新闻资讯
干货半月谈02丨复合集流体制备技术面临挑战简析
2024年01月21日
干货半月谈，浅述行业理解，分享技术心得。我们只讲干货，希望有助于您，期待交流合作。
复合集流体制备技术面临挑战简析
在双碳战略驱动下，锂离子电池技术快速发展，市场体量急速扩张。集流体是锂离子电池中的关键组成部件之一，在电池中具有汇集电流、承载正负极活性物质的重要作用，通常负极集流体使用传统铜箔，正极集流体使用传统铝箔。复合集流体是一种高分子材料和金属复合的新型集流体材料，按照用途可分为负极复合铜箔（MC）和正极复合铝箔（MA），用以替代传统集流体，具有提升电池安全性能、提高能量密度、降低制造成本的优势[1,2]。
图：复合铜箔（MC）和复合铝箔（MA）结构
尽管复合集流体具有高安全、高能量密度、低成本优势，但其制备技术在材料端、工艺端以及装备端仍面临诸多挑战：
1. 材料端
1.打底层材料：复合集流体聚合物基材与金属结合较差，通常在基材和金属导电层之间设计相应过渡材料可提升结合。因此，筛选设计合适的过渡层材料，提升界面结合强度，同时兼顾材料在锂离子电池服役环境中的化学稳定性和较低制备成本，是复合集流体材料设计端面临的重要挑战[3]。
2.基膜材料：目前复合集流体用基膜有聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）两种，为提升复合集流体在制备、导入和服役过程中的稳定性，仍需对上述聚合物基膜进行改性，以提升其化学稳定性、耐温性、导电性、导热性、机械性能以及与金属间的界面亲和性[4,5]。
2. 工艺端
1.导电性：复合集流体金属用量较传统集流体大幅减少，方阻高于传统集流体。为减小复合集流体对电池内阻产生的不利影响，需要通过制备工艺的优化不断提升镀层导电性能，降低方阻；
2.致密性：电池在充放电过程中产生的副产物（如HF等）易对复合集流体产生腐蚀[6]。此外疏松的金属镀层由于晶界间阻抗大，导致其镀层方阻也较大。因此需要通过制备工艺优化提升复合集流体金属镀层的致密性，提升其耐腐蚀性能和导电性能；
3.机械性能：复合集流体聚合物基膜易受制备工艺影响，导致复合集流体机械性能（断裂拉伸强度、断裂延伸率、弹性模量）降低，在电芯导入过程中可能发生表面涂层开裂、复合集流体断带等问题。因此需要优化工艺窗口，保证复合集流体机械性能满足电芯导入需求。
3. 装备端
1.温度控制：复合集流体制备过程中存在温升问题，而复合集流体用聚合物基膜耐高温性能较差。如何通过装备设计控制基膜温度，避免高温产生的基膜褶皱、熔断等问题，是复合集流体制备过程中良率提升面临的重要挑战。
2.一致性控制：为避免影响电芯制造一致性，复合集流体在MD与TD方向均需满足一致性要求，一致性的保证需要持续不断地优化装备硬件与控制系统。
3.长度控制：为提高设备效率，降低制造成本，复合集流体单次制备长度需要达到上千米。如何保证装备在上千米产品制备过程中的一致性和稳定性，目前仍面临着较大挑战。
以上是复合集流体在制备过程中面临的挑战，要提升复合集流体产品性能、降低制造成本、加速其产业化进程，仍需在材料、工艺、装备等领域不断突破。此外，复合集流体在电芯导入过程中依然存在诸多问题，我们将在之后的专篇中进行分析介绍，敬请期待！
参考资料：
[1] Zhang Z, Song Y, Zhang B, et al. Metallized Plastic Foils: A Promising Solution for High‐Energy Lithium‐Ion Battery Current Collectors[J]. Advanced Energy Materials, 2023, 13(36): 2302134.
[2] Ye Y, Chou L Y, Liu Y, et al. Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries[J]. Nature Energy, 2020, 5(10): 786-793.
[3] Cordill M J, Taylor A, Schalko J, et al. Microstructure and adhesion of as-deposited and annealed Cu/Ti films on polyimide[J]. International journal of materials research, 2011, 102(6): 1-6.
[4] Chen L L, Song W L, Li N, et al. Nonmetal Current Collectors: The Key Component for High‐Energy‐Density Aluminum Batteries[J]. Advanced Materials, 2020, 32(42): 2001212.
[5] Yim H, Yu S H, Baek S H, et al. Directly integrated all-solid-state flexible lithium batteries on polymer substrate[J]. Journal of Power Sources, 2020, 455: 227978.
[6] Yoon E, Lee J, Byun S, et al. Passivation Failure of Al Current Collector in LiPF6‐Based Electrolytes for Lithium‐Ion Batteries[J]. Advanced Functional Materials, 2022, 32(22): 2200026.
上一个：
下一个：
社交媒体
