电池革新技术——多功能复合集流体

频繁的电动车安全事故，正在对“高歌猛进”的新能源汽车行业敲响警钟。随着电池能量密度不断提高，高能级电池安全问题已成为影响新能源汽车发展的头顶“利剑”，如何攻克电池内短路是当前动力电池行业的世界性难题。

电池企业常规的解决电池内短路的方法，一般是通过四大材料的性能升级，提升电池的安全属性，但有可能会对电池的循环寿命、能量密度等性能产生一定影响。而且，常规内短路防护方法一般仅能延缓电池内短路引发热失控，而无法彻底解决该行业难题，存在较大局限性。在此情况之下，基于提升电池能量密度和安全性能的需要，常规的内短路解决方法已经无法满足动力电池大规模制造和装机应用的需求，寻找新的内短路解决方案迫在眉睫。

对此，宁德时代研发的新型创新技术——多功能复合集流体技术，突破了传统内短路防护技术难以兼顾电池比能、寿命等性能的技术瓶颈，是宁德时代首创的具有“高安全、高比能、长寿命、强兼容”四维优势动力电池革新技术。

什么是复合集流体？

集流体是锂电池中汇集电流的结极或部件，通过将电池的活性物质产生的电流汇集起来以形成较大的电流输出，从而实现化学能转化为电能的过程。其功能主要有两点，一是承载活性物质，二是汇集电流，因此理想的集流体往往需要具备电导率高、稳定性好、机械强度好、成本较低等多方面综合性能。

复合集流体是相对于单一集流体而言的，以 PET/PP 等高分子材料作为中间层基膜，通过真空镀膜等工艺，在基膜上下两面堆积出双层铜/铝导电层所形成的复合材料，通过不同材料之间的复合能最大程度地集合不同材料之间的优势。结构方面，复合集流体表现为“金属-PET/PP 高分子材料-金属”的“三明治” 结构。

该项技术在材料和结构上颠覆了传统集流体，全新构建了“金属导电层—高分子支撑层—金属导电层”三明治结构复合集流体，通过金属层与高分子层机械-电-热性能的多重耦合关系，突破了传统集流体功能局限。同时，在使用过程中不易断裂，有利于降低微短路风险，进而提升电池安全性能。

性能优异的中间层

当前锂电池分别使用铜箔和铝箔作为负极和正极的集流体。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%。不过，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。而且过薄的集流体，在电池循环过程中易发生集流体的变形断裂，从而导致安全问题，超薄铜箔的加工费也十分昂贵，导致整体成本不降反增。

复合集流体区别于传统金属集流体地的，而是增加了其他成分的复合箔材，目前具备应用前景的是“金属-高分子材料-金属”三明治结构的复合集流体，中间层可选择PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PP(聚丙烯）、PI（聚酰亚胺）等高分子材料。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。

PET 复合铝膜和铜箔是传统锂电池集流体（铝箔和铜箔）的良好替代材料。其中复合铝膜是传统铝箔厚度的1/2，且重量更轻；复合铜箔是在厚度4~6微米的塑料薄膜，表面先采用真空沉积铜的方式，制作一层约50-80 纳米的金属层，将薄膜金属化，然后采用水介质电镀的方式，将铜层加厚到1微米，复合铜箔整体的厚度在5~8微米之间，来代替传统的电解铜箔。PET 复合铜箔能节省约2/3的铜，是传统铜箔厚度的3/4，显著降低材料成本的同时重量更轻，实现量产后进一步扩大电芯的降本空间。并且该技术具备较大的普适性，复合铜箔、铝箔等其他复合膜材料也能使用该技术。

PET 复合铜箔和传统铜箔相比，具有4 大优点：

1、高安全：复合铜箔中间的塑料隔膜层可以大大提高电池的燃烧安全性。

2、高比容：同等情况下，铜的用量只有原来的1/3~1/5，部分铜替换成塑料，带来电池重量的减轻，从而增加电池的能量密度；

3、长寿命：减少金属收缩引起的活性物质脱落，能提升电池循环寿命；

4、强兼容：适用于锂电池的环境。

复合箔是少有可同时提升安全性和能量密度的技术路径，同时在工艺成熟和规模提升的趋势下成本端优化带来性价比提升，有望成为“全能下一代产品”。

首先在安全性方面，由于高分子材料代替大部分厚度的金属层，仅采用两面约1微米的金属层导电，电池针刺时无毛刺产生，同时高分子层起到“断路效应”防止电池热失控，也避免传统金属集流体老化脆断及产生毛刺的风险。复合集流体就像一个保险，针刺后针刺位点迅速断开，从而保证了电池的安全。

复合集流体相较于纯金属层延展性更好，将产生褶皱缓解锂枝晶生长带来的局部应力，使锂离子沉积更加均匀，减少锂枝晶问题出现。复合铜箔在循环后容量保持，较纯铜箔更好，因此复合集流体总体表现的循环寿命更优。

宁德时代的多功能复合集流体技术在电池辅材设计方面的创新升级，不仅客观层面上终结了高镍三元体系动力电池短路易引发热失控的行业痛点，对打消公众对新能源汽车的安全、续航和寿命顾虑，加快新能源汽车的有效普及，同样意义长远。

