在电池行业中，有一张膜至关重要，那就是质子交换膜。在氢燃料电池与液流电池如火如荼的发展态势下，质子交换膜作为其中的核心材料，也搭上了行业成长的顺风车。
然而，正如芯片之于电子行业，质子交换膜也紧紧地“扼住了电池的咽喉”。长期以来，国内相关产品都不得不依赖进口，量少且价高，可谓是“千金难买一膜”。
这是因为，要造出这张薄薄的膜，工艺难和成本高是横在国内选手面前难以渡过的湍流。
那么，质子交换膜要如何走出一条国产替代之路？国产膜何时能够成为支撑电池行业的中流砥柱？
本文将分以下三个部分，分析质子交换膜的技术难点与市场痛点，并提出国产化的破局点：
1、电池的“芯片”
质子交换膜，顾名思义，是用作正负极间质子（氢离子）交换的场所，它的特异功能是可以让质子选择性透过，从而保证电极之间的离子交换顺利完成，最终完成电池的功能。同时，质子交换膜也对正负极的电解液进行隔绝，避免交叉污染。
这片薄薄的聚合物膜的发明，源自于人们对清洁能源的不懈追求。早在1800年，英国化学家提出电解水可以制氢。几十年后，第一个氢燃料电池诞生。
到了20世纪50年代末，美国通用电气公司将铂作为催化剂沉积在膜上，研发了质子交换膜燃料电池，用于NASA的太空任务。
最早的质子交换膜是聚苯甲醛磺酸膜，这种材料在干燥条件下易开裂。此后研制的聚苯乙烯磺酸膜（PSSA），能够在干湿状态下都保持较好的机械稳定性。
20世纪60年代，美国杜邦公司开发了全氟磺酸（PFSA）膜，即Nafion系列产品。
这一产品可以说是质子交换膜发展史上的里程碑，其凭借着优异的化学稳定性、高机械强度，以及在低温和高湿度下突出的离子电导率，大大提升了燃料电池的性能和使用寿命，同时还能降低催化剂成本。
此后，质子交换膜从实验室走向了商业化，在氯碱工业、燃料电池、液流电池等领域得到广泛应用，越来越多的入局者相继开发了多种技术路线，相关的论文和专利数量迅速增加。
目前根据含氟情况分类，质子交换膜主要包括全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜、非氟化质子交换膜、复合质子交换膜。其中大部分仍处在研究阶段，市场上应用最为广泛的仍然是全氟磺酸膜。
继杜邦公司以后，日本的旭硝子公司（Asahi Glass）、旭化成公司（Asahi Chemicals），美国的道化学公司（Dow），加拿大的巴拉德公司（Ballard），比利时的苏威公司（Solvay），相继开发出不同结构的全氟磺酸膜，这几家公司也成为了质子交换膜领域的巨头。
全氟磺酸膜被称为氟化工产业链的技术难度巅峰。那么，全氟磺酸膜的工艺难点究竟在哪里？
从制备过程来看，困难主要来自四个环节：原材料PSVE单体的制备、四氟乙烯的获取、树脂的聚合和成膜。
PSVE单体，即全氟磺酰基乙烯基醚，其制备反应条件十分严苛。为了规避技术纠纷，各厂家领先开发出不同结构的PSVE单体后纷纷申请专利，因此这一环节专利保护性较强。
四氟乙烯是制作全氟磺酸树脂的核心原材料，具有易爆炸特点，运输难度大，因此生产全氟磺酸膜的企业，一般需要具备四氟乙烯的自供能力。
树脂的聚合与成膜过程，存在着机械强度难以保证、产品平整度和厚度难以取舍的问题，使其满足工业化生产规模具备相当大的技术难度。
质子交换膜的高工艺壁垒，使产品从一出生就被打上了“制作难”“价格高”的标签，主流的技术也已经被国外抢跑。那么，国内玩家还能否拿到入局的门票呢？
