如何看待复合集流体的安全性与经济性？

复合集流体兼具安全性与经济性，是锂电池中的重大创新。

1. 复合集流体采用“三明治”结构，有望成为下一代集流体材料

集流体是锂电池中铜箔和铝箔的总称，起承载活性物质和汇集电流的作用。集流体一般指电池正负极用于 承载活性物质（正负极材料）的基体金属，活性物质在充放电过程中产生的电流通过集流体汇集，再向外输出 至外电路。根据锂电池的工作原理和结构设计，正、负极材料需涂覆于集流体上，经干燥、辊压、分切等工序， 制备得到锂电池负极片。

铜箔约占锂电池成本的 5%-10%，重量的 10%-15%，是锂电池的重要组成部分。

复合集流体采用“三明治”结构，兼具安全性和经济性，有望成为下一代集流体材料。所谓的复合集流体 是一种新型集流体，结构为“金属-PET/PP-金属”，即中间一层基膜（为 PET 或者 PP 膜），上下各镀一层 1μm左右的铜，形成复合结构。根据其结构特性，兼具安全性和经济性，有望成为下一代集流体材料。

复合集流体始于 2017 年，安全性是最初的研发动力。“铜-高分子材料-铜”的复合结构最早在覆铜板上得 到应用，树脂基体作为覆铜板的主要组成部分，能够显著影响覆铜板的性能。宁德时代于 2015 年 11 月公布的 专利《集流体及使用该集流体的锂离子电池》中，已经开始关注将集流体与聚合物基体材料结合使用以提升能 量密度和避免热失控，在文中提出配置金属粒子、偶联剂与聚合物前驱体混合溶液，从而制备新型集流体。复 合集流体概念始自宁德时代2017年3月申请，并于2017年6月公布的发明专利《一种集流体及其极片和电池》 描述，该专利文件中提出可以采用真空蒸镀或溅射法制造复合集流体。2021 年，复合集流体启动产业化进程。

2. 安全性：在抑制枝晶生成、断路效应、抑制扩散等多层次发挥作用

随着电动车保有量增多，消费者关注重点从“里程焦虑”到“安全焦虑”，锂电池热失控日益受到重视。 国家应急管理部消防救援局统计数据显示，2022 年 Q1 国内发生的新能源汽车火灾共计有 640 起，相比 2021 年 同期数据增长 32%，高于交通工具火灾平均增幅（8.8%），相当于每天有超过 7 例新能源汽车自燃事件发生。

政策：新国标增加了对热扩散和过流保护的测试项目。于 2020 年 5 月 12 日发布，2021 年 1 月 1 日起执行 的 GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中，对比 2015 年的 GB/T 31467.3，新增“热稳定性，热 扩散”、“过流保护”项目，体现对电池安全的日益重视。

诱因：热失控由机、电、热等多种因素单独或耦合诱发，负极副反应首先进行。当电池局部发生短路时， 会增加内部温度，熔化隔膜并使阴极与阳极直接接触，从而产生更多的热量，带动其他部位燃烧并短路，导致 电动汽车发生灾难性火灾。电池的热失控往往由针刺、碰撞等机械诱因；过充电、内短路等电诱因；以及滥用、 老化或者温度管理不当导致的热诱因，共同促进了热失控的发生。当热失控开始的时候，负极副反应首先进行， SEI 膜（固体电解质界面膜 Solid Electrolyte Interface）分解，负极与电解液反应，然后逐步开始放热，最终热 失控。若能及时在源头阻断，将有效遏制热失控的产生。

解决热失控可从单体电池、模组和 Pack 层级、主动智能管理等方面入手。根据锂电池热失控的产生机理， 可从本征安全、被动安全、主动安全等三方面解决。其中电动厂商多在单体电池层面着手，从电池方案选择、 材料热稳定性、制作工艺等方面综合降低热失控概率，复合集流体充当“保险丝”的作用，有望在源头遏制热 失控。

寻找新的内短路解决方案迫在眉睫。电池企业常规的解决电池内短路的方法，一般是通过四大材料（正负 极材料、隔膜、电解液）的性能升级，提升电池的安全属性，但有可能会对电池的循环寿命、能量密度等性能 产生一定影响。而且，常规内短路防护方法一般仅能延缓电池内短路引发热失控，而无法彻底解决该行业难题， 存在较大局限性。在此情况之下，基于提升电池能量密度和安全性能的需要，常规的内短路解决方法已经无法 满足动力电池大规模制造和装机应用的需求，寻找新的内短路解决方案迫在眉睫。

原理：复合集流体在抑制枝晶生成、断路效应、抑制扩散等多层次发挥作用，有效提升锂电池安全性。

1）抑制枝晶生成：锂离子迁移过程中会对集流体产生压缩应力，从而导致集流体上出现微观褶皱，最 终导致枝晶产生。若在铜箔上采用柔软衬底材料，可以释放压缩应力从而减缓枝晶生成；

2）抑制集流体内短路起火：即使枝晶已经产生并且造成内短路，复合集流体在受到穿刺时产生的毛刺尺 寸小，并且因为高分子材料层会发生断路效应，可控制短路电流不增大，从而有效控制电池热失控乃至爆炸起 火，从根本上解决了电池爆炸起火；

3）抑制起火扩散：火灾暴露实验是测试锂离子电池安全性能最极端的测试之一，根据斯坦福大学 《Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries》文中对 TPP 复合集流体火灾暴露实验，传统集流体袋状电池在 20 秒内完全燃烧，然而 TPP 复合集流体袋状电池在点火后 6 秒内微弱燃烧后自行熄灭。袋状电池中的 TPP 通过释放磷酸盐自由基抑制火灾发展，从而实现阻燃效果。

使用复合集流体的锂电池在刺穿、过充等滥用情形下相较于传统集流体电池表现优异。Soteria 在阐述样品 时，使用了 811/石墨 5Ah 软包叠片电池，然后进行了严苛的针刺测试，带有复合集流体的电池针刺后还可以正 常使用，从容量保持率来看能保持 93%。

3.经济性：复合铜箔相较传统铜箔理论成本节约 40.3%

主流 6.5μm 复合铜箔相较 6μm 传统铜箔对锂电池整体减重 5.56%，能量密度提升 5.89%。目前主流复 合铜箔为 4.5μm 基膜+两侧各 1μm 铜，与传统铜箔的 6μm 铜相比，铜用量仅为传统方案的三分之一，同时 基膜密度较低，复合铜箔减重比例达到 55.20%（与 6μm 传统铜箔相比）。在 6μm 传统铜箔占锂电池重量 13% 的合理假设下，不更换电池其他结构，主流复合铜箔相较 6μm 传统铜箔对锂电池整体减重 5.56%，能量密度 提升 5.89%。

复合铜箔相较传统铜箔理论成本节约 40.30%。尽管当前复合铜箔的初始设备投资额较高、加工成本较高， 但得益于铜用量的大幅减少，复合铜箔相较传统铜箔直接材料成本节约 61.55%，理论综合成本节约 40.30%， 在锂电池降本的大趋势下有望发挥更加积极的作用。