2025年锂离子电池辅材报告

索鎏敏 中国科学院物理研究所 公众号·锂电科学社 课程提纲 1.锂电池辅材概述 2.锂离子电池集流体 3.锂离子电池电极添加剂 锂离子电池与辅材 辅材在锂离子电池中的作用 辅材在锂离子电池中重量占比 辅材重量占比：26.1%（集流体，粘合剂，公导电添加剂）学社 辅材在锂离子电池中成本占比 锂离子电池集流体选取 集流体选取： 1.集流体电化学稳定性与正负极电位匹配 2.铜和铝箔导电性好3.延展性好（卷对卷工艺）4.价格便宜和易加工5.在空气中也相对比较稳定 锂离子电池对集流体总体需求 口集流体厚度和重量要求 正极铝箔：16um降低到14um，再到12um，现在已经有量产使用10um和8um。负极铜箔：厚度由12um减低到8um，到自前量产6um，正在研发5um/4um 口足够的延展性和机械强度 口高电子电导率和低面电阻 口锂电用铜铝箔表面粗糙度要求 集流体希望实现双面对称一致，表面粗糙度和表面结构相同铜箔：单面毛、双面毛、双面粗化铝箔：单面光铝箔公众号·锂电科学社 正极A/集流体制造工艺 铝箔胚料经过多次轧制多次热处理轧制成需要的厚度。在这个过程中主要有粗轧和精轧两道工序，精轧后会对铝箔进行表面处理，最后将铝箔分切成锂电厂家需要的宽度和长度。 负极cu集流体分类 2.电解铜箔 1.压延铜箔 解铜消是将铜先经溶解制成溶液，再在专用的电解设备中将硫酸铜电解液在直流电的作用下，电沉积而制成原箔，然后根据要求对原箔进行表面处理、耐热层处理及防氧化处理等一系列的表面处理 电池发明的早期，由于铜箔制备工艺设备技术等的限制，主要使用成本较高的压延铜箔，压延铜箔是将铜板经过多次重复辑轧而制成的原箔（也叫毛箔），根据要求进行粗化处理。 负极Cu集流体制造工艺 电解铜箔，是由电解液中的铜离子在光滑旋转不锈钢板（一一般用钛板）圆形阴极滚简上沉积而成，铜箔紧贴阴极滚简面的面称为光面，而另一面称为毛面。 集流体成本 集流体成本：原料成本+制造成本 AI集流体制造：轧制成材Cu集流体制造：压延或电镀 铜箔的原料成本占比：23.%铝箔的铝原料占比：16% Cu集流体价格远远高于AI集流体价格，制造成本是大头电科学社 集流体重量占比和成本占比 公众号·锂电科学社 面向下一代锂电池集流体设计 如何通过集流体设计提高能量密度？ 如何通过集流体设计提高金属锂负极可逆性？ 如何通过集流体设计提高金属锂电池安全性？ 如何实现水系电池集流体防腐性？公众号理电科子柜 面向下一代高能量密度金属锂电池集流体 锂离子电池： Cu6um:7wt%Al10um:2~3wt% 金属锂电池：Cu6um:>10wt% 金属锂电池：口Li负极密度：0.534g/cm口铜密度：8.960g/cm（16.8倍）口Cu厚度：6um,Li厚度：36um（6mAh）口锂的重量只是铜的36% 口锂离子电池：铜集流体降重有助提高能量密度口金属锂电池： 面向下一代高能量密度金属锂电池集流体 高镍三元金属锂电池口面容量：3mAhcm2（15mg/cm2）口N/Pratio:2:1E/Cratio:2.5g/Ah能量密度：8um:6um:370Wh/kg4um:384Wh/kg3um:394Wh/kg口无集流体：425Wh/kg锂电科学社 面向下一代高能量密度金属锂电池集流体 铜集流体降重策略：口铜纳米线或是泡沫铜口打孔铜箔口铜-聚合物-Cu复合材料 参考文献：Joule5，1,2021 面向下一代高能量密度金属锂电池集流体 