中國粉體網訊 提高鋰離子電池的儲能和充放電能力，需選用高性能的集流體。集流體一般指電池正負極用于附著活性物質的基體金屬，它通過接觸活性物質，進而使電流匯聚并輸出。集流體既用于吸附承載活性物質，又作為導體匯聚產生的電流，提升充放電效率。
優良性能的集流體是鋰離子電池的關鍵所在，是負載電極材料不可或缺的載體，其一般應包含下列幾種優點：
（1）制取方便，可以批量生產；
（2）價格低廉，性價比高；
（3）性能穩定，不易發生爆炸；
（4）導電性好，提高充放電能力。
鋰電池集流體材料（來源：曾宏凱，《電池鋁箔市場發展趨勢》）
金屬極薄帶材是構建集流體的關鍵材料，性能優良的金屬極薄帶可以滿足設備高速發展輕量化的要求和更長的電池壽命。其中銅箔、鋁箔憑借優異的材料性能和成熟的制取工藝，成為了最常用的集流體材料。
此外，由于有望解決電池的起火問題，新型多功能復合集流體材料被認為是鋰電材料端的重大革新，甚至被認為有機會重塑產業鏈。復合集流體是一種新材料，它以“金屬/高分子材料/金屬”疊加的“三明治”結構替代原來的純金屬箔（正極為鋁箔，負極為銅箔）。中間高分子層主要是PET、PP、PI等更輕更便宜的材料，約能代替4微米厚度的金屬。PET具備最佳的抗拉強度、彎折性能、耐高低溫性能、絕緣性能等，但其突出的劣勢是不耐強酸強堿，在電解液環境中易被腐蝕，因此需要電芯廠調整電解液配方來改善。PP耐酸性好，可在高溫電解液環境中維持良好性能，但其韌性不足，高速涂布時易斷裂，影響整體良率；除此，雙星新材、寶明科技等廠商都曾反映，PP材料與銅層的結合力不及預期。PI材料在力學指標、電化學性能、耐高溫等方面的綜合優勢突出，但生產成本過高，難以滿足降本增效的產業需求。綜合來看，PET的應用已相對成熟；PP體量較小，正在攻克金屬附著力難點；PI材料還未進入導入階段。
01 銅箔
銅箔作為鋰離子電池負極集流體，充當負極活性材料的載體；同時又充當負極電子收集與傳導體，其作用則是將電池活性物質產生的電流匯集起來，以產生更大的輸出電流。盡管鋰電池銅箔在鋰電池成本占比不高，大概在5~10%左右，但對電池綜合性能具有重要影響。
目前制作鋰電銅箔的主流工藝為電解銅箔，壓延銅箔產量微乎其微，復合銅箔為新型工藝。
我國電解銅箔（上）、壓延銅箔（下）產能、產量增長趨勢（來源：冷大光，《2021年我國電子銅箔行業經營狀況及發展趨勢》）
（1）電解銅箔
電解銅箔是在直流電作用下，銅離子在連續轉動的陰極輥表面還原沉積形成很薄的連續的銅層繼而連續剝離形成的；其主要生產流程包括溶銅、生箔制備及表面處理三個過程。
溶銅：是電解銅箔生產的第一道工序，是把銅原料（電解銅板、銅米或銅線）加入溶銅罐內，在硫酸和氧氣共同作用下進行反應，形成硫酸銅溶液。溶銅方式一般分為浸泡式溶銅和噴淋式溶銅。浸泡式溶銅工藝是將剪成小塊的電解銅或銅米、銅線等浸沒于稀硫酸中通過鼓風氧化，氧化銅再與硫酸反應生成硫酸銅。噴淋式溶銅工藝是指將破碎后的電解銅或銅米、銅線等置于溶銅罐內銅料固定床上，上方噴淋硫酸溶液，下方鼓風進入，氧氣自下而上與電解銅充分接觸迅速生成氧化銅，硫酸溶液自上而下與氧化銅反應生成硫酸銅。
生箔制備：是最為重要的環節，直接決定銅箔品質與成品率。目前主流的生箔技術主要有以下特點：
（1）采用大容量整流器。采用大電流、提高電解液循環量能提高生箔機單機生產能力，并采用軟接點對陰極輥進行大電流導電，解決大電流導電時因接觸不良而導致的不穩定現象。
（2）陰極輥采用三層復合結構。陰極輥采用旋鍛加工或鈦板焊接加工成的鈦筒作為表面的復合結構，采用先進的加工方法代替過去的熱套法，解決鈦筒與支撐套表面接觸不良的問題，并解決了老式加工方法使鈦表面氧化的問題。陰極輥結構合理，電流分布均勻。同時采用陰極輥邊緣動纜式屏蔽與剝離技術，使剝離下來的銅箔邊緣整齊，厚度均勻，無需切邊，提高了生箔生產的成品率。
