銅加工材在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

羅奇梁 劉晉龍 馬力

摘? 要：在當(dāng)前，我國的銅加工材就總產(chǎn)量來說已經(jīng)居于世界首位，但總體來看屬于低端產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，高端產(chǎn)品尚處于追趕狀態(tài)。長期以來，銅加工材在電線、電纜、水暖衛(wèi)浴、空調(diào)制冷等傳統(tǒng)領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，銅加工材在新能源領(lǐng)域的建設(shè)中也得到了廣泛的應(yīng)用，用量在不斷攀升。本文總結(jié)了銅加工材在當(dāng)前新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：銅加工材? 新能源? 應(yīng)用研究? 現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：S216? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）08（a）-0083-03

Abstract： At present， China's total output of copper processing materials has ranked first in the world， but in general， it is a serious low-end overcapacity， and high-end products are still catching up. For a long time， copper processing materials have been widely used in wire， cable， plumbing， air conditioning and refrigeration and other traditional fields. In recent years， with the vigorous development of new energy industry， copper processing materials have been widely used in the construction of new energy field， and the consumption is increasing. This paper summarizes the current application of copper processing materials in the field of new energy.

Key Words： Copper processing materials; New energy; Applied research; Current situation

銅有良好的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在各行各業(yè)都發(fā)揮著重要的作用，同樣在當(dāng)前的新能源領(lǐng)域也扮演著不可或缺的角色。在新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、太陽能、核電等領(lǐng)域各種銅加工材都發(fā)揮了重要的作用。在國家新能源政策的指引下，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也進(jìn)入了快車道，各種銅加工材的使用量也不斷攀升，一定程度上也推動(dòng)了銅加工材的精深化發(fā)展，也促進(jìn)了傳統(tǒng)銅加工材行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

1? 銅加工材的種類和特性

1.1 銅加工材的種類

常見的銅加工材按照合金大類可以分為紫銅、黃銅、白銅、青銅;按照產(chǎn)品形態(tài)又分為有銅管、銅棒、銅桿、銅線、銅板帶、銅箔等。不同的產(chǎn)品應(yīng)用在不同的行業(yè)領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的支撐作用。

1.2 銅加工材的特性

銅的特性多種，比如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性等。通過在銅中有目的地加入一種或者多種合金元素，又可以獲得高強(qiáng)度、高彈性、易切削性、耐蝕性、耐磨性等。

2? 銅加工材在新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域的銅加工材主要是銅箔。銅箔根據(jù)用途可分為標(biāo)準(zhǔn)銅箔和鋰電銅箔。由于其具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械加工性能，制造技術(shù)較成熟，鋰電銅箔作為鋰電池中既充當(dāng)負(fù)極活性材料的載體，又充當(dāng)負(fù)極電子收集與傳導(dǎo)體，成為鋰離子電池負(fù)極集流體的首選。

國內(nèi)方面，新能源汽車產(chǎn)業(yè)受到了國家政策的大力支持。在2016年中國新能源汽車銷量已超越美國，躍居世界第一，我國新能源汽車行業(yè)的初期培育階段已經(jīng)完成。2017年4月，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部聯(lián)合印發(fā)了《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》的通知：計(jì)劃到2020年，新能源汽車年產(chǎn)銷達(dá)到200萬輛;到2025年產(chǎn)銷占總汽車產(chǎn)銷的20%，到2030年達(dá)到40%～50%;到2020年保有量達(dá)到500萬輛。

隨著以上新能源汽車政策的實(shí)施及新能源汽車生產(chǎn)量不斷增加，作為動(dòng)力部分的鋰離子電池產(chǎn)量也不斷增加，從而帶動(dòng)了作為鋰電池負(fù)極集流體的鋰電銅箔的用量增加。

在相同單位體積的鋰離子電池中，銅箔的厚度越薄其承載負(fù)極活性物質(zhì)的能力越好，電池的容量越大。鋰電銅箔厚度一般為8um，為了追求更高的能量密度，靈寶華鑫已經(jīng)開始生產(chǎn)6um的銅箔。鋰電銅箔的趨勢就是進(jìn)一步輕薄化。

