/m2となります。あとは、繊維の構成で価格が変わります。安くて太い繊維を使いこなせればコストはやすくなります。厚くする、ポア径を小さく、空隙率を小さくする。→いずれもセパレーターの特性は低下します。

    1. 不同原材料制造的无纺布bobApp应用首页有哪些差异?如芳纶、PET、纤维素等。

    兵头博士:いろいろな違いがありますが、一般的には、耐熱性が大きく違います。アラミドの中でもいわゆるmeta 型と言われるものは溶融分解温度は420℃ぐらいで、para型と呼ばれるものは、600℃でも耐えられます。PETは、生産量も最も多く、耐熱性も200℃以上と一般的なリチウムイオン電池には適していると思われます。

    アラミドは、まだ細い繊維ができません,価格も高いです。PETは細い繊維もできます、強度も強く出来ます。セルロースは、細い繊維にすると強度が低下します。高電圧には耐えられません。セルロースは、価格も安くまた、すり潰すことにより容易にサブミクロンの大きさにすることができます。また、特殊なセルロース繊維を潰したミクロなセルロースの断面は円形に近く、シートを低密度化するのに適しているので、高出力特性が要求されるLTO電池や電気二重層キャパシターで広く使われています。PIは、細い繊維が出来ません、価格も高いです。

    よく、PETは、電池の中では分解するので良く無いと言われていますが、これは、電池の中で発生する水分と、負極表面にできるデンドライトが直接PET繊維に接触する場合に顕著に生じ、PET不織布表面にセラミックやPVDFが塗布されていれば防ぐことがきると考えています。

    1. 目前海内外无纺布bobApp应用首页量产的企业是哪些?与骏东科技的无纺布陶瓷bobApp应用首页相比具有哪些优势和劣势?

    兵头博士:私の知っている範囲では、セルロースの不織布セパレーターを量産しているのは、日本で2−4社、米国で1社あると思います。日本なら日本高度紙工業、廣瀬製紙、三菱製紙、があります。日本高度紙工業のセルロースセパは既に、数千万㎡/年使われていると思います。他は、まだ1千万㎡/年以下の販売量だと思われます。現在は、唯一日本高度紙工業がLTO電池向けに数千万㎡/年で数億円/年の販売をしているものと思われます。また、不織布にセラミックを塗ったセパレーターを開発しているのは、欧州で2社、日本で2社、中国でもJD社以外に静電紡糸したPI不織布にアルミナを江西先材料が塗っていると思います。

    海外の不織布メーカーとJD社の違いは、それほど無いと考えています。最も違うのは、電池メーカーとの交流の仕方だと思います。JD社は中国国内に生産、開発設備があり、開発者も揃っているので、電池メーカーの細かな要求に対応しやすい状況にあります。

    1. 目前有哪些海内外的汽车厂在使用无纺布bobApp应用首页?使用的效果如何?

    兵头博士:最初に不織布にセラミックを塗布したセパレーターを実用化したのは、ドイツのdegussa 社(その後Evonik, 現在はElectovaya社に部門買収された)ですが、これは、日本のENAX社(日本で最初にSonyでLi電池を実用化した小澤博士が設立した会社、現在は積水化学傘下)が、当時分離膜用に開発された不織布セラミックフィルターを電池に使えると実証した物で、実際にバスや鉄道を走らせても安全に使えることを実証していました。LiTech社の電池は高すぎるため、ダイムラーは投資を引き上げて、現在は使われていないと思います。LTOの電池で年間数千万m2/年 使われていると推定しています。その後、degusssa社がLiTechをダイムラー社と創立し、ダイムラー社の小型EV、smartに搭載され販売されていました。安全性が非常に高く良かったのですが、量産の規模が小さく、電池コストが高いのが問題だったと聞いています。

    1. 今后您对bobApp应用首页的研究方向在哪里?

    兵头博士:私は、信州大学で金教授と一緒に次世代型の静電紡糸セパの開発を行っています。これまでとは、違った耐熱性のポリマーを使ってより安く、より安全に製造する方法を考えています。また、現在、リチウムイオン電池を使った飛行機の開発がかなり加速されていますが、この分野では、より軽く、より高エネルギー密度に耐えられるセパレーターが要求されると考えています。この分野も不織布には向いている分野だと考えています。

    1. 最后,请谈一下您对中国和日本锂离子电池发展的看法?

    兵头博士:私は、1983年から85年にかけて米国ペンシルベニア大学で導電性高分子の研究をしていました。当時、マクダミド教授(2000年にノーベル化学賞受賞)は、正極も負極もポリアセチレンを使ったリチウムイオン電池の研究をしていました。研究室には、日本人の他に中国人の留学生も何人かおられました。実用化では日本が先行しましたが、リチウムイオン電池の個個のブレークスルーを見てみると、日本、中国、米国、欧州のそれぞれで多くの発見、改良が行われています。中国は、既に米国や欧州でオンラインで技術情報を共有しながら研究を進めている機関もあると聞いています。日本は、欧州や、米国と比べ、中国とは距離も近く、時差も1時間しか無く共同開発を進めるには最も良いパートナーになれると考えています。


    致力于解决中国动力锂电池bobApp应用首页的技术空白、为社会带来更安全更环保的产品