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L'influence de l'épaisseur de la feuille de cuivre sur les performances des batteries au lithium

June 24 , 2025

L'influence de l'épaisseur de la feuille de cuivre sur les performances des batteries au lithium

feuille de cuivre Il est utilisé comme support d'électrode négative et collecteur de courant dans les batteries lithium-ion. L'épaisseur de la feuille de cuivre joue un rôle essentiel dans les batteries au lithium et influence leurs performances, leur sécurité et leur coût.

1. Impact sur la densité énergétique de la batterie

1.1 Densité énergétique massique

Feuille de cuivre, comme batterie collecteur de courant , ne participe pas à la réaction électrochimique elle-même. Plus son épaisseur est fine, plus la proportion de matériaux actifs (comme le graphite) dans la batterie est élevée. Par exemple, réduire l'épaisseur d'une feuille de cuivre de 10 μm à 6 μm réduira la masse totale de matériaux inactifs dans la batterie d'environ 40 %, et davantage de matériaux actifs pourront être logés dans le même volume. Théoriquement, la densité énergétique massique peut être augmentée de 5 à 8 %.

1.2 Densité énergétique volumique

L'avantage d'une feuille de cuivre fine, grâce à son épaisseur, réduit directement la proportion volumique de matériaux inactifs à l'intérieur de la batterie. Prenons l'exemple des batteries 18650 : l'utilisation d'une feuille de cuivre de 8 µm, comparée à une feuille de cuivre de 12 µm, permet d'augmenter l'utilisation de l'espace interne d'environ 3 %, et donc la densité énergétique volumique.

2. Impact sur la résistance interne de la batterie et les performances de débit
2.1 Résistance interne CC (DCR)
La résistance CC d'une feuille de cuivre est inversement proportionnelle à son épaisseur. Selon la loi d'Ohm, la résistance d'une feuille de cuivre de 10 μm est environ deux fois supérieure à celle d'une feuille de cuivre de 5 μm. Les mesures montrent que la résistance interne d'une batterie au lithium avec une feuille de cuivre de 10 μm est d'environ 60 mΩ à 25 °C, tandis que celle d'une batterie avec une feuille de cuivre de 5 μm peut être réduite à moins de 45 mΩ. Une faible résistance interne permet de réduire les pertes de chaleur lors de la charge et de la décharge.

2.2. Performances tarifaires

Une feuille de cuivre fine présente une résistance plus faible et une distribution du courant plus uniforme lors des charges et décharges à fort courant, évitant ainsi toute surchauffe locale. Par exemple, une batterie dotée d'une feuille de cuivre de 6 μm peut maintenir un taux de rétention de capacité de décharge de 85 % à une température de 10 °C, contre seulement 78 % pour une batterie dotée d'une feuille de cuivre de 10 μm. L'amélioration des performances est particulièrement significative pour les batteries de forte puissance.

Coated Copper foil

3. Impact sur la durée de vie de la batterie
3.1 Résistance mécanique et stabilité du cycle
L'épaisseur d'une feuille de cuivre est positivement corrélée à sa résistance mécanique : la résistance à la traction d'une feuille de cuivre de 10 µm est d'environ 280 MPa, tandis que celle d'une feuille de cuivre de 4 µm tombe à 220 MPa. Une feuille de cuivre trop fine est sujette aux microfissures lors du laminage ou du cyclage de la pièce polaire, ce qui entraîne un mauvais contact entre le collecteur de courant et le matériau actif et une augmentation de la résistance interne. Des expériences montrent que le taux de rétention de capacité des batteries avec une feuille de cuivre de 4 µm est de 82 % après 500 cycles, tandis que celui des batteries avec une feuille de cuivre de 8 µm peut atteindre 88 %.

3.2 Risque de pénétration des dendrites de lithium

Si des dendrites de lithium se développent sur l'électrode négative d'une feuille de cuivre d'une épaisseur inférieure à 5 μm lors d'un cycle prolongé, elles sont plus facilement pénétrées, ce qui entraîne des courts-circuits internes. Des études ont montré que le taux de défaillance par court-circuit interne des batteries utilisant des feuilles de cuivre inférieures à 5 μm en fin de cycle est environ 30 % supérieur à celui des batteries utilisant des feuilles de cuivre de 8 μm.

