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復(fù)合機(jī)流體技術(shù)背景

復(fù)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(dǎo)電層（如Al或Cu），如圖1為復(fù)合集流體結(jié)構(gòu)示意圖。目前工業(yè)量產(chǎn)的復(fù)合集流體中復(fù)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(jìn)行水電鍍，加厚銅層至1μm左右。而復(fù)合鋁箔集流體通常采用6μm的PET（聚對(duì)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(fù)合集流體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1.復(fù)合集流體結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)合集流體與傳統(tǒng)集流體的對(duì)比

優(yōu)勢(shì)：相比傳統(tǒng)的銅箔和鋁箔，復(fù)合材質(zhì)的銅箔和鋁箔帶來(lái)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(fù)合集流體中間的基膜材質(zhì)，就像保險(xiǎn)絲一樣，當(dāng)遇到短路這種失效模式時(shí)，可以快速的斷裂或者融化，從而阻斷進(jìn)一步傳導(dǎo)電流，最終阻止了電芯的燃燒。

• 成本收益：電池銅箔的供應(yīng)價(jià)格在2021年一直維持緊張的態(tài)勢(shì)，擴(kuò)產(chǎn)周期長(zhǎng)，市場(chǎng)需求存在缺口。目前的復(fù)合銅箔集流體制造成本較高，與單一材質(zhì)的銅箔相比，價(jià)格并不占優(yōu)勢(shì)。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(fù)合銅箔集流體帶來(lái)的另外一個(gè)好處是因?yàn)闇p重使電池質(zhì)量能量密度提升。此外，復(fù)合鋁箔集流體成本優(yōu)勢(shì)更明顯，復(fù)合鋁箔集流體厚度只有單一鋁箔厚度的一半， 復(fù)合鋁箔集流體因?yàn)闇p薄使電池體積能量密度提升。

圖2.復(fù)合鋁箔集流體示意圖

劣勢(shì)：復(fù)合集流體相比與傳統(tǒng)集流體存在以下的劣勢(shì)：

• 箔材穿孔。金屬在磁控和蒸鍍到PET材料過(guò)程中因?yàn)橛懈邷氐慕饘偃廴谖?，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(fù)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(guò)程中會(huì)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(fù)合箔的PET不導(dǎo)電，導(dǎo)電金屬層厚度明顯降低，存在較大的電子電阻，同時(shí)由于阻燃劑等介質(zhì)的引入，電池的電阻會(huì)有所增加。

• 電池制造需新增工序。因?yàn)镻ET材料的引入，常規(guī)的電池生產(chǎn)工藝無(wú)法直接平移。在極片制作過(guò)程中，需要至少增加一個(gè)轉(zhuǎn)接焊工序，用來(lái)制造極片的極耳，電池的制造成本會(huì)增加。

復(fù)合集流體電學(xué)性能評(píng)估

電池極片復(fù)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(diǎn)：

• 材料選擇：電池極片復(fù)合集流體通常采用多種材料的復(fù)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(dǎo)電性能優(yōu)秀，導(dǎo)致整體的電阻率升高。

• 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：電池極片復(fù)合集流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能較復(fù)雜，例如為了提高集流體的機(jī)械強(qiáng)度或者其他特性，可能會(huì)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(fù)合集流體的制造工藝可能相對(duì)復(fù)雜，難以保證每個(gè)部分的均勻性和一致性，造成了電阻率的不均勻分布。

電學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：型號(hào)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(cè)傳統(tǒng)集流體與復(fù)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(cè)試壓強(qiáng)5MPa，保壓時(shí)間15s，開(kāi)始測(cè)試。軟件自動(dòng)讀取極片厚度、電阻、電阻率、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析

通過(guò)測(cè)試復(fù)合集流體厚度和電阻率數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：本實(shí)驗(yàn)選取的復(fù)合集流體的厚度比傳統(tǒng)集流體的厚度要小，其中銅箔復(fù)合集流體的厚度是最小的。復(fù)合集流體的縱向穿透電阻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)集流體，其中鋁箔復(fù)合集流體的電阻率是最大，高于銅箔集流體一個(gè)數(shù)量級(jí)，這主要是由于“三明治”結(jié)構(gòu)的中間層多為低導(dǎo)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(cè)試數(shù)據(jù)

復(fù)合集流體力學(xué)性能評(píng)估

力學(xué)試驗(yàn)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(cè)不同集流體的極限力學(xué)性能。測(cè)試結(jié)果如下。

圖5.四種集流體針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

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

圖6.四種集流體針刺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

小結(jié)

據(jù)東方財(cái)富網(wǎng)報(bào)道，當(dāng)前復(fù)合集流體行業(yè)處于從驗(yàn)證期導(dǎo)入到量產(chǎn)期的階段，憑借高安全、高比能、低成本、長(zhǎng)壽命、強(qiáng)兼容等突出優(yōu)勢(shì)，復(fù)合集流體的產(chǎn)業(yè)化訴求進(jìn)一步提升。但不得不承認(rèn)的是，復(fù)合集流體長(zhǎng)期滲透仍需看工藝改進(jìn)與降本進(jìn)度。其中導(dǎo)電性能上，復(fù)合后的集流體電子導(dǎo)電性能變差、導(dǎo)熱性變差；其會(huì)直接影響最終電池的電性能。但從安全角度看，復(fù)合后的集流體力學(xué)強(qiáng)度有所提升，可有效降低傳統(tǒng)集流體可能帶來(lái)的一些安全隱患，整體提升電池在使用過(guò)程中的安全性。

參考文獻(xiàn)

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