Collecteur de courant composite - technologie d'amélioration des batteries au lithium

Qu'est-ce qu'un collecteur de courant ?

Le collecteur de courant est le matériau clé des électrodes de la cathode et de l'anode dans la cellule de la batterie au lithium. En tant que structure ou pièce collectant le courant, il a pour fonction de rassembler les électrons générés par la réaction électrochimique et de les conduire vers le circuit externe, réalisant ainsi le processus de conversion de l'énergie chimique en énergie électrique. La cathode et l'anode des piles au lithium actuelles utilisent respectivement une feuille d'aluminium et une feuille de cuivre comme collecteurs de courant, qui sont utilisés pour collecter les structures ou les pièces de courant.

Pourquoi se concentrer sur les collecteurs de courant composites ?

Réduisant les coûts et augmentant l'efficacité, les capteurs de courant composites font leur apparition dans les batteries de consommation, de puissance et de stockage d'énergie. Après 2021, les collecteurs de courant composites tiendront compte des avantages de la densité énergétique, de la durée de vie, de la sécurité et du coût des batteries, et apparaîtront dans les domaines de la consommation, de la puissance et du stockage de l'énergie.

Consommation : Le 21 juillet, OPPO a lancé une batterie de sécurité de type sandwich à cinq couches, a introduit la technologie des collecteurs de courant composites et a réalisé l'application des collecteurs de courant composites dans le domaine de l'électronique grand public.

Puissance : La technologie des collecteurs de courant composites multifonctionnels mise au point par l'une des les 10 premiers fabricants de batteries lithium-ion en Chine, CATL a été classée parmi les dix premières technologies innovantes dans le cadre de la sélection 2021 Global New Energy Vehicle Frontier and Innovative Technology Selection (Frontière mondiale des véhicules à énergie nouvelle et technologie innovante).

Stockage de l'énergie : Hithium Energy a déposé une demande de brevet pour un collecteur de courant composite, sa méthode de préparation et son application en janvier 22.

Le 11 novembre 2022, Jinmei New Materials a annoncé la production en masse de feuilles d'aluminium composite de 8 microns, devenant ainsi la première entreprise chinoise à annoncer la production en masse de collecteurs de courant composites.

Qu'est-ce qu'un collecteur de courant composite ?

Il s'agit d'un nouveau type de matériau doté d'une structure sandwich composée d'une couche conductrice métallique, d'une couche de support en matériau polymère et d'une couche conductrice métallique. Le collecteur de courant est un matériau clé dans les batteries au lithium, et sa fonction est de rassembler le courant généré par les matériaux actifs de la batterie pour générer un courant de sortie plus important.

La feuille d'aluminium est utilisée pour la cathode et la feuille de cuivre pour l'électrode négative. Afin d'améliorer la densité énergétique et la sécurité des batteries et de réduire les coûts, les collecteurs actuels pour les batteries au lithium se développent dans le sens d'une haute densité, d'une légèreté et d'une minceur, d'une résistance élevée à la traction et d'une grande élongation.

Le collecteur de courant composite est une sorte de couche "sandwich" composée de résine polymère isolante PET/PP et d'autres matériaux, et de l'aluminium ou du cuivre métallique est déposé sur les faces supérieure et inférieure. Un nouveau type de matériau de batterie au lithium avec une structure en sandwich "couche conductrice de métal-couche de support en matériau polymère PET/PP-couche conductrice de métal".

Feuille de cuivre composite : La pulvérisation magnétron PVD est utilisée sur la surface de substrats tels que le PET/PP d'une épaisseur de 3,0 à 4,5 µm. Une couche de 20-70nm de film de cuivre est déposée des deux côtés, la résistance carrée est d'environ 0,5-2Ω, et la surface du film est métallisée, puis le film de cuivre est épaissi à 1µm par dépôt électrolytique.

Feuille d'aluminium composite : L'évaporation PVD est utilisée sur la surface des substrats PET/PP d'une épaisseur de 4,5-6,0 µm, et une couche de film d'aluminium de 1 µm est déposée sur les deux faces pour réaliser la métallisation de la surface du film et remplacer la feuille d'aluminium traditionnelle.

La feuille de cuivre composite et la feuille d'aluminium composite sont utilisées comme collecteur de courant de l'électrode négative et collecteur de courant de la cathode pour remplacer la feuille de cuivre électrolytique traditionnelle et la feuille d'aluminium calandrée pour les piles au lithium.

Avantages des capteurs de courant composites

Les collecteurs de courant composites présentent les avantages d'une grande sécurité, d'une énergie spécifique élevée, d'un faible coût, d'une longue durée de vie et d'une forte compatibilité.

Sécurité élevée : La technologie traditionnelle ne peut que retarder le court-circuit interne, au détriment de la densité énergétique de la batterie. Le substrat polymère au milieu du collecteur de courant composite a des propriétés ignifuges, sa couche conductrice métallique est relativement mince, et il explosera comme un fusible lorsqu'il est court-circuité, et il fondra rapidement avant l'emballement thermique, et les dommages de la batterie sont limités au site de perforation pour former une "rupture ponctuelle".

Haute performance : La couche intermédiaire du collecteur de courant composite est constituée d'un matériau polymère léger, qui est 50%-80% plus léger que le collecteur de courant en métal pur. Lorsque la proportion de poids diminue et que la proportion de matériaux actifs dans la batterie augmente, la densité énergétique peut être augmentée de 5%-10%.

Faible coût : Par rapport aux matériaux traditionnels, l'utilisation de matériaux métalliques composites pour les collecteurs de courant est réduite, ce qui permet de diminuer le coût des matières premières.

