中国粉体网讯 提高锂离子电池的储能和充放电能力，需选用高性能的集流体。集流体一般指电池正负极用于附着活性物质的基体金属，它通过接触活性物质，进而使电流汇聚并输出。集流体既用于吸附承载活性物质，又作为导体汇聚产生的电流，提升充放电效率。
优良性能的集流体是锂离子电池的关键所在，是负载电极材料不可或缺的载体，其一般应包含下列几种优点：
（1）制取方便，可以批量生产；
（2）价格低廉，性价比高；
（3）性能稳定，不易发生爆炸；
（4）导电性好，提高充放电能力。
锂电池集流体材料（来源：曾宏凯，《电池铝箔市场发展趋势》）
金属极薄带材是构建集流体的关键材料，性能优良的金属极薄带可以满足设备高速发展轻量化的要求和更长的电池寿命。其中铜箔、铝箔凭借优异的材料性能和成熟的制取工艺，成为了最常用的集流体材料。
此外，由于有望解决电池的起火问题，新型多功能复合集流体材料被认为是锂电材料端的重大革新，甚至被认为有机会重塑产业链。复合集流体是一种新材料，它以“金属/高分子材料/金属”叠加的“三明治”结构替代原来的纯金属箔（正极为铝箔，负极为铜箔）。中间高分子层主要是PET、PP、PI等更轻更便宜的材料，约能代替4微米厚度的金属。PET具备最佳的抗拉强度、弯折性能、耐高低温性能、绝缘性能等，但其突出的劣势是不耐强酸强碱，在电解液环境中易被腐蚀，因此需要电芯厂调整电解液配方来改善。PP耐酸性好，可在高温电解液环境中维持良好性能，但其韧性不足，高速涂布时易断裂，影响整体良率；除此，双星新材、宝明科技等厂商都曾反映，PP材料与铜层的结合力不及预期。PI材料在力学指标、电化学性能、耐高温等方面的综合优势突出，但生产成本过高，难以满足降本增效的产业需求。综合来看，PET的应用已相对成熟；PP体量较小，正在攻克金属附着力难点；PI材料还未进入导入阶段。
01 铜箔
铜箔作为锂离子电池负极集流体，充当负极活性材料的载体；同时又充当负极电子收集与传导体，其作用则是将电池活性物质产生的电流汇集起来，以产生更大的输出电流。尽管锂电池铜箔在锂电池成本占比不高，大概在5~10%左右，但对电池综合性能具有重要影响。
目前制作锂电铜箔的主流工艺为电解铜箔，压延铜箔产量微乎其微，复合铜箔为新型工艺。
我国电解铜箔（上）、压延铜箔（下）产能、产量增长趋势（来源：冷大光，《2021年我国电子铜箔行业经营状况及发展趋势》）
（1）电解铜箔
电解铜箔是在直流电作用下，铜离子在连续转动的阴极辊表面还原沉积形成很薄的连续的铜层继而连续剥离形成的；其主要生产流程包括溶铜、生箔制备及表面处理三个过程。
溶铜：是电解铜箔生产的第一道工序，是把铜原料（电解铜板、铜米或铜线）加入溶铜罐内，在硫酸和氧气共同作用下进行反应，形成硫酸铜溶液。溶铜方式一般分为浸泡式溶铜和喷淋式溶铜。浸泡式溶铜工艺是将剪成小块的电解铜或铜米、铜线等浸没于稀硫酸中通过鼓风氧化，氧化铜再与硫酸反应生成硫酸铜。喷淋式溶铜工艺是指将破碎后的电解铜或铜米、铜线等置于溶铜罐内铜料固定床上，上方喷淋硫酸溶液，下方鼓风进入，氧气自下而上与电解铜充分接触迅速生成氧化铜，硫酸溶液自上而下与氧化铜反应生成硫酸铜。
生箔制备：是最为重要的环节，直接决定铜箔品质与成品率。目前主流的生箔技术主要有以下特点：
（1）采用大容量整流器。采用大电流、提高电解液循环量能提高生箔机单机生产能力，并采用软接点对阴极辊进行大电流导电，解决大电流导电时因接触不良而导致的不稳定现象。
（2）阴极辊采用三层复合结构。阴极辊采用旋锻加工或钛板焊接加工成的钛筒作为表面的复合结构，采用先进的加工方法代替过去的热套法，解决钛筒与支撑套表面接触不良的问题，并解决了老式加工方法使钛表面氧化的问题。阴极辊结构合理，电流分布均匀。同时采用阴极辊边缘动缆式屏蔽与剥离技术，使剥离下来的铜箔边缘整齐，厚度均匀，无需切边，提高了生箔生产的成品率。
（3）阳极采用分块结构。分块结构并经特殊表面处理的钛阳极，减少了加工、运输、安装时的变形，与阴极辊之间具有较高的同心度，同时克服了铅银合金阳极电流密度低、电阻大、易变形等缺点，使用寿命长，产生阳极泥少，保证了两极间电场的均匀性。