超薄铜箔带来的其他问题：口电池内阻增加（3Ah，20层为例）6umCu/10umAl:0.14毫欧姆（2%）0.5umCu-Al:2.2毫欧姆（14%）口降低电池散热能力，安全隐患提高集流体的热导性会降低 口如何在超薄超轻集流体中提高其散热能力和降低其内阻是未来需要重点解决的问题公众理电馆参考文献：Joule5,1,2021 下一代高能量密度金属锂电池超轻集流体 聚合物做基材大幅降低了集流体重量，比传统集流体轻80%公众号·锂电科学社 下一代高能量密度金属锂电池超轻集流体 Fig.51Fireretardancytestonfullpouchcells(top)andPI-TPP-Cu/Grl/LCO/PI-TPP-AI(bottom)pouchfullcell/Al(b)andPI-TPP-Cu/GrlLCO/Pl-TPP-Al(c)pouchfullcells TTP阻燃剂加入有效防止电池燃烧公众号锂电科学社 参考文献：NatureEnergy,5,786-7932020 无负极金属锂电池：液态合金涂层集流体 液态金属合金涂层调控金属锂在金属铜集流体上的沉积-溶解行为 LLin,L:Suo*et.al.Adv.Energ.Mater..11(9).20037092021 无负极金属锂电池：液态合金涂层集流体 Ga-In-Sn合金层有利用金属锂的可逆沉积公众号：锂电科学社 LLin,L.Suo*,et.al.Adv.Energ.Mater..11(9),2003709.2021 下一代高能量密度无负极金属锂电池集流体（亲锂材料修饰） 下一代高能量密度无负极金属锂电池集流体（锂离子导体修饰） 下一代高能量密度无负极金属锂电池集流体（石墨烯框架修饰） 下一代高安全水系电池防腐集流体 正极氧化还原电位 1.正极金属基集流体电化学腐蚀 2.有复杂环境气液接触界面情况更复杂 自腐蚀电位腐蚀电流 导电添加剂和粘合剂重量占比和成本占比 3.锂离子电池电极添加剂 3.1电极导电添加剂 电极添加剂总体需求 导电剂在整个锂离子极片上最基本的功能就是导电，在极片制作时通常加入一定量的导电物质，在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用，以减小电极的接触电阻加速电子的移动速率，从而提高电极的充放电效率 电极添加剂总体需求 口正极活性材料多为过渡金属氧化物或者过渡金属磷酸盐，为半导体或者绝缘体，必须要加入导电剂来改善导电性 口负极石墨材料虽然导电性稍好，但多次充放电中石墨膨胀收缩，颗粒间接触变差，需要加入导电剂保持循环过程中的负极材料导电性的稳定。 导电碳添加剂作用机理 1、电子导电性通过自身形成导电网络、增强活性物质之间接触或增强活性物质之间的导 电网络等方式，通过自身物理连接作用起到对锂离子电池物理极化的改善作用。决定因素：导电剂自身导电性、形成网络数量、接触面积等 2、离子导电性各类导电剂通过吸收和保持电解液，为锂离子电池充放电过程中提供更多 的电解液界面，间接的起到减少电化学极化的目的：决定因素：吸油值(OAN值或DBP值）。 导电碳添加剂分类 碳纳米纤维线与点柔性接触 石墨烯，柔性面与点接触 炭黑类导电剂更倾向于提供锂离子导电性石墨类更倾向于提供电子导电性，纤维类/碳管类导电剂两者导电性均不错公众号·锂电科学社 导电石墨SFG6（微米）点对点刚性接触 碳纳米管CNTs线与点柔性接触 导电炭黑vs导电碳纳米管 传统炭黑导电剂在正极中添加量约~3%新型导电剂因高效导电性能添加量降低至0.5~1.0%以传统导电炭黑和碳纳米管对比，碳纳米管添加量仅为炭黑的1/6-1/2。