量产化难点

复合集流体的量产化难点在于设备、工艺，工艺目前可分为两步法（磁控溅射—水电镀）和三步法（磁控溅射—蒸镀—水电镀）。

其中真空磁控溅射技术是复合铜箔制造工艺的核心，其原理是用氩离子（Ar + ）轰击铜合金靶材，使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的铜原子或部分铜离子沉积在基膜上形成薄膜。

但真空磁控溅射工艺对设备要求较高，是影响产品良率和性能的关键，目前磁控溅射设备目前仍然以进口为主，成本较高。且磁控溅射沉积铜的效率相对于真空蒸镀和水电镀较低，是影响产线线速度的主要环节。

真空蒸镀是三步法制备复合铜箔的关键步骤。真空蒸镀是指在真空条件下，通过一定的方式将金属铜（蒸发源）加热至蒸发，蒸汽运动到基材表面沉积形成铜层的过程。三步法相较于两步法增加了真空蒸镀的工艺，能够有效提高铜层的均匀性。

真空蒸镀蒸发铜的量大于磁控溅射，所以此步骤可用于磁控溅射之后，对基材铜层进行加厚，从而减少水电镀用时，在一定程度上提高产线速度。

水电镀工艺则负责加厚铜沉积层，目前工艺技术相对成熟，通过外加电源，溶液中的铜离子在基膜侧得到电子还原为铜原子，沉积在基膜表面加厚铜层，而铜源表面的铜失去电子形成游离铜离子不断补充溶液中的铜离子。

此外蒸镀、化学沉积法等替代工艺也在试验阶段。而水电镀环节与传统的PCB电镀工艺相似性较大，但难度更高。主要存在设备导电辊表面易形成的镀铜层刺破或划伤薄膜、以及膜本身内应力造成的褶皱等问题，使得产品良品率偏低。

复合集流体技术的创新性和先进性

该技术的创新性在于：

1、革命性高安全技术

率先实现考虑铝箔通过热-机械载荷断路的电池内短路模拟仿真，引入真空气相沉积技术，在材料和结构上彻底颠覆了传统集流体，全新构建了“金属导电层-高分子支撑层-金属导电层”三明治结构复合集流体。

通过金属层与高分子层机械-电-热性能的多重耦合关系，突破了传统集流体功能局限，在“点接触”内短路时，导电层在短路点受力开裂剥离或在短路大电流瞬间熔断，毫秒内切断短路电流回路；

在“面接触”内短路时，支撑层在短路面受热熔融收缩形成集流体结构局部坍塌，在热失控前切断短路电流回路。在业内率先解决了高镍电池内短路难题，并通过莱茵TÜV认证。

2、高可靠性集成技术：

集成纳米铆接和三维导电修复技术，将金属层与高分子层间结合力提升1个数量级，同时修复金属层表面因微裂纹诱发的导电衰减，解决复杂工况下层间剥离、导电衰减等导致的可靠性难题，可实现15年使用寿命。

3、高效精密制造技术：

研制了原位钝化和连续辊焊工艺和装备，攻克了集流体因材料和结构颠覆难以规模化量产的短板，生产节拍达到20ppm。

该技术的先进性在于：

1、高安全：突破了传统内短路防护技术仅能延缓内短路引发热失控，并降低甚至极大牺牲电池比能、寿命及增加成本等为代价的技术瓶颈，彻底解决了电池因内短路易引发热失控的行业难题。

2、高比能：复合集流体中间层采用轻量化高分子材料，重量比纯金属集流体降低50%-80%。同时复合集流体厚度相比业内同行纯金属集流体减少25%-40%，从而将电池内更多空间让渡给活性物质，电池能量密度实现提升5%-10%。

3、长寿命：高分子材料相比金属具有低弹性模量，围绕电池内活性物质层形成层状环形海绵结构，在电池充放电过程中，吸收极片活性物质层锂离子嵌入脱出产生的膨胀-收缩应力，保持极片界面长期完整性，电池的循环寿命实现提升5%。

4、强兼容：复合集流体能够直接运用于各种规格、不同体系的动力电池，全新独创了一种满足平台化应用需求的技术。

复合集流体还处于量产的前夜

虽然复合集流体较传统集流体有不可比拟的优势，但同时它也存在一些劣势，面临如下问题：

1）箔材穿孔。金属在磁控和蒸镀到PET材料过程中因为有高温的金属熔融物，可能飞溅熔穿箔材形成通孔。

2）存在产能瓶颈。由于磁控和蒸镀的节拍限制，目前复合箔的单位设备效率不及传统箔材，这在产品放量的过程中会存在明显瓶颈。

3）电池内阻增大，电池的输出功率受影响。相比于金属箔，复合箔的PET和金属存在较大的接触电阻，同时由于阻燃剂等介质的引入，电池的电阻会有所增加。

4）成本问题。由于磁控溅射和蒸镀技术复杂，复合金属箔的生产效率和良品率不及传统箔材，例如磁控溅镀存在靶材利用率低的问题，导致薄膜的均匀性受到影响；此外需要增加转接焊等新工序，用来制造极片的极耳，增加了电池的制造成本。

在这一轮电池产品安全领域百花齐放的赛道上，复合集流体真的是一个很棒的结构创新点。如果后续上述问题能充分解决，复合集流体给行业带来的收益将是巨大的。

注：文章中引用数据和图片来源网络

您的点赞留言，是我们的最大动力!

赞助广告：