表面处理：固电子电路铜箔的表面处理主要有预处理、粗化、以化、镀阻挡层与防氧化层、喷涂硅烷、烘干等工序，的提高铜箔的抗氧化性、抗剥离强度，同时便于铜箔运输和储存。程锂电箔表面处理相对简单，没有粗化固化等过，生箔完成以后，要进行表面防氧化处理。表面处理机组采用先进的张力控制和对中系统，确保电解铜箔在表面处理过程中不被拉断、不起皱。经表面处理的电解铜箔在分剪机上剪切成所需规格和重量的产品。
（2）复合铜箔
与传统纯铜箔材相比，除了安全性，复合铜箔还有不少其他优势：更高的能量密度，复合铜箔能量密度较传统铜箔提高5%以上；更低的制造成本，复合铜箔成本比传统箔材降低50%以上；更长的电池寿命，可使电池寿命有效提升约5%。此外，复合铜箔产品还具有更广泛的兼容性，能够直接运用于各种规格、不同体系的动力电池如锂电池、固态电池、钠离子电池等。
复合铜箔工艺流程为：
（1）将PET离子生成4.5μm PET膜；
（2）采用磁控溅射设备，使非金属材料PET膜（或PP膜）金属化，作为电镀前的金属打底层；
（3）采用电镀设备，在金属化后的PET膜打底层两边镀铜，使各边厚度增厚至1μm，最终形成6.5μm的PET镀铜膜。
02 铝箔
虽然铝箔的导电性能不如铜箔强，但是铝箔的密度远低于铜箔，高性能和高能量密度化要求的轻量化通过铝箔可以很好的体现出来，当同等质量时，采用铝箔的集流体电池充放电能力较强，且价格与铜箔相比要更加便宜。铝箔可以在其表面产生致密的氧化膜，在作为电池正极集流体时，不易被电解液腐蚀，并且可以增加与正极活性物质的粘附性。
据测算，1Gwh三元锂电池对铝箔的需求约300-450t，1Gwh磷酸铁锂电池对铝箔的需求约400-600t。动力电池是对电池铝箔需求增长贡献最大的下游需求，储能锂电池未来增长潜力大。
（1）轧制铝箔
铝箔一般采用轧制工艺生产，且工艺较为成熟。通过对铝锭的多次轧制以及热处理得到轧制后的初加工产品，其中轧制过程包含了粗轧和精轧。最后，要将初加工产品进行进一步处理，包括表面处理、切割、包装等过程，得到最终的箔材成品。
轧制铝箔生产工艺流程（来源：公开资料整理）
此外，随着锂离子电池的发展，对铝箔的厚度尺寸和强度都有更高的要求，其中集流体铝箔的表面改性十分重要。对集流体铝箔进行导电层涂覆处理，可以使铝光箔表面粗糙度增加，同时减小浸润角，提高粘附性，使集流体上活性物质附着更牢固，最终达到降低接触阻抗与极化电阻，减轻内部极化从而提升电池倍率和循环性能的功效。目前导电涂层材料有表面涂碳、石墨烯涂层、碳纳米管涂层、复合涂层等。
（2）复合铝箔
复合铝箔是一种以PET等材质作为基础材料，并在其正反两面上采用先进的真空镀膜工艺沉积金属铝层而制成的一种新型复合材料。
这种新型复合材料能大幅度提升电池安全性，当电池发生热失控时，复合集流体中间的有机绝缘层可以为电路系统提供无穷大的电阻，并且它本身是不燃的，从而降低电池燃烧起火爆炸的可能性，提升电池的安全性。因为PET材料较轻，所以PET铝箔整体质量较小（相当于把金属箔中间部分换成一层PET），减轻电池的重量，提升了电池的能量密度。以复合铝箔为例，在总体厚度不变的情况下，比原来的传统压延铝箔的重量减轻了将近60%。而且复合铝箔可以更薄，最终制成的锂电池体积更小，也可以有效提高体积能量密度。
参考资料：
1、陈守东等，《金属极薄带在锂离子电池中的应用与研究进展》
2、冷大光，《2021年我国电子铜箔行业经营状况及发展趋势》
3、王帅，《我国电解铜箔技术现状与趋势前瞻》
4、曾宏凯，《电池铝箔市场发展趋势》
5、郭磊等，《锂离子电池集流体铝箔表面改性研究现状》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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