高值化延伸薄膜加工及材料應用

 

刊登日期:2017/2/5
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高分子延伸薄膜產業發展快速,市場已遍布世界各地,因其機械性能、透明度、氣體阻隔性等特性優異且價格便宜,故在食品、民生化學品、生醫藥品及電子材料包裝等領域應用甚廣。然而,目前在全球高分子延伸薄膜市場裡,泰半的供給量都已轉移到中國,在量能競爭下利潤逐漸減少,對台灣而言,發展具有特殊功能性之高分子機能膜,以達到高值化的目標是正確的轉型方向。本篇將介紹兩種高值化機能延伸薄膜,如聚丙烯電容膜、鋰電池隔離膜等材料的加工與應用,並分析台灣在該領域的現況及未來。

塑膠電容膜
電容器形式分為電解(Electrolytic)、陶瓷(Ceramic)及塑膠薄膜(Plastic Film)。電解電容器使用液體做為導體,而薄膜電容器(Film Capacitor)則因為在兩個金屬片之間使用塑膠薄膜而得其名,現今已佔據了部分市場,表一分析了三種電容器形式的基本特性及優缺點點。在新能源載具產業,塑膠薄膜電容器扮演著重要的角色,全球電動車、油電車等產量自2015年的370萬台,到2016年突破450萬台,由此可看出該領域的成長力道(圖二)。


圖二、全球新能源載具數量
圖二、全球新能源載具數量

圖四為雙軸延伸聚丙烯膜(BOPP)的製程,現階段在台灣常見的是包裝應用,厚度較厚(15 μm以上),而電容器用途薄膜厚度介於 2~8 μm,屬於較高端產品,技術力需求高,對於廠區潔淨度的要求也較一般包裝用廠區高,原料的潔淨度必須保持在灰分<50 ppm。整體而言,在機台設計、廠室環境及原料,都需要針對電容膜需求作特化處理,台灣目前未有這樣的生產線。然而,薄型電容膜毛利高於一般包裝用途的 BOPP,原膜厚度在 10 μm的 BOPP,售價為 US $5/kg;原膜厚度在 4 μm的 BOPP,售價為 US $7/kg,而蒸鍍後之 MPP價格更是翻倍,可以達到 US $15/kg以上。如能朝這方向努力,建立國內自主開發技術,便可逐漸推動石化高值化的目標。

鋰電池隔離膜
由於鋰離子電池具有高能量密度、沒有記憶效應、循環壽命長以及低自放電等優勢,目前為最廣為使用的儲能系統。電池隔離膜(Battery Separators)是鋰電池中的關鍵材料,其作用為隔絕兩極,避免造成短路,同時傳遞離子使得電池反應可以進行,持續供給能量為外部元件所用。鋰電池隔離膜大都是使用絕緣的微孔隙塑料薄膜,塑料的高絕緣性可以防止電子透過隔離膜導通,造成內部短路。隔離膜材料正是肩負鋰電池安全的重要防線,當鋰電池發生內部短路時,電化學反應將不受控制的快速發生,伴隨而來的是大量放熱,最終電池發生熱爆走(Thermal Runaway)而燃燒爆炸。

 

圖五、鋰電池基本結構與反應式
圖五、鋰電池基本結構與反應式

綜合來看,鋰電池材料產業在 2014~2015年依然維持高度成長,幅度達到 25.9%,規模來到 83億美元。一直以來鋰電池隔離膜市場皆呈現寡占的局面,分別由日商旭化成(Asahi Kasei)、東麗機能膜(Toray BSF)、韓商 SK Innovation與美商 Polypore企業集團子公司Celgard等四家占有 75%以上市場。

隔離膜長期為國內鋰電池產業缺口,工研院材化所團隊看好乾式隔離膜門檻較高並具有製程成本優勢,持續投入乾式隔離膜研發,自行設計乾式隔離膜實驗產線(圖八),並完成製程調整,所試產之隔離膜卷如圖九所示。表四為工研院團隊研發之聚乙烯以及聚丙烯隔離膜產品規格,並實際組裝電池測試,其電化學行為與Celgard商品一致(圖十、圖十一)。塑膠電容膜及鋰電池隔離膜都是由BOPP變化而成的特殊用途產品,成本低但---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:劉弘仁、李治宏 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」362期,更多資料請見下方附檔。


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