Colector de corriente compuesto: tecnología de actualización de baterías de litio

Qué es un colector de corriente

El colector de corriente es el material clave de los electrodos cátodo y ánodo de la pila de litio. Como estructura o pieza que recoge la corriente, su función es reunir los electrones generados por la reacción electroquímica y conducirlos al circuito externo, realizando así el proceso de conversión de energía química en energía eléctrica. El cátodo y el ánodo actuales de las pilas de litio utilizan, respectivamente, papel de aluminio metálico y papel de cobre como colectores de corriente, que se emplean para recoger estructuras o piezas de corriente.

Por qué centrarse en los captadores de corriente compuestos

Reducir los costes y aumentar la eficiencia, los colectores de corriente compuestos están emergiendo en las baterías de consumo, potencia y almacenamiento de energía. Después de 2021, los colectores de corriente compuestos tendrán en cuenta las ventajas de la densidad de energía, la vida útil del ciclo, la seguridad y el coste de la batería, y surgirán en los campos del consumo, la potencia y el almacenamiento de energía.

Consumo: El 21 de julio, OPPO lanzó una batería de seguridad tipo sándwich de cinco capas, introdujo la tecnología de colectores de corriente compuestos y realizó la aplicación de los colectores de corriente compuestos en el campo de la electrónica de consumo.

Poder: La tecnología de colectores de corriente compuestos multifuncionales desarrollada por uno de los 10 principales fabricantes de baterías de ión litio en China CATL fue calificada como una de las diez tecnologías innovadoras más importantes en la Selección de Tecnologías Innovadoras y de Frontera de Vehículos de Nuevas Energías Globales de 2021.

Almacenamiento de energía: Hithium Energy solicitó la patente de un colector de corriente compuesto y su método de preparación y aplicación el 22 de enero.

El 11 de noviembre de 2022, Jinmei New Materials anunció la producción en masa de papel de aluminio compuesto de 8 micras, convirtiéndose en la primera empresa de China en anunciar la producción en masa de colectores de corriente compuestos.

¿Qué es un colector de corriente compuesto?

Un nuevo tipo de material con una estructura en sándwich de capa conductora metálica-capa de soporte de material polimérico-capa conductora metálica. El colector de corriente es un material clave en las baterías de litio, y su función es reunir la corriente generada por los materiales activos de la batería para generar una corriente de salida mayor.

Se utiliza papel de aluminio para el cátodo y papel de cobre para el electrodo negativo. Para mejorar la densidad energética y la seguridad de las baterías y reducir costes, los colectores de corriente para baterías de litio se están desarrollando en la dirección de la alta densidad, ligereza y delgadez, alta resistencia a la tracción y alta elongación.

El colector de corriente compuesto es una especie de capa "sándwich" hecha de resina aislante polimérica PET/PP y otros materiales, y en las caras superior e inferior se deposita aluminio metálico o cobre metálico. Un nuevo tipo de material para baterías de litio con una estructura en sándwich de "capa conductora metálica-capa de soporte de material polimérico PET/PP-capa conductora metálica".

Lámina de cobre compuesta: El pulverizado por magnetrón PVD se utiliza en la superficie de sustratos como PET/PP con un grosor de 3,0-4,5µm. Se recubre una capa de película de cobre de 20-70 nm por ambos lados, la resistencia cuadrada es de unos 0,5-2Ω, y se metaliza la superficie de la película; a continuación, la película de cobre se espesa hasta 1µm mediante electrodeposición.

Papel de aluminio compuesto: Se utiliza la evaporación PVD en la superficie de sustratos de PET/PP con un grosor de 4,5-6,0 µm, y se recubre una capa de película de aluminio de 1 µm por ambas caras para realizar la metalización de la superficie de la película y sustituir el tradicional papel de aluminio.

La lámina de cobre compuesta y la lámina de aluminio compuesta se utilizan como colector de corriente del electrodo negativo y colector de corriente del cátodo para sustituir a la tradicional lámina de cobre electrolítico y a la lámina de aluminio calandrado para las baterías de litio.

Ventajas de los colectores de corriente compuestos

Los colectores de corriente de material compuesto presentan las ventajas de una alta seguridad, una elevada energía específica, un bajo coste, una larga vida útil y una gran compatibilidad.

Alta seguridad: La tecnología tradicional sólo puede retrasar el cortocircuito interno, y a costa de la densidad energética de la batería. El sustrato de polímero en el centro del colector de corriente compuesto tiene propiedades ignífugas, su capa conductora metálica es relativamente fina, y estallará como un fusible cuando se cortocircuite, y se fundirá rápidamente antes del desbordamiento térmico, y el daño de la batería se limita al lugar de punción para formar una "rotura puntual".

Alto rendimiento: La capa intermedia del colector de corriente compuesto está hecha de material polimérico ligero, que es 50%-80% más ligero que el colector de corriente de metal puro. A medida que disminuye la proporción de peso y aumenta la proporción de materiales activos en la batería, la densidad energética puede incrementarse en 5%-10%.

Bajo coste: En comparación con los materiales de lámina tradicionales, el uso de materiales metálicos colectores de corriente compuestos es reducido, por lo que se puede reducir el coste de las materias primas.