2019年中國鋰電銅箔產(chǎn)量為11.62萬t，未來幾年，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)受國家政策大力支持的背景下，動(dòng)力電池將帶動(dòng)中國鋰電銅箔市場繼續(xù)保持高速增長，預(yù)計(jì)到2020年中國鋰電銅箔產(chǎn)量將達(dá)14.85萬t。

另外，新能源汽車領(lǐng)域的電機(jī)、電線和充電樁用銅也都將帶動(dòng)銅加工材用量的增長。據(jù)有關(guān)報(bào)到，一臺(tái)混合電力和純電動(dòng)車含銅量約為40～80kg，快充充電樁和慢充用銅量約為8kg和60kg。中國地質(zhì)調(diào)查局根據(jù)全球及我國新能源汽車發(fā)展速度研究顯示，2017—2030年，全球新能源汽車領(lǐng)域?qū)︺~的消費(fèi)將從20萬t增長到420萬t;我國則從6萬t增長到160萬t，占中國銅消費(fèi)增量的70%。

2.2 風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著全球經(jīng)濟(jì)逐漸步入低碳趨勢，清潔能源成為未來能源的發(fā)展趨勢，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)收到世界各國的重視。

基于銅的優(yōu)良的導(dǎo)電性，并且能有效提高電氣設(shè)備的效率，因此銅材成為清潔能源發(fā)展必不可少的材料，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，以促進(jìn)發(fā)電和運(yùn)輸功率的最大化，從而減小對環(huán)境的影響。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是銅消耗最高的發(fā)電方式，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的銅加工材主要是電線、電纜。譬如在風(fēng)力渦輪機(jī)中，發(fā)電機(jī)、電力變壓器、齒輪箱和電纜都消耗大量的銅材。超長無氧銅矩形銅扁線以其優(yōu)良的導(dǎo)電性成為風(fēng)電設(shè)備中不可或缺的材料，主要應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組，還有對抗扭轉(zhuǎn)性能和抗彎曲性能要求較高并且應(yīng)用于風(fēng)電扭轉(zhuǎn)段電纜等銅加工材產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中大約58%的銅是通過電纜消耗的。

根據(jù)伍德麥肯茲（Wood Mackenzie）的最新分析，2018—2028年期間，將新增6.5億kW陸上風(fēng)電裝機(jī)容量和1.3億kW海上風(fēng)電裝機(jī)容量，這將消耗逾550萬t的銅材。全球風(fēng)能技術(shù)預(yù)計(jì)2018—2022年期間每年平均需要45萬t銅，在2028年之前每年增加至60萬t。中國預(yù)計(jì)新增陸上產(chǎn)能每年消耗11萬t銅。

2.3 太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用

應(yīng)用在太陽能領(lǐng)域的銅加工材主要有銅管和銅帶。在太陽能熱水器上，銅管和銅帶都得到了應(yīng)用。

太陽能熱水系統(tǒng)分為真空管型太陽能熱水器和用熱管承壓式太陽能熱水器。其中熱管承壓式太陽能熱水器具有可承壓、熱傳導(dǎo)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)集熱與儲(chǔ)水分離、熱水的加壓泵送。其結(jié)構(gòu)扁平，空間占用相對較小，而且便于安裝。熱管承壓式太陽能熱水器的核心部件，熱管的管殼所使用的銅管為高純無氧銅材料，其材料的氧含量要求小于5ppm。這種熱管的制備方法是，先通過擠壓或者連鑄連軋工藝生產(chǎn)出滿足技術(shù)指標(biāo)的無氧銅管材，再經(jīng)特殊工序的處理，在銅管內(nèi)部充入特定的工質(zhì)，之后進(jìn)行抽真空封口。

利用無氧銅材制成的熱管，導(dǎo)熱方式主要依賴內(nèi)部工質(zhì)的相變傳熱，其導(dǎo)熱性超過目前已知金屬的導(dǎo)熱性。太陽能熱水系統(tǒng)利用光熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量加熱生活用水在我國城鄉(xiāng)居民生活中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，太陽能熱水器的普及率在逐年提高。

