復(fù)合集電器技術(shù)是一種材料創(chuàng)新，在發(fā)生內(nèi)部短路時充當(dāng)保險絲。復(fù)合集電器在安全性、性能和成本方面得到了極大的優(yōu)化，有望部分取代傳統(tǒng)集電器。

由于復(fù)合集電器的安全性、能量密度和低成本（大規(guī)模生產(chǎn)后）的優(yōu)點(diǎn)。目前，它還吸引了多家3C消費(fèi)級鋰電池制造商和儲能電池制造商積極嘗試，并有可能在明年開始初步量產(chǎn)應(yīng)用。

 

什么是集電器

集電體是鋰電池中陰極和陽極電極的關(guān)鍵材料。作為一種收集電流的結(jié)構(gòu)或部件，其功能是收集電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電子并將其引向外部電路，從而實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。當(dāng)前的鋰電池正極和負(fù)極分別使用金屬鋁箔和銅箔作為集電器，用于收集電流結(jié)構(gòu)或部件。

 

為什么關(guān)注復(fù)合集電器

降低成本并提高效率，復(fù)合集電器正在消費(fèi)、電力和儲能電池中出現(xiàn)。2021后，復(fù)合集電器將考慮能量密度、循環(huán)壽命、安全性和電池成本等優(yōu)點(diǎn)，并將在消費(fèi)、電力和儲能領(lǐng)域嶄露頭角。

消費(fèi)：7月21日，OPPO發(fā)布了五層夾心式安全電池，引入了復(fù)合集電器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合集電體在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

電源：中國十大鋰離子電池制造商之一寧德時代開發(fā)的多功能復(fù)合集電器技術(shù)被評為2021全球新能源汽車前沿和創(chuàng)新技術(shù)評選十大創(chuàng)新技術(shù)之一。

儲能：海辰儲能于1月22日申請了復(fù)合集電體及其制備方法和申請專利。

2022年11月11日，金美新材料宣布量產(chǎn)8微米復(fù)合鋁箔，成為中國第一家宣布量產(chǎn)復(fù)合集電器的公司。

 

 

什么是復(fù)合集電器

一種新型材料，具有金屬導(dǎo)電層聚合物材料支撐層金屬導(dǎo)電層的夾層結(jié)構(gòu)。集電器是鋰電池中的關(guān)鍵材料，其功能是收集電池活性材料產(chǎn)生的電流，以產(chǎn)生更大的輸出電流。

鋁箔用作陰極，銅箔用作負(fù)極。為了提高電池的能量密度和安全性并降低成本，用于鋰電池的集電器正朝著高密度、輕和薄、高拉伸強(qiáng)度和高延伸率的方向發(fā)展。

復(fù)合集電體是一種由聚合物絕緣樹脂PET/PP和其他材料制成的“三明治”層，金屬鋁或金屬銅沉積在上下兩側(cè)。一種新型鋰電池材料，具有“金屬導(dǎo)電層PET/PP聚合物材料支撐層金屬導(dǎo)電層”的夾層結(jié)構(gòu)。

復(fù)合銅箔：在PET/PP等基材表面使用PVD磁控濺射，厚度為3.0-4.5μm。在兩側(cè)鍍上一層20-70nm的銅膜，方形電阻約為0.5-2Ω，膜表面金屬化，然后通過化學(xué)鍍將銅膜加厚至1μm。

復(fù)合鋁箔：在厚度為4.5-6.0μm的PET/PP基板表面使用PVD蒸發(fā)，并在兩側(cè)涂覆一層1μm的鋁膜，以實(shí)現(xiàn)膜表面的金屬化，并取代傳統(tǒng)的鋁箔。

復(fù)合銅箔和復(fù)合鋁箔被用作負(fù)極集電體和陰極集電體，以取代鋰電池的傳統(tǒng)電解銅箔和壓延鋁箔。

 

 

 

復(fù)合集電器的優(yōu)點(diǎn)

復(fù)合集電器具有安全性高、比能量高、成本低、壽命長、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)

高安全性：傳統(tǒng)技術(shù)只能延遲內(nèi)部短路，并以電池能量密度為代價。復(fù)合集電器中間的聚合物基板具有阻燃財產(chǎn)，其金屬導(dǎo)電層相對較薄，短路時會像保險絲一樣熔斷，在熱失控之前會迅速熔化，電池的損壞局限于穿孔部位，形成“點(diǎn)斷”。