（3）陽極采用分塊結構。分塊結構并經特殊表面處理的鈦陽極，減少了加工、運輸、安裝時的變形，與陰極輥之間具有較高的同心度，同時克服了鉛銀合金陽極電流密度低、電阻大、易變形等缺點，使用壽命長，產生陽極泥少，保證了兩極間電場的均勻性。
表面處理：固電子電路銅箔的表面處理主要有預處理、粗化、以化、鍍阻擋層與防氧化層、噴涂硅烷、烘干等工序，的提高銅箔的抗氧化性、抗剝離強度，同時便于銅箔運輸和儲存。程鋰電箔表面處理相對簡單，沒有粗化固化等過，生箔完成以后，要進行表面防氧化處理。表面處理機組采用先進的張力控制和對中系統，確保電解銅箔在表面處理過程中不被拉斷、不起皺。經表面處理的電解銅箔在分剪機上剪切成所需規格和重量的產品。
（2）復合銅箔
與傳統純銅箔材相比，除了安全性，復合銅箔還有不少其他優勢：更高的能量密度，復合銅箔能量密度較傳統銅箔提高5%以上；更低的制造成本，復合銅箔成本比傳統箔材降低50%以上；更長的電池壽命，可使電池壽命有效提升約5%。此外，復合銅箔產品還具有更廣泛的兼容性，能夠直接運用于各種規格、不同體系的動力電池如鋰電池、固態電池、鈉離子電池等。
復合銅箔工藝流程為：
（1）將PET離子生成4.5μm PET膜；
（2）采用磁控濺射設備，使非金屬材料PET膜（或PP膜）金屬化，作為電鍍前的金屬打底層；
（3）采用電鍍設備，在金屬化后的PET膜打底層兩邊鍍銅，使各邊厚度增厚至1μm，最終形成6.5μm的PET鍍銅膜。
02 鋁箔
雖然鋁箔的導電性能不如銅箔強，但是鋁箔的密度遠低于銅箔，高性能和高能量密度化要求的輕量化通過鋁箔可以很好的體現出來，當同等質量時，采用鋁箔的集流體電池充放電能力較強，且價格與銅箔相比要更加便宜。鋁箔可以在其表面產生致密的氧化膜，在作為電池正極集流體時，不易被電解液腐蝕，并且可以增加與正極活性物質的粘附性。
據測算，1Gwh三元鋰電池對鋁箔的需求約300-450t，1Gwh磷酸鐵鋰電池對鋁箔的需求約400-600t。動力電池是對電池鋁箔需求增長貢獻最大的下游需求，儲能鋰電池未來增長潛力大。
（1）軋制鋁箔
鋁箔一般采用軋制工藝生產，且工藝較為成熟。通過對鋁錠的多次軋制以及熱處理得到軋制后的初加工產品，其中軋制過程包含了粗軋和精軋。最后，要將初加工產品進行進一步處理，包括表面處理、切割、包裝等過程，得到最終的箔材成品。
軋制鋁箔生產工藝流程（來源：公開資料整理）
此外，隨著鋰離子電池的發展，對鋁箔的厚度尺寸和強度都有更高的要求，其中集流體鋁箔的表面改性十分重要。對集流體鋁箔進行導電層涂覆處理，可以使鋁光箔表面粗糙度增加，同時減小浸潤角，提高粘附性，使集流體上活性物質附著更牢固，最終達到降低接觸阻抗與極化電阻，減輕內部極化從而提升電池倍率和循環性能的功效。目前導電涂層材料有表面涂碳、石墨烯涂層、碳納米管涂層、復合涂層等。
（2）復合鋁箔
復合鋁箔是一種以PET等材質作為基礎材料，并在其正反兩面上采用先進的真空鍍膜工藝沉積金屬鋁層而制成的一種新型復合材料。
這種新型復合材料能大幅度提升電池安全性，當電池發生熱失控時，復合集流體中間的有機絕緣層可以為電路系統提供無窮大的電阻，并且它本身是不燃的，從而降低電池燃燒起火爆炸的可能性，提升電池的安全性。因為PET材料較輕，所以PET鋁箔整體質量較�。ㄏ喈斢诎呀饘俨虚g部分換成一層PET），減輕電池的重量，提升了電池的能量密度。以復合鋁箔為例，在總體厚度不變的情況下，比原來的傳統壓延鋁箔的重量減輕了將近60%。而且復合鋁箔可以更薄，最終制成的鋰電池體積更小，也可以有效提高體積能量密度。
參考資料：
1、陳守東等，《金屬極薄帶在鋰離子電池中的應用與研究進展》
2、冷大光，《2021年我國電子銅箔行業經營狀況及發展趨勢》
3、王帥，《我國電解銅箔技術現狀與趨勢前瞻》
4、曾宏凱，《電池鋁箔市場發展趨勢》
5、郭磊等，《鋰離子電池集流體鋁箔表面改性研究現狀》
（中國粉體網編輯整理/長安）
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