4. Impact sur la sécurité des batteries
4.1 Conduction et dissipation de la chaleur
L'épaisseur de la feuille de cuivre affecte l'efficacité de conduction thermique interne de la batterie. Le taux de conduction thermique d'une feuille de cuivre de 10 μm est d'environ 2 W/(m·K). Bien que l'augmentation de l'épaisseur n'ait qu'une amélioration limitée de la capacité de conduction thermique, le trajet de dissipation thermique est plus court lorsque la production de chaleur est concentrée sous un courant élevé. Le risque de surchauffe locale doit être compensé par une conception structurelle (par exemple, l'ajout de colle thermoconductrice).

4.2 Réalisation du test de ponction à l'aiguille

Une feuille de cuivre épaisse (par exemple 10 μm) peut retarder l'apparition d'un court-circuit interne lors du test de perforation à l'aiguille, car elle possède elle-même un effet de barrière mécanique. Les données de test montrent que la température maximale d'emballement thermique d'une batterie avec une feuille de cuivre de 10 μm est de 210 ℃ lors de la perforation à l'aiguille, tandis que la température maximale d'une batterie avec une feuille de cuivre de 6 μm atteint 240 ℃, ce qui accroît le risque d'emballement thermique.

5. Impact sur le coût et le processus de production
5.1 Coût des matériaux

L'épaisseur d'une feuille de cuivre est linéairement proportionnelle au coût : le prix unitaire d'une feuille de cuivre de 8 µm est d'environ 120 yuans/kg, tandis que celui d'une feuille de cuivre de 4 µm peut dépasser 200 yuans/kg en raison de la complexité du processus de production. Prenons l'exemple d'une batterie de 1 GWh : le coût des matériaux pour une feuille de cuivre de 6 µm est supérieur d'environ 800 000 yuans à celui d'une feuille de cuivre de 10 µm.

5.2 Adaptabilité du processus de production
5.2.1 Processus de laminage :

Les feuilles de cuivre minces (< 5 μm) sont sujettes à une épaisseur inégale lors du laminage, ce qui nécessite une précision du laminage de ± 0,5 μm, et l'investissement en équipement est 50 % supérieur à celui des lignes de production conventionnelles.

5.2.2 Procédé de revêtement :

Lorsque les feuilles de cuivre minces contiennent des substances actives, les exigences de contrôle de la tension du revêtement sont plus strictes. Des fluctuations de tension supérieures à 5 N provoquent le plissement de la pièce polaire et la chute du taux d'élasticité de 95 % à moins de 85 %.

6. Stratégie de sélection de l'épaisseur pour différents scénarios d'application

Le choix de l'épaisseur de la feuille de cuivre est un équilibre complet entre la densité énergétique de la batterie, les performances, la sécurité et le coût : l'électronique grand public a tendance à être extrêmement fine pour améliorer la portabilité, les batteries d'alimentation doivent optimiser les performances globales dans la plage de 6 à 8 µm, et le domaine du stockage d'énergie se concentre davantage sur la fiabilité à long cycle de la feuille de cuivre épaisse.

Avec les progrès des technologies de revêtement (comme le revêtement par fentes de haute précision et le procédé d'électrode sèche) et le développement des collecteurs de courant composites, les limites de conception en matière d'épaisseur des feuilles de cuivre sont progressivement dépassées. Par exemple, le contrôle de l'uniformité de la machine de revêtement d'électrodes La production stable de feuilles de cuivre ultra-fines (≤ 4 μm) est possible grâce à la technologie de revêtement à sec, qui réduit l'utilisation de solvants et les coûts. Cependant, la stabilité du procédé et la maîtrise des coûts restent essentielles à l'industrialisation, et la précision et l'efficacité de la machine de revêtement déterminent directement la consistance et le rendement de l'électrode.

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