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什么是多功能复合集流体技术?

探索科技TechSuagr | 2021/10/14 09:36

前段时间,有朋友问我这个复合集流体技术。查了一段时间以后,发现有两个地方有这项应用,我觉得很有必要把两个信息进行一下梳理:

(1)动力电池:C家在海南新能源大会上的申报内容,主要包括“金属导电层-高分子支撑层-金属导电层”三明治结构复合集流体。这里有很多描述,但是没有图。申报材料是用给VW做的一颗可以过针刺的电芯作为说明。

新知达人, 什么是多功能复合集流体技术?

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图1 之前的2017年的实验品

(2)消费电池:这个是7月份OPPO的电池,我觉得动力电池和储能也可以关注当下手机电池的发展,掺硅补锂和复合集流体技术都出来了。在OPPO的设计中讲的是以一层新型复合高分子材料作为基体,并施以特殊工艺镀上两层铝层,这样就形成了一个三明治结构的集流体。相较传统的铝箔集流体其可靠性更高,能更好地避免正负极短路。配合上下涂覆的两个安全涂层,便形成了最终的五层安全结构。

先把这些材料做个梳理: 一、OPPO的复合集流体技术 OPPO是在7月举办的“闪充开放日”上发布这项电池技术的。此技术是针对电芯本身的安全和充电技术的安全,取名字叫“夹心式安全电池”,采用的是在一层新型高分子复合材料的基础上,镀上两层铝,再涂上安全涂层,形成一个五层安全结构的“三明治”夹心集流体。

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图2 夹心电池的示意图

在电池受到外力挤压冲撞时,这个五层结构的集流体,既能大大降低电池内部短路的概率,夹心层中的高分子材料还能隔绝正负极,OPPO 是通过外部冲击和针刺两种演示方式,来体现常规集流体和复合集流体的差异的。

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图3 复合集流体技术在冲击测试中的保护

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图4 复合集流体技术在针刺过程中的阻断效果

二、C家的复合集流体 我把申报材料中的内容简化一下:

1)安全性

铝箔通过热-机械载荷断路的电池内短路模拟仿真,引入真空气相沉积技术,构建了“金属导电层-高分子支撑层-金属导电层”三明治结构复合集流体。通过金属层与高分子层机械-电-热性能的多重耦合关系,

  • 在“点接触”内短路时,导电层在短路点受力开裂剥离或在短路大电流瞬间熔断,毫秒内切断短路电流回路;

  • 在“面接触”内短路时,支撑层在短路面受热熔融收缩形成集流体结构局部坍塌,在热失控前切断短路电流回路。

根据这种设计,解决了高镍电池内短路难题,彻底解决了电池因内短路易引发热失控的行业难题。 2)寿命和可靠性 集成纳米铆接和三维导电修复技术,将金属层与高分子层间结合力提升10倍,同时修复金属层表面因为裂纹诱发的导电衰减,可实现15年使用寿命。高分子材料相比金属具有低弹性模量,围绕电池内活性物质层形成层状环形海绵结构,在电池充放电过程中,吸收极片活性物质层锂离子嵌入脱出产生的膨胀-收缩应力,保持极片界面长期完整性,电池的循环寿命实现提升5%。 3)工艺制造 研制了原位钝化和连续辊焊工艺和装备,解决了集流体因材料和结构颠覆难以规模化量产的短板,生产节拍达到20ppm。 4)提高能量密度 复合集流体中间层采用轻量化高分子材料,重量比纯金属集流体降低50%-80%。同时复合集流体厚度相比业内同行纯金属集流体减少25%-40%,从而将电池内更多空间让渡给活性物质。传统纯金属集流体占电池比重达15%甚至更高,随着复合集流体重量占比降低和电池内活性物质占比增加,电池能量密度实现提升5%-10%。 如下所示,这张图是当时在风口浪尖时,C家展示的产品。我觉得这项技术对于未来高镍电芯在长期成本上是否有优势很重要。这个电芯实际做了1mm、5mm和10mm三种不同的针刺深度的实验,结果显示在细针的条件下,都是能过针刺实验的。

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图5 当时争论过程中给出的报告

小结 :我觉得这个复合集流体的技术,在工艺端和生产端已经开始落地,后续要持续观察,对于整体的技术路线走向是具有决定性作用的。

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