虽然碳纳米管单价是炭黑的10倍，但碳纳米管较低的掺杂量使得其总体花费为炭黑的1.4-5.5倍 3.2电极粘合剂 锂离子电池粘合剂总体需求 全球三大锂离子电池粘合剂分别是日本瑞翁（Zeon），日本Kureha（吴羽）公司和比利时索尔维（Solvay），2019年，三大运营商占全球市场收入份额：52% 锂离子电池粘合剂按类型可分为阳极粘结剂和阴极粘结剂。其中，阳极粘结剂在2019年销售份额：65% 在应用方面，2019年动力电池领域：63%（最大份额） 2020年，全球锂离子电池粘合剂市场规模：36亿元，预计2026年：158亿元，年复合增长率：23.5%。公众号锂电科学社 锂离子电池粘接剂作用 粘合剂成本占电池制造成本的1%以下，但可将电池性能提高5%10%。尽管粘合剂在锂电池中的用量很少，辅材用量一般为2%-5%，主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体，使电极活性物质，导电剂和集流体间具有整体的连接性，从而减小电极的阻抗。 锂离子电池对粘合剂性能需求 口在干燥和除水过程中（130一180°C）下能热稳定性 口能被有机电解液所润湿 口不易燃烧 锂离子电池粘合剂分类 按照不同的标准有不同的分类方法： 1.依据分散介质的性质可分为：油性粘合剂和水性粘合剂2.依据其来源可分为：天然粘合剂和人工合成粘合剂3.依据其在电极中的分散情况可分为：点型、线型和体型4.依据是否具有反应活性分为：反应型粘合剂和非反应型粘合剂5.依据其功能可分为：单一功能粘结剂和多功能粘结剂 锂离子电池粘合剂分类 口油溶性粘结剂常用材料为：PVDF和PVDF-HFP 口水溶性粘结剂常用材料为：PTFE乳液、SBR乳液、CMC、水性聚丙烯酸类乳液（LA系列）聚多糖类物质 口天然粘合剂：主要是多糖类物质，包括瓜尔豆胶（GG）海藻酸盐（AIg），CMC，阿拉伯树胶（GA），黄原胶(XG)，卡拉胶，明胶，壳聚糖，淀粉和-环糊精 口人工合成粘合剂：PVDF、PTFE、PAA、SBR、CMC、PVA、PEIPTTBA-TEVS公众号锂电科学社 锂离子电池粘合剂分类 口点型粘合剂：PTFE和SBR乳液等 口线型粘合剂：PVDF、PAA、PVA和其它聚电解质口体型粘合剂：LA系列水性粘合剂、其他树脂类粘合剂口非反应型粘合剂：PVDF、PTFE、PAA等口反应型粘合剂：含有反应活性基团的粘合剂如polyimide-polyetherbinder[1,2]epoxybinder[3]等 锂离子电池正极粘合剂 锂离子电池商品化正极粘合剂主要是PVDF系列国内对PVDF粘结剂的研发开发较少，该市场基本被国外企业断。正极粘结剂主要生产企业如下： 锂离子电池正极粘合剂 锂离子电池正极粘合剂 口粘合剂粘结力强在电极表面形成C印稳固电极界面鑫提升固态电池电压抑制PEO电解质的分解 锂离子电池正极粘合剂-DSLbinder 锂离子电池正极粘合剂 口稳定富锂材料的结果，抑制富锂材料充放电过程中的电压降 锂离子电池负极粘合剂 目前水性粘结剂市场几乎是被瑞翁（ZEON）、JSR、双日等日本企业垄断，其中ZEON是负极水性粘结剂的龙头企业。近5年国内产品遂渐取得进展，进口替代空间巨大。 锂离子电池负极粘合剂 锂离子电池负极粘合剂 >机械联锁作用：物理锚定、静电相互作用和界面接触最大化》界面粘附力：分子间作用力、静电作用和共价键键合 锂离子负极粘合剂 口提升机械联锁作用：物理锚定和静电相互作用 新型粘合剂研究进展 口提升机械联锁作用：界面接触最大化 新型粘合剂研究进展 公众号：锂电科学社