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復(fù)合集流體電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)評(píng)估方案

復(fù)合集流體電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)評(píng)估方案
元能科技  2024-08-21  |  閱讀:578

復(fù)合機(jī)流體技術(shù)背景

復(fù)合集流體是一種“三明治”結(jié)構(gòu),,內(nèi)層為聚合物高分子層(如PET、PP或PI),,兩側(cè)為金屬導(dǎo)電層(如Al或Cu),如圖1為復(fù)合集流體結(jié)構(gòu)示意圖。目前工業(yè)量產(chǎn)的復(fù)合集流體中復(fù)合銅箔集流體采用4.5μm OPP(聚丙烯)作為基材,先在基材兩面磁控濺射各50nm銅層,,再在銅層表面進(jìn)行水電鍍,加厚銅層至1μm左右,。而復(fù)合鋁箔集流體通常采用6μm的PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)作為基材,,然后在基材兩面蒸鍍各1μm鋁層。復(fù)合集流體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。

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圖1.復(fù)合集流體結(jié)構(gòu)示意圖


復(fù)合集流體與傳統(tǒng)集流體的對(duì)比

優(yōu)勢(shì):相比傳統(tǒng)的銅箔和鋁箔,復(fù)合材質(zhì)的銅箔和鋁箔帶來兩方面的收益:安全和成本,。

  • 安全收益:相比傳統(tǒng)的單一集流體,,復(fù)合集流體中間的基膜材質(zhì),,就像保險(xiǎn)絲一樣,當(dāng)遇到短路這種失效模式時(shí),,可以快速的斷裂或者融化,,從而阻斷進(jìn)一步傳導(dǎo)電流,最終阻止了電芯的燃燒,。

  • 成本收益:電池銅箔的供應(yīng)價(jià)格在2021年一直維持緊張的態(tài)勢(shì),,擴(kuò)產(chǎn)周期長(zhǎng),市場(chǎng)需求存在缺口,。目前的復(fù)合銅箔集流體制造成本較高,,與單一材質(zhì)的銅箔相比,價(jià)格并不占優(yōu)勢(shì),。但后期如果規(guī)?;螅杀居型档?。除了BOM成本少之外,,復(fù)合銅箔集流體帶來的另外一個(gè)好處是因?yàn)闇p重使電池質(zhì)量能量密度提升。此外,,復(fù)合鋁箔集流體成本優(yōu)勢(shì)更明顯,,復(fù)合鋁箔集流體厚度只有單一鋁箔厚度的一半, 復(fù)合鋁箔集流體因?yàn)闇p薄使電池體積能量密度提升,。

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圖2.復(fù)合鋁箔集流體示意圖

劣勢(shì):復(fù)合集流體相比與傳統(tǒng)集流體存在以下的劣勢(shì):

  • 箔材穿孔,。金屬在磁控和蒸鍍到PET材料過程中因?yàn)橛懈邷氐慕饘偃廴谖铮赡茱w濺熔穿箔材形成通孔,。

存在產(chǎn)能瓶頸,。由于磁控和蒸鍍的節(jié)拍限制,目前復(fù)合箔的單位設(shè)備效率不及傳統(tǒng)箔材,,這在產(chǎn)品放量的過程中會(huì)存在明顯瓶頸,。

  • 電池內(nèi)阻增大,電池的輸出功率受影響,。相比于金屬箔,,復(fù)合箔的PET不導(dǎo)電,導(dǎo)電金屬層厚度明顯降低,,存在較大的電子電阻,,同時(shí)由于阻燃劑等介質(zhì)的引入,電池的電阻會(huì)有所增加,。

  • 電池制造需新增工序,。因?yàn)镻ET材料的引入,常規(guī)的電池生產(chǎn)工藝無法直接平移。在極片制作過程中,,需要至少增加一個(gè)轉(zhuǎn)接焊工序,,用來制造極片的極耳,電池的制造成本會(huì)增加,。


復(fù)合集流體電學(xué)性能評(píng)估

電池極片復(fù)合集流體與傳統(tǒng)集流體相比,,其電阻率較高的主要原因可能有以下幾點(diǎn):

  • 材料選擇:電池極片復(fù)合集流體通常采用多種材料的復(fù)合結(jié)構(gòu),這些材料可能不如傳統(tǒng)集流體中單一材料的導(dǎo)電性能優(yōu)秀,,導(dǎo)致整體的電阻率升高,。

