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復合機流體技術背景

復合集流體是一種“三明治”結構，內層為聚合物高分子層（如PET、PP或PI），兩側為金屬導電層（如Al或Cu），如圖1為復合集流體結構示意圖。目前工業量產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。復合集流體的結構示意圖如圖1所示。

圖1.復合集流體結構示意圖

復合集流體與傳統集流體的對比

優勢：相比傳統的銅箔和鋁箔，復合材質的銅箔和鋁箔帶來兩方面的收益：安全和成本。

• 安全收益：相比傳統的單一集流體，復合集流體中間的基膜材質，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勢，擴產周期長，市場需求存在缺口。目前的復合銅箔集流體制造成本較高，與單一材質的銅箔相比，價格并不占優勢。但后期如果規模化之后，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量能量密度提升。此外，復合鋁箔集流體成本優勢更明顯，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。

存在產能瓶頸。由于磁控和蒸鍍的節拍限制，目前復合箔的單位設備效率不及傳統箔材，這在產品放量的過程中會存在明顯瓶頸。

• 電池內阻增大，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，常規的電池生產工藝無法直接平移。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構，這些材料可能不如傳統集流體中單一材料的導電性能優秀，導致整體的電阻率升高。

• 結構設計：電池極片復合集流體的結構設計可能較復雜，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。

電學實驗方案設計

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

圖3.BER2500設備外觀和結構示意圖

將待測傳統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、電導率等數據。

數據分析

通過測試復合集流體厚度和電阻率數據結果顯示：本實驗選取的復合集流體的厚度比傳統集流體的厚度要小，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量級，這主要是由于“三明治”結構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據

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。測試結果如下。

圖5.四種集流體針刺實驗結果對比

針刺實驗結果顯示，單位厚度下復合鋁箔集流體的強度相比傳統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集流體稍有提升。

圖6.四種集流體針刺實驗數據對比

小結

據東方財富網報道，當前復合集流體行業處于從驗證期導入到量產期的階段，憑借高安全、高比能、低成本、長壽命、強兼容等突出優勢，復合集流體的產業化訴求進一步提升。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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