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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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