Larga vida útil: El material polimérico forma una estructura de esponja anular estratificada alrededor de la capa de material activo de la batería. Durante el proceso de carga y descarga, puede absorber la tensión de expansión y contracción causada por la intercalación y extracción de iones de litio en la capa de material activo de la pieza polo, a fin de mantener la integridad a largo plazo de la interfaz de la pieza polo y aumentar la vida útil del ciclo en 5%.

Gran compatibilidad: La actualización directa de los colectores de corriente tradicionales a colectores de corriente compuestos no afectará a las reacciones electroquímicas internas de la batería original. Por lo tanto, el colector de corriente compuesto puede aplicarse a baterías de potencia de diversas especificaciones y sistemas (pero debido a la introducción de materiales PET, se requieren nuevos procesos para la fabricación de baterías).

Alta seguridad: La rebaba del material polimérico es pequeña y se produce el efecto de disyuntor, que puede controlar eficazmente el desbordamiento térmico de la batería.

Durante el uso de la batería, debido a factores como la colisión y la extrusión, el fallo de los componentes eléctricos, la gestión inadecuada de la temperatura y otros factores, el separador de la batería fallará, la corriente aumentará y se generará calor, es decir, se producirá un cortocircuito interno. Durante la prueba de acupuntura, la lámina tradicional de cobre/aluminio producirá rebabas de gran tamaño, que provocarán cortocircuitos internos y causarán desbocamiento térmico.

Sin embargo, el tamaño de la rebaba generada por el colector de corriente compuesto es pequeño, y el efecto de circuito abierto causado por el calentamiento de la capa de material polimérico superpuesta puede reducir en gran medida la corriente de cortocircuito en un corto período de tiempo, y también prevenir eficazmente el desbordamiento térmico causado por las dendritas de litio que penetran en el separador.

Con un peso más ligero, aguas abajo fabricantes de baterías de ión-litio tienen la oportunidad de inyectar más electrolito o materiales activos catódicos y anódicos en las celdas de la batería para aumentar su capacidad y prolongar su vida útil.

Alta energía específica: En las mismas condiciones, se espera que la densidad energética aumente en más de 5%.

Los colectores de corriente compuestos, especialmente las láminas de cobre compuestas, pueden lograr una importante reducción de peso. Según los datos, la lámina de cobre tradicional representa alrededor de 13% del peso total de las baterías de litio, que es un material clave que afecta a la calidad y la densidad energética de las baterías.

El grosor del cobre en la lámina de cobre compuesta se reduce en 66,67% en comparación con la lámina de cobre de 6μm, y el grosor del aluminio en la lámina de aluminio compuesta se reduce en 80% en comparación con la lámina de aluminio de 10μm. La parte ahorrada del consumo de metal se sustituye por PET y otros materiales, lo que garantiza la seguridad y aligera el peso, y el rendimiento general del producto es mejor.

Bajo coste: En teoría, se calcula que la lámina de cobre compuesto reducirá el coste en 40%+ en comparación con la lámina de cobre tradicional.

El coste unitario de material de la lámina de cobre compuesta es 65% inferior al de la lámina de cobre tradicional. Tomando como ejemplo la lámina de cobre de 6μm, su coste unitario de material es de 3,73 RMB/metro cuadrado;

El grosor de la lámina de cobre PET de 6,5 micras es de 2 μm, y el coste unitario del material es de 1,3 RMB/metro cuadrado, que es inferior al coste unitario de la lámina de cobre, y la ventaja del coste del material es evidente. Se estima que el coste teórico de la lámina de cobre compuesta es 40%+ inferior al de la lámina de cobre tradicional.

El coste del material de lámina de cobre tradicional es de 3,73 RMB/cuadrado, y el coste total de producción es de 4,5 RMB/cuadrado sobre la base de 83% del coste del material. El coste del material compuesto de lámina de cobre es de 1,3 RMB/cuadrado, y el coste total de producción es de 2,6 RMB/cuadrado sobre la base de 50% del coste del material.

Conclusión

El efecto de reducción de costes de la lámina de cobre compuesta es evidente. Si en el futuro se resuelve el problema de la producción en masa, se espera que sustituya a gran escala a las láminas de cobre tradicionales. Se calcula que el índice de penetración de las láminas de cobre compuestas alcanzará los 20% en 25 años, la demanda mundial alcanzará los 4.500 millones de metros cuadrados, el precio unitario será de 4,6 RMB/metro cuadrado y el espacio de mercado alcanzará los 20.600 millones de RMB.

El efecto de reducción de costes del papel de aluminio compuesto es medio, pero el avance de la producción en serie es puntero (el nuevo material de Jinmei se ha producido en serie el 22 de noviembre) + puede mejorar la seguridad + es ligero y fino (el grosor del papel de aluminio se reduce de 12 micras a 2 micras), Se espera que alcance cierto grado de sustitución en los ámbitos del consumo y la potencia de gama alta.

Se estima que la tasa de penetración del papel de aluminio compuesto alcanzará los 10% en 25 años, la demanda global alcanzará los 2.100 millones de metros cuadrados, el precio unitario será de 4,1 RMB/metro cuadrado y el espacio de mercado alcanzará los 8.600 millones de RMB.