  • 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):電池極片復(fù)合集流體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能較復(fù)雜,例如為了提高集流體的機(jī)械強(qiáng)度或者其他特性,,可能會(huì)在材料中添加一些絕緣性質(zhì)的成分,,從而增加了電阻率。

  • 制造工藝:復(fù)合集流體的制造工藝可能相對(duì)復(fù)雜,,難以保證每個(gè)部分的均勻性和一致性,,造成了電阻率的不均勻分布。


電學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:型號(hào)BER2500(IEST元能科技),,電極直徑14mm,,設(shè)備如圖3(a)和3(b)所示。

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圖3.BER2500設(shè)備外觀和結(jié)構(gòu)示意圖

將待測(cè)傳統(tǒng)集流體與復(fù)合集流體放置于極片電阻儀兩電極之間,,在MRMS軟件上設(shè)置測(cè)試壓強(qiáng)5MPa,,保壓時(shí)間15s,開始測(cè)試,。軟件自動(dòng)讀取極片厚度,、電阻、電阻率,、電導(dǎo)率等數(shù)據(jù),。


數(shù)據(jù)分析

通過測(cè)試復(fù)合集流體厚度和電阻率數(shù)據(jù)結(jié)果顯示:本實(shí)驗(yàn)選取的復(fù)合集流體的厚度比傳統(tǒng)集流體的厚度要小,其中銅箔復(fù)合集流體的厚度是最小的,。復(fù)合集流體的縱向穿透電阻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)集流體,,其中鋁箔復(fù)合集流體的電阻率是最大,高于銅箔集流體一個(gè)數(shù)量級(jí),,這主要是由于“三明治”結(jié)構(gòu)的中間層多為低導(dǎo)電性的聚合物高分子層,。

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圖4.四種不同集流體的電阻率和厚度測(cè)試數(shù)據(jù)


復(fù)合集流體力學(xué)性能評(píng)估

力學(xué)試驗(yàn)方案:裁相同尺寸2cm×3cm的四種集流體,固定在同一位置,。使用鋼針以恒定速率下壓檢測(cè)不同集流體的極限力學(xué)性能,。測(cè)試結(jié)果如下。

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圖5.四種集流體針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,,單位厚度下復(fù)合鋁箔集流體的強(qiáng)度相比傳統(tǒng)鋁箔集流體有明顯的提升,,而單位厚度下復(fù)合銅箔集流體強(qiáng)度與傳統(tǒng)集流體稍有提升。

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圖6.四種集流體針刺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比


小結(jié)

據(jù)東方財(cái)富網(wǎng)報(bào)道,當(dāng)前復(fù)合集流體行業(yè)處于從驗(yàn)證期導(dǎo)入到量產(chǎn)期的階段,,憑借高安全,、高比能,、低成本,、長(zhǎng)壽命、強(qiáng)兼容等突出優(yōu)勢(shì),,復(fù)合集流體的產(chǎn)業(yè)化訴求進(jìn)一步提升,。但不得不承認(rèn)的是,復(fù)合集流體長(zhǎng)期滲透仍需看工藝改進(jìn)與降本進(jìn)度,。其中導(dǎo)電性能上,,復(fù)合后的集流體電子導(dǎo)電性能變差、導(dǎo)熱性變差,;其會(huì)直接影響最終電池的電性能,。但從安全角度看,復(fù)合后的集流體力學(xué)強(qiáng)度有所提升,,可有效降低傳統(tǒng)集流體可能帶來的一些安全隱患,,整體提升電池在使用過程中的安全性。


參考文獻(xiàn)

[1]汪茹,劉志康,嚴(yán)超,等.高安全鋰離子電池復(fù)合集流體的界面強(qiáng)化[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2023, 39(2):81-92.

[2]劉松;侯宏英;胡文;劉顯茜;段繼祥;孟瑞晉.鋰離子電池集流體的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào), 2015, 34(9):2562-2568.

[3]王成豪,李學(xué)法,張國(guó)平.鋁復(fù)合集流體及其制備方法,正極片,電池和用電裝置:CN202210827592.9[P].CN202210827592.9[2023-10-07].

[4]王帥,朱中亞,夏建中,等.一種復(fù)合集流體軟包電池殼體,軟包電池及軟包電池模組:CN202211623631.X[P].CN116169403A[2023-10-07].


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