答案藏在中国的能源革命。
2、锂电池的利润增长点
近年来，锂电池隔膜产量增速加大，年复合增长率高达70%以上。锂电池隔膜在动力电池中成本占到10-15%，根据目前隔膜的需求发展，市场容量可达100-200亿元。
起初，我国中高端锂电池隔膜大部分依赖进口。近几年，随着国内技术不断完善，隔膜生产逐步由进口转为国产化，而且由干法拉伸膜转向性能更优的湿法拉伸膜。
依托新能源汽车的发展，锂电池隔膜是未来10年需求持续增加的一个香饽饽产品。据国金证券统计，2021年，电动车行业总体平均毛利率为27.8%，隔膜行业毛利率为 36.1%，显著高于大部分细分赛道 。
隔膜行业内部企业的盈利能力差距同样很大。一线龙头凭借综合优势，利润率较二三线企业往往高出十几乃至几十个百分点，且这种优势通常还是建立在产品本身具备价格优势的前提下，并不需要牺牲利润空间。这种盈利能力的差异化，进一步巩固了头部企业的竞争力，加剧了二三线企业的追赶难度。
锂电池隔膜的生产原料主要是聚乙烯和聚丙烯，其加工工艺是典型的塑料薄膜加工工艺。湿法锂电池隔膜的生产主要是以聚乙烯类为原料，加入增塑剂软化，经螺杆挤出机挤出形成铸片，然后双向拉伸，除去白油，形成微孔膜。根据现有技术，一条隔膜生产线的产能一般在5000万平方米，产值可达1亿元。传统塑料薄膜企业转型升级生产锂电池隔膜是一个不错的选择。
3、国产化出路在何方？
国产质子交换膜被海外巨头的两只手卡住了脖子，那就是技术与市场。
首先，全氟物质的合成与磺化、后续的成膜环节都有着极高的技术要求与繁琐的工艺流程。
目前工业中生产全氟磺酸质子交换膜的方法，主要是用全氟磺酸树脂通过熔融挤出法和流延法制成膜。
熔融挤出法是最早用于制备全氟磺酸膜的方法，工艺成熟、生产效率高、环境友好，但生产的膜较厚，且挤出成型的膜需要经过水解转型才能得到最终产品，而水解工艺几乎被美国和日本企业所垄断。
流延法成膜具有产品更薄、性能更好的优势。杜邦的Nafion系列中，用于储能方面的膜主要是采用流延法生产的NR211和NR212，其厚度分别为25.4微米和50.8微米，而采用挤出法生产的N115和N117，其厚度分别为125微米和183微米。
但流延法工序长、流程复杂，且其中使用的有机溶剂回收难度较大。目前国产全氟磺酸膜龙头东岳集团和苏州科润采用的是钢带流延法，其产品性能与国外同类竞品仍有一定差距。
根据德温特创新数据库的数据，日本质子交换膜专利数量达到全球50%，而中国相关专利只占10%左右，国内企业往往需要依赖专利授权切入质子交换膜领域。
其次，居于电池“心脏”地位的质子交换膜，对于膜厚度、化学稳定性、质子传导率等性能指标有着高要求，先发企业通过验证进入正式产线后，就牢牢粘住了客户。高替换成本使得后来者难以居上。
国产膜的普遍厚度只能做到15微米。国电投氢能公司能够生产8微米的质子交换膜，但距离大规模量产仍有较大距离。而美国戈尔在杜邦Nafion膜基础上生产出的增强型Select膜，最薄可达5微米，其8微米膜已经实现量产。
截至2019年，戈尔的质子交换膜为大部分国内膜电极生产厂商使用，市场份额高达90%以上。面对高度集中的市场格局，国内玩家目前只能打价格牌，以较国外低30%-40%的售价争取生存空间。
低价倾销策略在高端局终归走不了太远。
卡脖子的手，未尝不能变成未来质子交换膜国产化的抓手。