高性能：復(fù)合集電體的中間層由輕質(zhì)聚合物材料制成，比純金屬集電體輕50%-80%。隨著重量比例的降低和電池中活性材料比例的增加，能量密度可以提高5%-10%。

成本低：與傳統(tǒng)箔材料相比，復(fù)合集電體金屬材料的使用減少，因此可以降低原材料的成本。

長壽命：聚合物材料在電池中的活性材料層周圍形成層狀環(huán)形海綿結(jié)構(gòu)。在充放電過程中，它可以吸收極片活性材料層中鋰離子嵌入和提取所引起的膨脹收縮應(yīng)力，從而保持極片界面的長期完整性，并將循環(huán)壽命提高5%。

兼容性強(qiáng)：將傳統(tǒng)集電器直接升級為復(fù)合集電器不會影響原電池的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)。因此，復(fù)合集電器可以應(yīng)用于各種規(guī)格和系統(tǒng)的動力電池（但由于PET材料的引入，電池制造需要新的工藝）。

安全性高：聚合物材料毛刺小，發(fā)生斷路器效應(yīng)，可有效控制電池?zé)崾Э?/p>

在電池使用過程中，由于碰撞和擠壓、電氣部件故障、溫度管理不當(dāng)?shù)纫蛩兀姵馗舭鍟l(fā)生故障，電流會增加并產(chǎn)生熱量，即發(fā)生內(nèi)部短路。在針刺測試過程中，傳統(tǒng)的銅/鋁箔會產(chǎn)生大尺寸的毛刺，從而導(dǎo)致內(nèi)部短路和熱失控。

然而，復(fù)合集電體產(chǎn)生的毛刺尺寸較小，疊加的聚合物材料層加熱產(chǎn)生的開路效應(yīng)可以在短時間內(nèi)大大減少短路電流，也可以有效防止鋰枝晶穿透隔板造成的熱失控。

由于重量較輕，下游鋰離子電池制造商有機(jī)會向電池單元中注入更多電解質(zhì)或正極和負(fù)極活性材料，以增加電池容量并延長電池壽命。

 

 

高比能量：在相同條件下，能量密度預(yù)計將增加5%以上。

復(fù)合集電器，特別是復(fù)合銅箔，可以顯著減輕重量。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)銅箔約占鋰電池總重量的13%，是影響電池質(zhì)量和能量密度的關(guān)鍵材料。

與6μm銅箔相比，復(fù)合銅箔中的銅厚度減少了66.67%，與10μm鋁箔相比，復(fù)合鋁箔中的鋁厚度減少了80%。節(jié)省的部分金屬消耗被PET和其他材料替代，這確保了安全性，重量更輕，產(chǎn)品的整體性能更好。

低成本：理論上，與傳統(tǒng)銅箔相比，預(yù)計復(fù)合銅箔的成本將降低40%+。

復(fù)合銅箔的單一材料成本比傳統(tǒng)銅箔低65%。以6μm銅箔為例，其單位材料成本為3.73元/平方米；

6.5微米PET銅箔的厚度為2μm，單位材料成本為1.3元/平方米，低于銅箔的單位成本，材料成本優(yōu)勢明顯。據(jù)估計，復(fù)合銅箔的理論成本比傳統(tǒng)銅箔低40%+。

傳統(tǒng)銅箔材料的成本為3.73元/平方米，按材料成本的83%計算，總生產(chǎn)成本為4.5元/平方英尺。復(fù)合銅箔材料成本為1.3元/平方米，按材料成本占50%計算，總生產(chǎn)成本為2.6元/平方英尺。

 

 

結(jié)論

復(fù)合銅箔的成本降低效果明顯。如果未來大規(guī)模生產(chǎn)的問題得到解決，有望大規(guī)模取代傳統(tǒng)銅箔。預(yù)計25年后復(fù)合銅箔滲透率將達(dá)到20%，全球需求將達(dá)到45億平方米，單價為4.6元/平方米，市場空間將達(dá)到206億元。

復(fù)合鋁箔的成本降低效果一般，但量產(chǎn)進(jìn)度領(lǐng)先（金美新材料已于11月22日量產(chǎn)）+可提高安全性+輕?。ㄤX箔厚度從12微米降至2微米），有望在消費(fèi)和高端電力領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)一定程度的替代。

預(yù)計25年后復(fù)合鋁箔滲透率將達(dá)到10%，全球需求將達(dá)到21億平方米，單價為4.1元/平方米，市場空間將達(dá)到86億元。