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【原创】打破“不可能三角” 复合集流体产业化前夜已至
复合集流体 文章来源自:高工锂电网
2022-09-19 09:16:35 阅读:32081
摘要2021年后,复合集流体以同时兼顾能量密度、循环寿命、安全性及电池成本的优势,迅速成为行业新星。

动力电池的安全性能是新能源汽车产业可持续发展的基石,在电池材料高镍化大趋势下,安全焦虑仍然是绕不过去的头号难关。

在引发电池热失控的各类诱因中,电池内短路是共性环节,且内短路的发生具有很高的隐蔽性。如何攻克电池内短路是世界性难题。

由于主流材料各项属性之间的关系很难平衡,安全性、能量密度、循环寿命在理论上形成了不可能三角。由此限制了电池内短路的防护路径选择空间,也提升了热管控的实现难度与成本。

因此,任何有望打破不可能三角的材料/结构新技术路线都会成为学术界、业界和资本方关注的焦点。

2021年后,复合集流体以同时兼顾能量密度、循环寿命、安全性及电池成本的优势,迅速成为行业新星。

去年7月,OPPO发布五层夹心式安全电池,引入复合集流体技术,实现复合集流体在消费电子领域的应用。

去年10月,宁德时代研发的多功能复合集流体技术在2021 年全球新能源汽车前沿及创新技术评选中获评为十大创新技术之一。

消费电子与动力电池之外,复合集流体在储能领域也颇受关注。海辰新能源今年1月申请了复合集流体及其制备方法和应用专利,目前该专利处于实质审查阶段。

复合集流体为“金属-PET/PP高分子材料-金属”三明治结构,以高分子绝缘树脂PET/PP等材料作为“夹心”层,上下两面沉积金属铝或金属铜。

总体来说,复合集流体的突出优势可概况为四点:

1.高安全:传统技术仅能对内短路起到延缓作用,而且以牺牲电池能量密度为代价。而复合集流体中间的高分子基材具有阻燃特性,其金属导电层较薄,短路时会如保险丝般熔断,在热失控前快速融化,电池损坏仅局限于刺穿位点形成“点断路”。

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%。随着重量占比降低、电池内活性物质占比增加,能量密度可提升5%-10%。

3.长寿命:高分子材料围绕电池内活性物质层形成层状环形海绵结构,在充放电过程中,可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,从而保持极片界面长期完整性,使循环寿命提升5%。

4.强兼容:传统集流体直接升级为复合集流体不会影响原有电池内部电化学反应,因此复合集流体可运用于各种规格、不同体系的动力电池(但由于PET材料的引入,电池制造需新增工序)。

目前来看,高安全性是复合集流体的主打优势,相关方的密切关注也是基于其有望解决高镍电池热失控难题;而高比能与长寿命是其实现产业化的必备条件;中长期看,强兼容为其带来广阔的应用前景。

综上,复合集流体是高端定制化动力电池的最佳解决方案之一。

但是复合集流体对生产工艺及设备要求极高,需要将有机高分子材料和金属材料之间做到完美复合。

由于PET等高分子材料的结晶度大、极性小、表面能低,会影响镀层与基材之间的黏合力,且高分子材料大多为不导电的绝缘体,因此无法直接进行电镀,需要先对高分子材料进行表面处理、活化等,使其表面沉积一层导电的金属膜。

此环节的核心逻辑在于使高分子材料“金属化”。对此,复合铝箔采用蒸镀工艺,复合铜箔工艺包括两步法和三步法。

两步法是在基材上利用磁控溅射工艺制作一层约50nm基础金属层,再用水电镀工艺将铜镀层提升至1um左右。三步法是在磁控溅射步骤后加上蒸镀工艺作为过渡,减少后半段电镀难度。

相对来说,复合铜箔的良率控制比复合铝箔更难。

磁控溅射的"金属化"原理,在其通过荷能粒子轰击固体靶材,使靶材原子溅射出来并沉积到基体表面形成薄膜。

但受限于现有磁控溅射设备及工艺不完善,常出现箔材穿孔、镀铜不均、基材起皱变形等问题,而且存在产能瓶颈:由于磁控和蒸镀的节拍限制,目前复合箔的单位设备效率均不及传统箔材,限制了产品放量。

虽然早在2017年,我国就建成了全球第一条复合铜箔产线。但迄今为止,复合铜箔并未真正实现批量生产及大规模应用于主机厂。

目前,包括诺德股份、腾胜科技、东威科技、金美新材料、双星新材等10余家企业都在持续加大复合铜箔的研发力度。

据不完全统计,2021年后的产业进展有:

万顺新材研发的电池负极载体铜膜目前已送样;

双星新材的复合铜箔今年第一季度已送样中韩多家下游电池厂;

宝明科技在今年7月公告投资60亿元在江西赣州建设锂电池复合铜箔产能;

国内最早布局复合箔领域的金美新材料,其子公司重庆金美已实现复合铜箔/铝箔的小批量生产;

诺德股份去年11月透露,其复合铜箔产品已在下游客户小批量试用,今年7月公告拟2.49亿元入股铜箔设备供应商道森股份;

同7月,方邦股份表示在PET复合铜箔领域进行了研发布局,但尚处于早期阶段;

东威科技今年8月公告与核心客户签署5亿元“双边夹卷式水平镀膜设备”框架协议,其磁控溅射卷绕镀膜设备预计于下月月初发货。

虽然多数企业仍处于根据下游电池厂反馈优化工艺的验证阶段,但这不妨碍业界对复合箔的关注和期待。

毕竟复合集流体是少有的可同时提升安全性、能量密度、循环寿命的技术路径,未来在规模提升的趋势下还可实现成本端优化(理想状态下复合铜箔的材料成本远低于传统铜箔),有望成为下一代动力电池产业链中的“全能产品”。

GGII认为,尽管当前复合箔尚存在设备与工艺瓶颈以及下游锂电池配套瓶颈,但是随着各企业近几年不断的技术研发、设备改造、产线调试、试产试用验证,预计未来两年复合箔有望开始批量商业化应用。

复合集流体产业化前夜已至。在行业格局未成型之前,率先完成下游验证、突破设备良率难关的企业,可占据先发市场壁垒。

在此背景下,11月14-16日,2022高工锂电年会将在深圳前海华侨城JW万豪酒店举行,此次年会主题为“上下协力应可期 全球布局正当时”,届时将在“新材料开启新天地”材料专场中就复合箔的产业化前景进行研讨。

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