锂离子电池材料体系中的创新：复合集流体
锂离子电池材料体系中的创新：复合集流体
随着电动汽车的普及，电池安全问题日益受到关注。作为锂电池的关键组件，集流体在提升电池安全性方面发挥着重要作用。本文将介绍一种创新的集流体技术——复合集流体，探讨其在抑制热失控、提升能量密度等方面的独特优势。
集流体是锂电池中铜箔和铝箔的总称，主要起承载活性物质和汇集电流的作用。在锂电池中，正负极材料需要涂覆于集流体上，经过干燥、辊压、分切等工序，制备得到锂电池负极片。
图1 集流体的结构示意图 [1]孙雪慧.电动汽车锂电池散热系统的设计和优化[D].西南交通大学,2020.
复合集流体的发展
复合集流体采用“三明治”结构，具体为“金属-PET/PP-金属”，即中间一层基膜（PET或PP膜），上下各镀一层1μm左右的铜，形成复合结构。这种结构设计兼具安全性和经济性，有望成为下一代集流体材料。
图3 复合集流体发展历程
复合集流体的概念最早由宁德时代在2017年提出，并于同年申请发明专利。2020年，Ye等人在Nature Energy上发表重要论文，提出了一种高性能的复合集流体，并通过火灾实验和热失控测试验证了其效果。这种复合集流体在两个超薄铜层之间夹入嵌有磷酸三苯酯阻燃剂的聚酰亚胺，制备出厚度仅为9μm、比质量为1.54mg/cm²的超轻集流体。与使用最薄的商用金属箔集流体相比，配备该复合集流体的电池比能量提高了16-26%，并在极端条件下能迅速自熄火。
从“里程焦虑”到“安全焦虑”的切换
随着电动车保有量的增加，消费者对电池安全的关注度日益提高。据统计，2022年第一季度国内新能源汽车火灾事故达640起，同比增长32%，相当于每天发生超过7起新能源汽车自燃事件。
锂电池热失控的诱因主要包括热、电、机械等因素的单独或耦合作用。当电池局部发生短路时，会增加内部温度，熔化隔膜并使阴极与阳极直接接触，从而产生更多的热量，最终导致电动汽车发生灾难性火灾。
为了解决热失控问题，可以从单体电池、模组和Pack层级、主动智能管理等方面入手。其中，复合集流体在源头阻断热失控方面具有独特优势。
寻找新的内短路解决方案
传统解决电池内短路的方法主要通过提升四大材料（正负极材料、隔膜、电解液）的性能，但这种方法可能会影响电池的循环寿命和能量密度。复合集流体则通过多层次的作用机制，有效提升锂电池的安全性：
- 抑制枝晶生成：通过采用柔软衬底材料释放压缩应力，减缓枝晶生成。
- 断路效应：在内短路发生时，高分子材料层的断路效应可控制短路电流，防止热失控。
- 抑制扩散：复合集流体在火灾暴露实验中表现出优异的阻燃效果，能在点火后迅速自行熄灭。
经济性优势
复合铜箔相比传统铜箔在成本和性能上具有显著优势。主流6.5μm复合铜箔相比6μm传统铜箔对锂电池整体减重5.56%，能量密度提升5.89%。同时，复合铜箔的直接材料成本可节约61.55%，理论综合成本节约40.30%。
尽管当前复合铜箔的初始设备投资和加工成本较高，但其在降本增效方面的潜力巨大。未来，随着技术的不断进步和规模化生产，复合集流体有望在锂电池领域发挥更加重要的作用。