电池互连材料必须满足电学、机械、连接及环境等多方面的严苛要求，而这些特性仅靠单一金属难以实现。镍带已无法满足圆柱形锂离子电池组所需的导电性和抗电解腐蚀性能。Materion公司研发出一种五层复合金属解决方案，将电导率从18% IACS提升至60% IACS ，同时保持了电池互连材料的强度、可焊接性、可焊性及耐腐蚀性能。

该项目始于一位在户外工具市场从事圆柱形锂离子电池业务的客户，该客户邀请Materion公司设计一种电池互连材料，优化其电池互连设计。他们此前一直使用镍带作为每个单体电池的集流体，但发现镍的导电性（18% IACS）不足以高效应对所需的充放电速率。他们还发现，尽管镍具有良好的环境防腐性能，但在电解腐蚀方面却存在不足，而这一问题是他们在应对现场故障时面临的更大挑战。

圆柱形电芯锂离子电池组

Materion公司设计一种金属层压板，该材料需兼具优异的导电性与导热性，同时保持足够的机械强度、可焊接性、可焊锡性及抗电解腐蚀性能，从而可用作电池互连结构。

覆层技术是应对挑战的有效解决方案，某种金属在某一性能方面表现优异，但在另一方面则存在不足。例如，铜具有优异的导电性，但机械强度较低，而不锈钢则具备良好的机械强度性能，却缺乏导电性。通过覆层工艺，可将这两种金属结合，制得一种金属层压材料，相较于原始材料，该电池互连材料兼具更高的刚度与更优的导电性能。

包覆技术是一种非合金化连接工艺，可将多种金属分别制成独立层状结构，同时整合各金属的最佳性能，从而形成具有整体性的电池互连设计复合材料。该工艺通过将2–3条金属带材送入包覆轧机（其工作原理类似于轧机），使金属带材在单次轧制过程中经历70%的厚度缩减，从而实现剧烈塑性变形。在轧辊咬口处，电池互连材料被线性拉伸，暴露出未氧化金属层。此时金属层间发生结合，形成绿色结合层。随后对包覆层进行烧结处理，促进各金属层间的原子扩散，在保持独立层状结构的同时建立冶金结合。至此，该包覆材料即可像其他金属带材一样进行后续加工。

复合材料包裹层横截面的显微照片，显示离散层状结构

为应对客户的电池互连设计挑战，Materion研发了一种由铜、不锈钢及CuNi合金组成的五层复合金属带材（ConnectiClad带材），从而满足各项具体电池互连设计要求。

ConnectiClad材料五层结构的横截面图

铜（C102）是复合金属中的核心及主要金属，因为除银之外，它在所有商用合金中具有最佳的导热性和导电性。在复合金属中，整体导电率与复合金属中各金属层的体积成正比。由于C102的导电率为101% IACS ，而其它金属层的导电率可忽略不计，因此复合金属的整体导电率可以轻松估算。由60% C102组成的复合金属，其导电率约为60% IACS 。由80% C102组成的复合金属，其导电率约为80% IACS ，依此类推。对于我们的客户而言，达到60% IACS的复合金属已足够，且优于镍（仅18% IACS），这为他们提供了在充放电过程中高效导电的电池互连设计解决方案。

铜材两侧的层材均需采用不锈钢材质。客户选用S304不锈钢，是因为相较于其它不锈钢品种，其成形性能更佳。但在覆层加工过程中，任何不锈钢材质均可互换使用。该不锈钢层可为覆层结构提供两大优势：强度与可焊性。

将不锈钢置于铜材的外层，可赋予该金属作为电池互连材料所需的强度和耐久性。其抗拉强度的测定方法与电导率的测定相同，金属在镀层中所占的体积越大，对该性能的影响就越显著。

然而，在弯曲工况下，覆层的外层对强度和刚度的影响尤为显著（本例中CuNi的最外层厚度极薄，可忽略不计）。覆层的外层纤维相对于中心区域处于受压或受拉状态，因此将强度更高的电池互连材料置于外侧，可提升整体弯曲性能。

弯曲刚度差异随覆层外皮的变化而改变

不锈钢材质还可满足客户对复合钢带可焊性的要求。电阻焊工艺通过金属导体通入高电流，利用该部位产生的电阻效应使材料受热熔化，从而形成焊缝。若仅使用铜材，其过高的电导率与导热性会导致电能及热能迅速耗散，进而阻碍金属熔化。

铜材外层的不锈钢层可提供足够的电阻，促使热量积聚并形成焊缝。

最终，C706（一种铜镍合金）被选作最外层包覆层。选择该材料的原因是客户要求电池互连材料具备优异的电解腐蚀性能。当电池连接部位暴露于水中时，由于电极间存在电压电位，该部位即构成一个电解池。此时阳极材料会发生腐蚀，并沉积至阴极上。经过多次干湿循环后，两个电极之间会形成导电枝晶，进而引发电池短路，可能导致热失控及起火事故。

在环境腐蚀中通常表现良好的金属，在电解条件下可能无法形成钝化膜。为此，我们进行了电池互连设计测试，确定哪些金属能够满足客户对电解腐蚀防护的要求。电池互连设计测试方法是将两条金属试片浸入氯化钠溶液中，分别在5V和10V电压下对金属施加电刺激，同时测量电路中的电流值。若某金属在通电条件下无法形成钝化膜，则会发生腐蚀并向溶液中释放离子，从而导致电流值增大。电流值较大的金属，其在电解腐蚀环境中的表现较差。本次电池互连设计测试涉及的金属品种包括Ni201、C706、C17410及C510。

5V与10V电解腐蚀试验结果

在5V电压下，所有铜基合金均呈现电流初始尖峰，随后稳定在较低电流值。这表明金属表面已发生钝化，不再向溶液中释放离子，因而不会发生电解腐蚀。镍合金则呈现电流尖峰并稳定在较高电流值，说明该金属始终未发生钝化。在10V电压下，铜基合金同样出现电流尖峰后趋于稳定，表明所有铜基合金均在较高电压下发生钝化。而镍合金的电流则持续稳步上升，证明在10V电压作用下，该金属既未发生钝化，亦未发生腐蚀。

在用于电解防腐保护的三种铜基合金中，C706被选作包覆层的外层材料，C17410则因铍元素考量未被选用。在C706与C510之间，C706在环境腐蚀试验中表现更优（见表1）。此外，C706还通过了焊料测试，以确保客户使用的电池管理系统（BMS）可与该电池可靠连接。

表1. C706与C510的环境腐蚀试验结果

表2. 镍与复合材料的性能对比

凭借镀层技术，Materion成功设计出一种用于电池互连的紧凑型高效金属带材，该电池互连材料不仅满足客户需求，其性能更优于镍材。这种五层镀层设计在保持高电导率的同时，并未牺牲焊接性、机械强度及耐腐蚀性能。

复合材料的研究和发展对于未来高性能电池互连设计解决方案至关重要。