銅帶是應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域的重要導(dǎo)電導(dǎo)熱原材料，分為光熱銅帶和光伏銅帶兩種[2]。

光熱銅帶用于制作太陽能集熱器板芯，集熱板芯的光熱轉(zhuǎn)換效率取決于集熱板的表面涂層材料。當(dāng)前國際上主要使用連續(xù)電鍍技術(shù)在銅帶表面進(jìn)行鍍黑鉻作為涂層。

光伏銅帶用于太陽能光伏組件中的涂錫銅合連接焊帶，也稱光伏焊帶、鍍錫銅帶、互連帶、匯流帶，是太陽能電池的必備組件。光伏銅帶作為太陽能電池封裝中的重要組件之一，它的性能對太陽能電池組件的性能具有重要影響。要求材料有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、易于鍍錫、極高的尺寸公差和表面質(zhì)量及優(yōu)良的力學(xué)性能，一般使用無氧銅帶作為光伏銅帶。與傳統(tǒng)的純銅帶相比，無氧銅帶具有更高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，但材料的加工難度相對普通銅帶較大。

國際銅業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)為，太陽能光伏預(yù)計(jì)在2015—2020年新裝120～170GW，風(fēng)電預(yù)計(jì)新裝135～165GW，這兩項(xiàng)將帶動(dòng)50萬t的銅加工材使用量。

2.4 核能發(fā)電設(shè)備上的應(yīng)用

核能發(fā)電設(shè)備運(yùn)行原理是，通過對于可控核裂變技術(shù)的使用，讓其產(chǎn)生持續(xù)化的電流，該電流要能夠上網(wǎng)為整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)提供更多的能源。實(shí)際工作中要通過該系統(tǒng)中各類設(shè)備的合理調(diào)整，讓其傳遞實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的發(fā)電功率，當(dāng)前常用鉛棒等材料控制在核燃料反應(yīng)堆中的反應(yīng)物質(zhì)加入量，為了提高相關(guān)連接件的防腐能力并提高實(shí)際的控制精度，通常會(huì)采用銅材料固定相關(guān)設(shè)施，讓其參與工作實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)整。

另外在核能發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行中，需要能夠?qū)a(chǎn)生的電量穩(wěn)定傳輸，而該過程中使用大量的銅電纜。在汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部具有導(dǎo)電性能要求的部位，也應(yīng)用了其他的銅加工材產(chǎn)品，比如空心銅導(dǎo)線，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子用單孔或雙孔空心銅型材、電機(jī)定子用銅異型材等。除此之外，還有輸變電設(shè)備、聯(lián)接接頭、輸電線路使用的銅線、銅扁線、導(dǎo)電銅排等[3]。

目前世界核電裝機(jī)容量的平均水平為17%，其中法國高達(dá)77%;到2007年底，我國核電總裝機(jī)容量為885萬kW，占全國總裝機(jī)容量1.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際水平，可提升的空間巨大。

3? 結(jié)語

從銅加工材在以上新能源領(lǐng)域應(yīng)用中可以看出，主要利用了銅材所具備的優(yōu)良導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能以及與之匹配的綜合性能。在新能源領(lǐng)域，由于銅材的使用要求較高，使用環(huán)境相對特殊，對銅加工材的性能指標(biāo)要求都非常高。盡管銅的價(jià)格在某些時(shí)間會(huì)大幅上漲，但是鑒于銅加工材本身的特性，其他材料在同樣的使用工況下無法對其形成取代。在當(dāng)前銅加工材低端產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的大背景下，常規(guī)產(chǎn)品的加工費(fèi)大幅下滑，與以往相比已經(jīng)不可同日而語，新能源領(lǐng)域的銅加工材鑒于其更加精細(xì)、更加苛刻的要求，具備了成為高端產(chǎn)能條件。新能源行業(yè)的蓬勃發(fā)展，帶動(dòng)高端銅加工材產(chǎn)能的增長，從而會(huì)帶動(dòng)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和裝備提升，這對我國銅加工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要的意義。

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