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復合銅箔,火了!

發布時間:2022-08-25瀏覽次數:載入中...
集流體在鋰電池中有兩個作用,作為活性物質的導體和承載,一是用來導通電流,二是承載粉末級活性材料,形成完整體系。目前正極用鋁箔,負極用銅箔,是因為鋁和銅可以滿足導電和承載的要求。

正負極不能都使用鋁箔或者銅箔的原因主要是放電原理的不同。如果正極用銅會由于化學反應把鋰電池中的鋰離子直接消耗掉,正負極也可以采用其他金屬(鎳鉻等),但是鋁和銅相比更便宜,并且具備一定延展性,可以薄化,因此對于鋰電體系,正極鋁負極銅是比較好的選擇。

作為承載材料需要具備柔韌性,電池生產過程中,集流體作為一個基底,其他材料要在上面涂布,這個過程中需要被進行拉扯生產,以及在組裝環節,需要通過“卷”的方式,會出現彎折,這就要求集流體材料具備一定柔韌性,否者會在彎折處斷裂,如果斷裂會使得電池短路,柔韌性也會影響到電池壽命、循環次數等。

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復合銅箔是一種新型的動力電池集流體材料,主要由3部分組成,中間一層為PET、PP、PI等材質的基層薄膜,薄膜兩側為厚度1μm左右的銅,主要是一種夾層式的結構。

與傳統箔材的制造工藝不同。傳統銅箔主要是由輥壓或電解工藝生產得到;復合銅箔是在厚度3.5-6μm的塑料薄膜表面采用磁控濺射或真空蒸鍍的方式,制作一層20-80nm的銅金屬層,然后通過水電鍍的方式,將金屬層加厚到1μm,制作總厚度在5.5-8μm之間的復合金屬箔,用以代替6-9μm的電解金屬箔。

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圖:純銅箔與復合銅箔示意圖

復合銅箔相比傳統金屬集流體具備如下的特性:

1. 柔韌性好


PET基膜的導電性依靠表面的金屬,中間的高分子材料具備相比于金屬更好的柔韌性;這是因為復合材料的物性是居中的(比如高分子柔韌性達到100,金屬柔韌性是50,那么兩者復合材料的柔韌性可以達到75),所以復合集流體PET也具備更好的柔韌性,更實用。


2. 抗壓強度高


主要是衡量張力性能,集流體在電池生產過程中需要經歷“縮卷拉放”的過程,在這個過程中需要承擔更大的拉力,高分子的抗壓強度也是比金屬更好的,所以復合材料的抗拉強度也是會比純金屬更好的,意味著提高了抗壓強度,可以在生產過程中使用更大的拉力去生產,從而提高生產效率;電池廠現在都在擴建新產線,如果用PET材料就可以在原有產線上進行提速。


3. 低密度 低重量 高比容


為了提升電池的能量密度,一是可以直接提升材料能量,二是減輕材料重量,電池的活性材料都是納米級別的,集流體薄化可以使得電能釋放更為均勻,大概1GWh的電池需要正負集流體各1000萬平方米的量,所以面積比例是固定的,目前鋰電體系好的集流體是鋁和銅,材料相對固定,密度不會改變,只能通過厚度減輕來減少體積,降低重量,實現更大的能量密度。銅箔應用上,目前寧德時代應用6um的銅箔,甚至實驗室可以使用到3.5-4um的銅箔;但是銅箔也不會無限制的薄化,越薄的銅箔,其抗壓強度就會變差。

6um的PET銅箔為例,中間是4微米的PET材料,正反兩面各1微米的銅箔,總共厚度6微米,其中有2/3是4微米的純銅材料是用PET進行替代的,并且PET的密度也很小,只有銅密度的1/10,整個材料的密度可以降低到38.5%,6um的PET集流體相當于2.4um的銅箔重量;所以PET集流體提供了一種不需要過分薄化去承載能力、安全性、循環壽命的降低,就可以增加電池能量密度的兩全方法。

PET復合銅箔重量更輕,目前集流體占電池重量的比重是15%,PET技術可以提升5%-10%的電芯能量密度,實現高比容。

4. 均勻性好


常規生產過程中會遇到兩個問題,一是薄膜雙面性能的均勻性,從工藝上來看,涂布需要使用活性物質的粘結劑將其粘在PET薄膜表面,再經過一道滾壓,這樣可以保證表面厚度均勻,沒有坑坑洼洼,防脫落。另一個是接觸電阻的不對稱性,活性材料的電阻和銅不一樣,有的地方多,有的地方少,這樣能量不均勻會影響到整體的放電,進而影響到循環壽命,加快電池的衰減??梢钥吹?,目前銅箔的制備是有單面毛、雙面毛、表面粗化等處理的,說明銅箔正反兩面是不一樣的,存在不均勻的問題。

PET集流體在這個問題上進行了處理。首先PET材料的本身屬性就是雙面是比較均勻的,并且在涂布活性材料的過程中我們主要采用包括物理沉積、水電鍍等的方面去實現表面更為均勻。由于PET表面更為均勻,高分子材料的膨脹率更低,更容易空置,保持表面完整性,使得具有長壽命的優點。

5. 高安全


電池自燃是由于發熱失控導致的內短路。電池的結構就是正負兩極是金屬,中間有一層隔膜,金屬材料由于反復使用會發生疲勞斷裂,金屬材料斷裂后會在邊緣形成小刺,小刺的方向是隨機的,很容易擠在隔膜上,進行刺穿隔膜,正負兩極加在一起,并且釋放電能的活性物質在電解液中,液態的形式再加上動力電池在電動車上受到顛簸就很容易發生內短路,釋放大量的熱量。PET銅箔對這一問題的解決方法就是高分子不容易斷裂,即便斷裂,1微米的鍍銅的強度無法達到刺穿隔膜的標準,把內短路的風險規避掉。

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