技术方面，国产膜可以另辟蹊径，自研其他技术路径。主流的全氟磺酸膜存在尺寸稳定性差、燃料渗透率高等问题，且高昂的价格一定程度上限制了全钒液流电池的产品化和工业化。
非氟离子交换膜具有广泛而廉价的材料来源。在国家支持下，中国科学院大连物化所和大连融科研发团队研究开发了非氟离子交换膜材料，实现了非氟膜材料自主化小批量生产。
市场方面，国产质子交换膜可以借鉴锂电隔膜的发展经验，团结产业链力量、降低成本。
锂电池隔膜行业中，湿法设备严重依赖进口，限制了产能扩张，也给企业带来了高额设备投资负担。目前隔膜企业一边大力采购海外设备，另一边也在积极推动国产设备进口替代进程。
此外，锂电池隔膜企业还通过一体化来降低生产成本，并控制产品质量。伴随着涂覆膜需求的增长，越来越多的隔膜龙头开始自建产线，生产出基膜后直接进行涂覆，大大提高了品控效率和盈利空间。
向上推动生产设备国产化，向下垂直进行一体化，可能会让国产高性能质子交换膜大规模量产的那一天，更早地到来。
4、背靠锂电，增长不愁
隔膜作为锂电池关键组件，行业近年显著受益于蓬勃发展的动力电池市场与储能市场，呈现飞速增长的态势，且在全球性的绿色经济浪潮短期不会有重大转向的前提下，这种增长具备一定的可持续性。
数据显示，2021年中国中国锂电隔膜出货量78亿平米，同比增长超100%；2022年上半年锂电隔膜出货量54亿平米，同比增长超55% （该统计口径仅计算基膜出货量）。
隔膜市场的繁荣不难理解，就是受下游的动力电池市场驱动：2021年，中国动力电池市场出货量达220GWh，同步增速超170%；仅在2022年上半年，国内动力电池已经实现超过200GWh出货，同比增速超150%，其对应的主材需求是隔膜行业的关键支撑。同时，伴随着中国隔膜企业的竞争力走强，海外电池出货量的增长，也在带动国内内隔膜产品的出口量同样增长明显。
市占率方面，受益于资金、技术、成本、客户等方面的综合优势，国产隔膜在全球市场占比高，且仍在快速扩张。2021年全球隔膜出货量108亿平，同比增长72%，其中我国隔膜出货量占72%，较2020年提升12个百分点，其中恩捷、星源、中材三家企业合计出货就达到49亿平，占全球份额的45%。中国本土企业同时贡献了全球隔膜行业的绝大部分增量：2021年全球隔膜出货增量为45.2亿平，其中 40.8亿平，约90%来自国内企业 。
具体到国内隔膜市场，受上文提到的行业特征影响，龙头企业相较于尾部企业拥有全方位的优势，导致市场集中度很高，竞争力不足的后进企业则被持续整合（苏州捷力、Celgard、纽米科技等）或直接淘汰河南义腾、东皋隔膜、鸿图隔膜等。即使在供应紧俏，头部企业满产满销、订单外溢的情况下，行业集中度不断提高的趋势也没有改变。
2021年，中国锂电隔膜的前三名公司市占率（CR3）高达64%，CR6则为81%；在2022年上半年，伴随着新增产线投产，行业集中度进一步提高，CR3/CR6分别提升至65%/83% 。
从细分的市场看，湿法隔膜行业格局表现为“一超多强”，干法格局则为“三足鼎立”：恩捷股份作为当之无愧的行业龙头在湿法市场占比过半，CR5则逼近89%；干法市场CR3不到70%，中兴新材、星源材质、惠强新材三家头部企业差距不大，但远超尾部企业。考虑到恩捷股份已与宁德时代合作布局干法薄膜项目（20亿平/年），未来该细分市场的格局很可能出现较大变化。
