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復合機流體技術(shù)背景

復合集流體是一種“三明治”結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為聚合物高分子層（如PET、PP或PI），兩側(cè)為金屬導電層（如Al或Cu），如圖1為復合集流體結(jié)構(gòu)示意圖。目前工業(yè)量產(chǎn)的復合集流體中復合銅箔集流體采用4.5μm OPP（聚丙烯）作為基材，先在基材兩面磁控濺射各50nm銅層，再在銅層表面進行水電鍍，加厚銅層至1μm左右。而復合鋁箔集流體通常采用6μm的PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）作為基材，然后在基材兩面蒸鍍各1μm鋁層。復合集流體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1.復合集流體結(jié)構(gòu)示意圖

復合集流體與傳統(tǒng)集流體的對比

優(yōu)勢：相比傳統(tǒng)的銅箔和鋁箔，復合材質(zhì)的銅箔和鋁箔帶來兩方面的收益：安全和成本。

• 安全收益：相比傳統(tǒng)的單一集流體，復合集流體中間的基膜材質(zhì)，就像保險絲一樣，當遇到短路這種失效模式時，可以快速的斷裂或者融化，從而阻斷進一步傳導電流，最終阻止了電芯的燃燒。

• 成本收益：電池銅箔的供應價格在2021年一直維持緊張的態(tài)勢，擴產(chǎn)周期長，市場需求存在缺口。目前的復合銅箔集流體制造成本較高，與單一材質(zhì)的銅箔相比，價格并不占優(yōu)勢。但后期如果規(guī)模化之后，成本有望降低。除了BOM成本少之外，復合銅箔集流體帶來的另外一個好處是因為減重使電池質(zhì)量能量密度提升。此外，復合鋁箔集流體成本優(yōu)勢更明顯，復合鋁箔集流體厚度只有單一鋁箔厚度的一半， 復合鋁箔集流體因為減薄使電池體積能量密度提升。

圖2.復合鋁箔集流體示意圖

劣勢：復合集流體相比與傳統(tǒng)集流體存在以下的劣勢：

• 箔材穿孔。金屬在磁控和蒸鍍到PET材料過程中因為有高溫的金屬熔融物，可能飛濺熔穿箔材形成通孔。

存在產(chǎn)能瓶頸。由于磁控和蒸鍍的節(jié)拍限制，目前復合箔的單位設(shè)備效率不及傳統(tǒng)箔材，這在產(chǎn)品放量的過程中會存在明顯瓶頸。

• 電池內(nèi)阻增大，電池的輸出功率受影響。相比于金屬箔，復合箔的PET不導電，導電金屬層厚度明顯降低，存在較大的電子電阻，同時由于阻燃劑等介質(zhì)的引入，電池的電阻會有所增加。

• 電池制造需新增工序。因為PET材料的引入，常規(guī)的電池生產(chǎn)工藝無法直接平移。在極片制作過程中，需要至少增加一個轉(zhuǎn)接焊工序，用來制造極片的極耳，電池的制造成本會增加。

復合集流體電學性能評估

電池極片復合集流體與傳統(tǒng)集流體相比，其電阻率較高的主要原因可能有以下幾點：

• 材料選擇：電池極片復合集流體通常采用多種材料的復合結(jié)構(gòu)，這些材料可能不如傳統(tǒng)集流體中單一材料的導電性能優(yōu)秀，導致整體的電阻率升高。

• 結(jié)構(gòu)設(shè)計：電池極片復合集流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計可能較復雜，例如為了提高集流體的機械強度或者其他特性，可能會在材料中添加一些絕緣性質(zhì)的成分，從而增加了電阻率。

• 制造工藝：復合集流體的制造工藝可能相對復雜，難以保證每個部分的均勻性和一致性，造成了電阻率的不均勻分布。

電學實驗方案設(shè)計

實驗設(shè)備：型號BER2500（IEST元能科技），電極直徑14mm，設(shè)備如圖3（a）和3（b）所示。

圖3.BER2500設(shè)備外觀和結(jié)構(gòu)示意圖

將待測傳統(tǒng)集流體與復合集流體放置于極片電阻儀兩電極之間，在MRMS軟件上設(shè)置測試壓強5MPa，保壓時間15s，開始測試。軟件自動讀取極片厚度、電阻、電阻率、電導率等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析

通過測試復合集流體厚度和電阻率數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：本實驗選取的復合集流體的厚度比傳統(tǒng)集流體的厚度要小，其中銅箔復合集流體的厚度是最小的。復合集流體的縱向穿透電阻率遠高于傳統(tǒng)集流體，其中鋁箔復合集流體的電阻率是最大，高于銅箔集流體一個數(shù)量級，這主要是由于“三明治”結(jié)構(gòu)的中間層多為低導電性的聚合物高分子層。

圖4.四種不同集流體的電阻率和厚度測試數(shù)據(jù)

復合集流體力學性能評估

力學試驗方案：裁相同尺寸2cm×3cm的四種集流體，固定在同一位置。使用鋼針以恒定速率下壓檢測不同集流體的極限力學性能。測試結(jié)果如下。

圖5.四種集流體針刺實驗結(jié)果對比

針刺實驗結(jié)果顯示，單位厚度下復合鋁箔集流體的強度相比傳統(tǒng)鋁箔集流體有明顯的提升，而單位厚度下復合銅箔集流體強度與傳統(tǒng)集流體稍有提升。

圖6.四種集流體針刺實驗數(shù)據(jù)對比

小結(jié)

據(jù)東方財富網(wǎng)報道，當前復合集流體行業(yè)處于從驗證期導入到量產(chǎn)期的階段，憑借高安全、高比能、低成本、長壽命、強兼容等突出優(yōu)勢，復合集流體的產(chǎn)業(yè)化訴求進一步提升。但不得不承認的是，復合集流體長期滲透仍需看工藝改進與降本進度。其中導電性能上，復合后的集流體電子導電性能變差、導熱性變差；其會直接影響最終電池的電性能。但從安全角度看，復合后的集流體力學強度有所提升，可有效降低傳統(tǒng)集流體可能帶來的一些安全隱患，整體提升電池在使用過程中的安全性。

參考文獻

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