集流体在锂电池中有两个作用,作为活性物质的导体和承载,一是用来导通电流,二是承载粉末级活性材料,形成完整体系。目前正极用铝箔,负极用铜箔,是因为铝和铜可以满足导电和承载的要求。
正负极不能都使用铝箔或者铜箔的原因主要是放电原理的不同。如果正极用铜会由于化学反应把锂电池中的锂离子直接消耗掉,正负极也可以采用其他金属(镍铬等),但是铝和铜相比更便宜,并且具备一定延展性,可以薄化,因此对于锂电体系,正极铝负极铜是最好的选择
作为承载材料需要具备柔韧性,电池生产过程中,集流体作为一个基底,其他材料要在上面涂布,这个过程中需要被进行拉扯生产,以及在组装环节,需要通过“卷”的方式,会出现弯折,这就要求集流体材料具备一定柔韧性,否者会在弯折处断裂,如果断裂会使得电池短路,柔韧性也会影响到电池寿命、循环次数等。
复合铜箔!火了,为啥?
复合铜箔是一种新型的动力电池集流体材料,主要由3部分组成,中间一层为PET、PP、PI等材质的基层薄膜,薄膜两侧为厚度1μm左右的铜,主要是一种夹层式的结构。
与传统箔材的制造工艺不同。传统铜箔主要是由辊压或电解工艺生产得到;复合铜箔是在厚度3.5-6μm的塑料薄膜表面采用磁控溅射或真空蒸镀的方式,制作一层20-80nm的铜金属层,然后通过水电镀的方式,将金属层加厚到1μm,制作总厚度在5.5-8μm之间的复合金属箔,用以代替6-9μm的电解金属箔。

复合铜箔!火了,为啥?

图:纯铜箔与复合铜箔示意图
复合铜箔相比传统金属集流体具备如下的特性:

1. 柔韧性好

PET基膜的导电性依靠表面的金属,中间的高分子材料具备相比于金属更好的柔韧性;这是因为复合材料的物性是居中的(比如高分子柔韧性达到100,金属柔韧性是50,那么两者复合材料的柔韧性可以达到75),所以复合集流体PET也具备更好的柔韧性,更实用。

2. 抗压强度高

主要是衡量张力性能,集流体在电池生产过程中需要经历“缩卷拉放”的过程,在这个过程中需要承担更大的拉力,高分子的抗压强度也是比金属更好的,所以复合材料的抗拉强度也是会比纯金属更好的,意味着提高了抗压强度,可以在生产过程中使用更大的拉力去生产,从而提高生产效率;电池厂现在都在扩建新产线,如果用PET材料就可以在原有产线上进行提速。

3. 低密度 低重量 高比容

为了提升电池的能量密度,一是可以直接提升材料能量,二是减轻材料重量,电池的活性材料都是纳米级别的,集流体薄化可以使得电能释放更为均匀,大概1GWh的电池需要正负集流体各1000万平方米的量,所以面积比例是固定的,目前锂电体系最好的集流体是铝和铜,材料相对固定,密度不会改变,只能通过厚度减轻来减少体积,降低重量,实现更大的能量密度。铜箔应用上,目前宁德时代应用6um的铜箔,甚至实验室可以使用到3.5-4um的铜箔;但是铜箔也不会无限制的薄化,越薄的铜箔,其抗压强度就会变差。
6um的PET铜箔为例,中间是4微米的PET材料,正反两面各1微米的铜箔,总共厚度6微米,其中有2/3是4微米的纯铜材料是用PET进行替代的,并且PET的密度也很小,只有铜密度的1/10,整个材料的密度可以降低到38.5%,6um的PET集流体相当于2.4um的铜箔重量;所以PET集流体提供了一种不需要过分薄化去牺牲承载能力、安全性、循环寿命的降低,就可以增加电池能量密度的两全方法
PET复合铜箔重量更轻,目前集流体占电池重量的比重是15%,PET技术可以提升5%-10%的电芯能量密度,实现高比容

4. 均匀性好

常规生产过程中会遇到两个问题,一是薄膜双面性能的均匀性,从工艺上来看,涂布需要使用活性物质的粘结剂将其粘在PET薄膜表面,再经过一道滚压,这样可以保证表面厚度均匀,没有坑坑洼洼,防止脱落。另一个是接触电阻的不对称性,活性材料的电阻和铜不一样,有的地方多,有的地方少,这样能量不均匀会影响到整体的放电,进而影响到循环寿命,加快电池的衰减。可以看到,目前铜箔的制备是有单面毛、双面毛、表面粗化等处理的,说明铜箔正反两面是不一样的,存在不均匀的问题
PET集流体在这个问题上进行了处理。首先PET材料的本身属性就是双面是比较均匀的,并且在涂布活性材料的过程中我们主要采用包括物理沉积、水电镀等的方面去实现表面更为均匀。由于PET表面更为均匀,高分子材料的膨胀率更低,更容易空置,保持表面完整性,使得具有长寿命的优点。

5. 高安全

电池自燃是由于发热失控导致的内短路。电池的结构就是正负两极是金属,中间有一层隔膜,金属材料由于反复使用会发生疲劳断裂,金属材料断裂后会在边缘形成小刺,小刺的方向是随机的,很容易挤在隔膜上,进行刺穿隔膜,正负两极加在一起,并且释放电能的活性物质在电解液中,液态的形式再加上动力电池在电动车上受到颠簸就很容易发生内短路,释放大量的热量PET铜箔对这一问题的解决方法就是高分子不容易断裂,即便断裂,1微米的镀铜的强度无法达到刺穿隔膜的标准,把内短路的风险规避掉

6. 低成本

 
复合铜箔对铜材价格敏感度更低,原材料成本占比约40%~50%,明显低于传统电解铜箔的78%,我们按照当前铜价估算,量产后复合铜箔单位生产成本约为3.1元/m2 左右,低于电解铜箔成本,而且随着设备环节的技术进步,成本仍有较大下降空间。
中信证券指出,复合铜箔成为新型锂电池负极集流体,对传统电解铜箔替代空间广阔,随产业链技术发展,复合铜箔渗透率有望提升,乐观预计下2025年复合铜箔市场空间有望达290亿元。2022年随着铜箔供应的持续紧张,铜可能会继续涨价。PET复合铜箔有望获得更大的使用机会,并迅速打开市场。
 

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作者 lv, mengdie