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锂电池复合集流体专题研究

第一章复合集流体介绍

电池集流体基本原理

集流体的功能:1.承载性,自身承载正负极活性物质;2.传导性,

在充放电过程中,将正负极电流输入给活性物质,也将活性物质产生

的电流汇集输出。

一般而言,在锂电池集流体中,正极通常使用铝箔,负极使用铜箔,

原因在于:正极电位较高,负极电位较低。铜箔在较高电位时容易被

氧化,故主要用于负极集流体,厚度通常为6-12um,目前以6um厚度

为主。铝箔在较低电位时腐蚀问题严重,因此主要用于正极集流体,

厚度通常为10um-16um,目前以12um厚度为主。

集流体的趋势——轻薄化增效

当下,铝箔厚度通常为10um,更低可达到8um;铜箔厚度通常为

6um,更低可达到4.5um;质量占比方面铜箔约占9%,铝箔约占7%;成

本占比方面,以动力电池的三元5系为例,铝箔成本占比为1.3%,铜

箔成本占比7.8%;以磷酸铁锂为例,铝箔成本占比1.7%,铜箔成本

占比近10%;集流体轻薄化主要带来:1.降低电池的材料成本;2.通

过减薄和减重从而提升电池能量密度,相较8um锂电铜箔,采用

6um/4.5um锂电铜箔分别可提升锂电池5%/9%的能量密度。

复合集流体:符合降本增效趋势

由于铜箔需要保持一定机械强度,因此集流体不可能无限减薄,同

时集流体减薄将提升加工环节的成本。复合集流体为新的技术路径,

通过在高分子材料层材料两侧镀一定厚度的铜层,形成“三明治”型

的复合结构,目前复合集流体中采用的高分子层厚度一般约4um,上下

两层铜层厚度各1um,合计约6um。中间层选用高分子材料,可选择

PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PP(聚丙烯)、PI(聚酰亚胺)。复

合集流体通过高分子材料的替代部分金属材料,可显著降低集流体的

材料成本和重量。

复合集流体:高安全性——防止刺穿隔膜,减少热失控

复合集流体可有效防止热失控。复合集流体金属层较薄,因铜箔而

产生的毛刺尺寸小,并因为高分子材料层作为绝缘材料会发生断路效

应,故而刺穿的隔膜的可能性低,因而可有效防止电池自燃。复合集

流体含阻燃材料可具备自灭火功能。崔屹教授在其论文中揭示,在高

分子材料层加入TPP阻燃材料,在材料燃烧过程中,可减少氧气含量,

从而起到自灭火功能,降低热失控发生的概率。

复合集流体:高安全性循环寿命——防止锂枝晶问题

在锂电池负极中,通常会因为表面凹凸不平,导致凸起处的电子电

荷分布变多,导致更多的锂离子被吸引而发生沉积形成锂枝晶。锂枝晶

会不可逆地造成锂电池的容量和循环寿命,同时锂枝晶增大会刺穿隔

膜导致短路引发热失控等安全性问题。

复合集流体:三元电池提高质量能量密度约5.6%

高分子层密度较低,降低复合集流体重量,提升质量能量密度。高

分子材料中,PET密度为1.38g/cm3,PP密度为0.89-0.91g/cm3,PI

密度为1.39-1.45g/cm3,而铜的密度8.96g/cm3。高分子材料PET、PI

密度约为铜密度的1/7,PP密度为铜的1/10。

复合集流体:当前成本约4.11元/平

复合集流体原材料测算主要分为三类(原材料、设备折旧以及水、

电、人工费用)•原材料:假设铜单吨价格为6.3万元;PET高分子层

单价为0.84万元/吨,折合原材料单位成本1.18元/平米。设备:假

设单GwhPET铜箔产量(0.1亿平)需要磁控溅射设备2台,单台设备

价格1500万元/台,需要水电镀设备3台,单台设备价格1100万元/

台,按照10年折旧期限,残值为0,折旧成本为0.63元/平米。水、

电、人工费用:参照重庆金美环评报告,单位水费0.004元/平,单位

电费为0.21元/平,假设人工费0.05元/平,其他耗材费用为0.4元/

平。按照不同良率情况测算单位成本:良率为50%时,单位成本4.94

元/平;良率为60%时,单位成本4.11元/平;良率为70%时,单位成

本3.53元/平;良率为80%时,单位成本3.08元/平。

复合铜箔与传统铜箔成本曲线对比

复合铜箔与传统铜箔的成本占比最高的项目均为铜,铜价2021年

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