Longue durée de vie : Le matériau polymère forme une structure annulaire éponge en couches autour de la couche de matériau actif de la batterie. Au cours du processus de charge et de décharge, il peut absorber les contraintes d'expansion et de rétraction causées par l'intercalation et l'extraction des ions lithium dans la couche de matériau actif de la pièce polaire, de manière à maintenir l'intégrité à long terme de l'interface de la pièce polaire et à augmenter la durée de vie du cycle de 5%.

Forte compatibilité : La transformation directe des collecteurs de courant traditionnels en collecteurs de courant composites n'affectera pas les réactions électrochimiques internes de la batterie d'origine. Par conséquent, le collecteur de courant composite peut être appliqué à des batteries d'alimentation de spécifications et de systèmes divers (mais en raison de l'introduction de matériaux PET, de nouveaux processus sont nécessaires pour la fabrication des batteries).

Sécurité élevée : La bavure du matériau polymère est petite et l'effet de disjoncteur se produit, ce qui permet de contrôler efficacement l'emballement thermique de la batterie.

Au cours de l'utilisation de la batterie, en raison de facteurs tels que la collision et l'extrusion, la défaillance des composants électriques, une mauvaise gestion de la température et d'autres facteurs, le séparateur de la batterie est défaillant, le courant augmente et de la chaleur est générée, c'est-à-dire qu'un court-circuit interne se produit. Au cours du test d'acupuncture, la feuille de cuivre/aluminium traditionnelle produit des bavures de grande taille qui provoquent des courts-circuits internes et un emballement thermique.

Cependant, la taille de la bavure générée par le collecteur de courant composite est petite, et l'effet de circuit ouvert causé par le chauffage de la couche de matériau polymère superposée peut réduire considérablement le courant de court-circuit dans un court laps de temps, et empêcher efficacement l'emballement thermique causé par les dendrites de lithium qui pénètrent dans le séparateur.

Avec un poids plus léger, en aval fabricants de batteries lithium-ion ont la possibilité d'injecter davantage d'électrolyte ou de matériaux actifs de cathode et d'anode dans les cellules de la batterie afin d'en augmenter la capacité et d'en prolonger la durée de vie.

Énergie spécifique élevée : Dans les mêmes conditions, la densité énergétique devrait augmenter de plus de 5%.

Les collecteurs de courant composites, en particulier les feuilles de cuivre composites, permettent de réduire considérablement le poids. Selon les données, les feuilles de cuivre traditionnelles représentent environ 13% du poids total des batteries au lithium, un matériau clé qui affecte la qualité et la densité énergétique des batteries.

L'épaisseur du cuivre dans la feuille de cuivre composite est réduite de 66,67% par rapport à la feuille de cuivre de 6μm, et l'épaisseur de l'aluminium dans la feuille d'aluminium composite est réduite de 80% par rapport à la feuille d'aluminium de 10μm. La partie économisée de la consommation de métal est remplacée par du PET et d'autres matériaux, ce qui garantit la sécurité et est plus léger, et la performance globale du produit est meilleure.

Faible coût : En théorie, on estime que la feuille de cuivre composite réduira le coût de 40%+ par rapport à la feuille de cuivre traditionnelle.

Le coût unitaire du matériau de la feuille de cuivre composite est inférieur de 65% à celui de la feuille de cuivre traditionnelle. Si l'on prend l'exemple d'une feuille de cuivre de 6μm, le coût unitaire du matériau est de 3,73 RMB/mètre carré ;

L'épaisseur de la feuille de cuivre PET de 6,5 microns est de 2 μm, et le coût unitaire du matériau est de 1,3 RMB/mètre carré, ce qui est inférieur au coût unitaire de la feuille de cuivre, et l'avantage du coût du matériau est évident. On estime que le coût théorique de la feuille de cuivre composite est inférieur de 40%+ à celui de la feuille de cuivre traditionnelle.

Le coût de la feuille de cuivre traditionnelle est de 3,73 RMB/carré, et le coût total de production est de 4,5 RMB/carré sur la base de 83% du coût du matériau. Le coût de la feuille de cuivre composite est de 1,3 RMB/carré et le coût total de production est de 2,6 RMB/carré sur la base du coût des matériaux représentant 50%.

Conclusion

L'effet de réduction des coûts de la feuille de cuivre composite est évident. Si le problème de la production de masse est résolu à l'avenir, la feuille de cuivre composite devrait remplacer la feuille de cuivre traditionnelle à grande échelle. On estime que le taux de pénétration des feuilles de cuivre composites atteindra 20% dans 25 ans, que la demande mondiale atteindra 4,5 milliards de mètres carrés, que le prix unitaire sera de 4,6 RMB/mètre carré et que le marché atteindra 20,6 milliards de RMB.

L'effet de réduction des coûts de la feuille d'aluminium composite est moyen, mais la production de masse progresse (Jinmei New Material a été produit en masse le 22 novembre) + peut améliorer la sécurité + est léger et fin (l'épaisseur de la feuille d'aluminium est réduite de 12 microns à 2 microns), il devrait atteindre un certain degré de substitution dans les domaines de la consommation et de l'énergie haut de gamme.

On estime que le taux de pénétration de la feuille d'aluminium composite atteindra 10% dans 25 ans, que la demande mondiale atteindra 2,1 milliards de mètres carrés, que le prix unitaire sera de 4,1 RMB/mètre carré et que l'espace de marché atteindra 8,6 milliards de RMB.