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复合集流体(一)基本概念

2025-01-18 29

集流体是锂离子电池的关键辅材,主要作用是导电,通过将电池的活性物质产生的电流汇集起来以形成较大的电流输出,从而实现化学能转化为电能的过程。集流体既充当正负极活性材料的载体,又充当正负极电子收集与传导体,其作用则是将电池活性物质产生的电流汇集起来,以产生更大的输出电流。因此理想的集流体往往需要具备电导率高、稳定性好、机械强度好、成本较低等多方面综合性能。

锂电池结构拆分及工作原理

通常选择铜箔为负极集流体,选择铝为正极集流体。目前国内动力电池正在加快 6μm 铜箔替代 8μm 的 导入步伐,头部电池企业 6μm 铜箔的渗透率已经超过了 90%,2021 年起头部电池企业进一步加快 4.5μm 极薄铜箔的导入。铝箔因导电性好、质地软、制造技术成熟、成本低等特点成为锂离子电池正极集流体的*,目前应用厚度是 9-20μm。

在锂离子电池中,从质量拆分来看,2021 年集流体的质量占比约 15%,其中铜箔约 8%,铝箔约 7%; 从成本拆分来看,根据现价测算集流体的成本占比约 10.4%,其中铜箔约 9%,铝箔仅 1.4%,由此可见, 铜箔的质量占比和成本占比均高于铝箔。因此对铜箔集流体的技术改进方向较为明确,就是轻薄化,铜箔做薄的好处很明显:一方面降低成本; 另一方面减少铜箔的用量,可以提升活性材料的质量占比,从而提升能量密度。目前国内铜箔主流的厚度为 8um、6um、4.5um,相较 8um,6um 和 4.5um 的铜箔可以提升能量密度 5.1%、8.8%。

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传统铜箔是通过电解、压延或溅射等方法加工而成的厚度在200μm以下的极薄铜带或铜片,在电子电路、锂电池等相关领域应用广泛。根据加工方法差异,铜箔可分为电解铜箔和压延铜箔。电解铜箔是指以铜料为主要原料,采用电解法生产的金属铜箔。将铜料经溶解制成硫酸铜溶液,然后在专用电解设备中将硫酸铜液通过直流电电沉积制成原箔,再对其进行粗化、固化、耐热 层、耐腐蚀层、防氧化层等表面处理,锂电铜箔主要进行表面有机防氧化处理,最后经分切、检测后制成成品。

铜箔分类

在相同体积的锂离子电池中,铜箔的厚度越薄,浆料涂敷厚度增厚,可增大活性材料的用量,其承载负极活性物质的能力越好,可直接提升电池的能量密度。因此,锂电集流体向极薄、超纯、高抗拉强度和高延伸率方向发展成为大势所趋。但集流体不能无限减薄,原因在于铜箔需要保证一定的机械强度。如果集流体过薄,在电池循环过程中, 易发生集流体的变形断裂,从而导致安全问题。并且超薄铜箔的加工费也十分昂贵,导致整体成本不降反增。

官网:yuanjuxing.com

复合集流体铜箔的降本增效提供了新的思路。复合集流体延续了铜箔轻薄化的思路,用部分有机物替代铜箔,进一步降低了铜箔的用量,并保证了安全性。从结构上来看,复合集流体的构造类似“三明治”, 即中间层为有机物,上下层为镀铜,目前中间的有机物层常见的有 PET(聚对苯二甲酸类酯)、PP(聚丙烯)、PI(聚酰亚胺)等。通过真空镀膜等工艺,在基膜上下两面堆积出双层铜/铝导电层所形成的复合材料,通过不同材料之间的复合能*程度地集合不同材料之间的优势。

复合集流体结构

锂电中常见的复合集流体包括复合铜箔/铝箔,是极具潜力的新型锂电集流体材料。铜/铝箔的机械强度与厚度要求存在天然矛盾,同时减薄加工环节会进一步增加其成本,因此复合铜/铝箔成为集流体轻薄化的新方案。目前终端锂电厂商正在积极尝试引入复合集流体替代传统集流体,产业链各环节也在就大规模量产方案进行积极尝试。

多功能复合集流体

◆ MA(PET铝箔)厚度8微米,其中PET基膜厚度 6微米,双面镀铝层各1.2微米。相比目前10微米传统铝箔,可以降低48%的质量,提升电池能 量密度;在挤压、碰撞中起到缓冲作用,提 电池安全性;有利于缓冲正极材料充放电过程中的体积形变,提升电池稳定性。

◆ MC(PET铜箔)厚度6微米,其中PET基膜4微米,双面镀铜各1微米。同样可以起到提升电池能量密度、安全性、稳定性的功能。同时,由于铜的成本高,复合铜箔大规模量产后,有望具备成本优势。上海源聚兴机电

锂电池复合集流体产品图

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