CAT蓄电池循环寿命优化：400 Wh/kg高能量密度电池系统的设计策略
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-11 19:58:43 点击： 次
摘要
鉴于目前量产锂离子电池的比能量普遍低于400 Wh/kg，对设计策略的调整不仅缓解了系统在整个循环寿命期间的厚度扩展问题，还显著延长了400 Wh/kg高能量密度电池系统的循环寿命。特别是采用单面0.4 μm复合箔的C-0.4组，其循环寿命达到纯铜箔组的近四倍，在经历500次异常循环后仍能保持80%的初始容量，厚度扩展仅1%。相对于制造初始状态厚度增加6%的扩展包。这些结果证实，策略调整有效提升了系统性能并加速了其商业化进程。进一步分析表明，循环性能的提升与系统Rct降低存在直接关联。然而，同时观察到ACIR与DCIR的显著上升，这损害了系统在高倍率下的充放电性能——尤其是当复合铜箔厚度进一步减薄时。因此，该策略的优化必须综合考虑电池产品的成本、性能及特定应用场景需求。
引言
高能量密度锂离子电池（LIBs）是当代社会重点研发方向之一[1,2]。更高的能量密度意味着更轻量化的电源即可提供同等能量，这有助于提升储能系统的便携性与经济性。因此，在锂离子电池发展历程中，其能量密度始终呈现持续上升趋势[3,4]。近年来，旨在提升电池能量密度的多种新型材料、工艺与技术不断涌现[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。其中复合铜箔作为锂离子电池新型集流体材料，通常以高分子薄膜（如PET、PP或PI）为基材制备这类结构材料。首先通过真空溅射技术在基底表面沉积纳米级金属导电层，随后在水相介质中进行电镀或其他增厚工艺使铜层生长至微米尺度，最终形成"金属-聚合物-金属"三明治结构。目前主流复合铜箔的聚合物层厚度约为4微米，上下铜层各为1至2微米，总厚度达到6至8微米。以PET为例，聚合物材料密度为1.38-1。40克/立方厘米3铜的密度为8.96 g/cm³3因此，复合铜箔的应用不仅能减轻电池整体重量、提升能量密度，还可降低铜材消耗。鉴于铜价持续攀升，该技术可有效缓解负极集流体成本压力[16,17]。优化传统纯铜箔负极集流体采用复合铜箔具有重要研究价值。
然而当前量产锂离子电池的能量密度已基本停滞在400 Wh/kg以下[18,19]。这是由于电池性能会随能量密度提升急剧劣化，主要表现为可逆锂损失现象显著加速，导致电池容量快速掉落至初始值的80%以下[[20], [21], [22]]。此外，由于负极中高硅碳含量引发的电池过度膨胀（Expansion）及其他相关问题，阻碍了高比能电池的进一步应用[[23], [24], [25], [26], [27]]。因此，优化400 Wh/kg高比能电池系统的设计策略，以显著延长其循环寿命并抑制膨胀（Expansion），对加速400 Wh/kg高能量密度电池的商业化进程至关重要[28,29]。
本研究基于能量密度高达400 Wh/kg的电池体系，通过将原4.5 μm纯铜箔替换为0.85/4.5/0.85（铜箔/PET/铜箔厚度，单位μm）和0.4/4.5/0.4（铜箔/PET/铜箔厚度，单位μm）构型的复合铜箔，对设计方案进行了调整。探究了此类设计调整对电池性能开发的优势，并对引发的问题展开了讨论。
