銅加工材在新能源領域的應用現狀

羅奇梁 劉晉龍 馬力

摘? 要：在當前，我國的銅加工材就總產量來說已經居于世界首位，但總體來看屬于低端產能嚴重過剩，高端產品尚處于追趕狀態。長期以來，銅加工材在電線、電纜、水暖衛浴、空調制冷等傳統領域都已經得到了廣泛的應用。近些年來，隨著新能源產業的蓬勃發展，銅加工材在新能源領域的建設中也得到了廣泛的應用，用量在不斷攀升。本文總結了銅加工材在當前新能源領域中的應用現狀。

關鍵詞：銅加工材? 新能源? 應用研究? 現狀

中圖分類號：S216? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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、導電性和導熱性，在各行各業都發揮著重要的作用，同樣在當前的新能源領域也扮演著不可或缺的角色。在新能源汽車、風力發電、太陽能、核電等領域各種銅加工材都發揮了重要的作用。在國家新能源政策的指引下，新能源產業的發展也進入了快車道，各種銅加工材的使用量也不斷攀升，一定程度上也推動了銅加工材的精深化發展，也促進了傳統銅加工材行業的轉型升級。

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;按照產品形態又分為有銅管、銅棒、銅桿、銅線、銅板帶、銅箔等。不同的產品應用在不同的行業領域，在各行各業發揮著重要的支撐作用。

1.2 銅加工材的特性

銅的特性多種，比如導電性、導熱性、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域中的應用現狀

2.1 新能源汽車領域的應用

應用于新能源汽車領域的銅加工材主要是銅箔。銅箔根據用途可分為標準銅箔和鋰電銅箔。由于其具有良好的導電性和機械加工性能，制造技術較成熟，鋰電銅箔作為鋰電池中既充當負極活性材料的載體，又充當負極電子收集與傳導體，成為鋰離子電池負極集流體的首選。

國內方面，新能源汽車產業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的初期培育階段已經完成。2017年4月，工業和信息化部、發展改革委、科技部聯合印發了《汽車產業中長期發展規劃》的通知：計劃到2020年，新能源汽車年產銷達到200萬輛;到2025年產銷占總汽車產銷的20%，到2030年達到40%～50%;到2020年保有量達到500萬輛。

隨著以上新能源汽車政策的實施及新能源汽車生產量不斷增加，作為動力部分的鋰離子電池產量也不斷增加，從而帶動了作為鋰電池負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極活性物質的能力越好，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，靈寶華鑫已經開始生產6um的銅箔。鋰電銅箔的趨勢就是進一步輕薄化。

2019年中國鋰電銅箔產量為11.62萬t，未來幾年，在新能源汽車產業受國家政策大力支持的背景下，動力電池將帶動中國鋰電銅箔市場繼續保持高速增長，預計到2020年中國鋰電銅箔產量將達14.85萬t。

另外，新能源汽車領域的電機、電線和充電樁用銅也都將帶動銅加工材用量的增長。據有關報到，一臺混合電力和純電動車含銅量約為40～80kg，快充充電樁和慢充用銅量約為8kg和60kg。中國地質調查局根據全球及我國新能源汽車發展速度研究顯示，2017—2030年，全球新能源汽車領域對銅的消費將從20萬t增長到420萬t;我國則從6萬t增長到160萬t，占中國銅消費增量的70%。

2.2 風力發電領域的應用

隨著全球經濟逐漸步入低碳趨勢，清潔能源成為未來能源的發展趨勢，風力發電已經收到世界各國的重視。

基于銅的優良的導電性，并且能有效提高電氣設備的效率，因此銅材成為清潔能源發展必不可少的材料，被廣泛應用于風力發電設備中，以促進發電和運輸功率的最大化，從而減小對環境的影響。

風力發電技術是銅消耗最高的發電方式，應用于風力發電領域的銅加工材主要是電線、電纜。譬如在風力渦輪機中，發電機、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良的導電性成為風電設備中不可或缺的材料，主要應用在風力發電機定子繞組，還有對抗扭轉性能和抗彎曲性能要求較高并且應用于風電扭轉段電纜等銅加工材產品。據統計，在風力發電設備中大約58%的銅是通過電纜消耗的。

根據伍德麥肯茲（Wood Mackenzie）的最新分析，2018—2028年期間，將新增6.5億kW陸上風電裝機容量和1.3億kW海上風電裝機容量，這將消耗逾550萬t的銅材。全球風能技術預計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。中國預計新增陸上產能每年消耗11萬t銅。

2.3 太陽能領域的應用

應用在太陽能領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用。

太陽能熱水系統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、熱傳導效率高等優點，可以同時實現集熱與儲水分離、熱水的加壓泵送。其結構扁平，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出滿足技術指標的無氧銅管材，再經特殊工序的處理，在銅管內部充入特定的工質，之后進行抽真空封口。

利用無氧銅材制成的熱管，導熱方式主要依賴內部工質的相變傳熱，其導熱性超過目前已知金屬的導熱性。太陽能熱水系統利用光熱效應產生熱量加熱生活用水在我國城鄉居民生活中已經得到廣泛的應用，太陽能熱水器的普及率在逐年提高。

銅帶是應用于太陽能領域的重要導電導熱原材料，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，集熱板芯的光熱轉換效率取決于集熱板的表面涂層材料。當前國際上主要使用連續電鍍技術在銅帶表面進行鍍黑鉻作為涂層。

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熱導電性、易于鍍錫、極高的尺寸公差和表面質量及優良的力學性能，一般使用無氧銅帶作為光伏銅帶。與傳統的純銅帶相比，無氧銅帶具有更高的導電導熱性，但材料的加工難度相對普通銅帶較大。

國際銅業協會認為，太陽能光伏預計在2015—2020年新裝120～170GW，風電預計新裝135～165GW，這兩項將帶動50萬t的銅加工材使用量。

2.4 核能發電設備上的應用

核能發電設備運行原理是，通過對于可控核裂變技術的使用，讓其產生持續化的電流，該電流要能夠上網為整個電網系統提供更多的能源。實際工作中要通過該系統中各類設備的合理調整，讓其傳遞實際運行過程中產生的發電功率，當前常用鉛棒等材料控制在核燃料反應堆中的反應物質加入量，為了提高相關連接件的防腐能力并提高實際的控制精度，通常會采用銅材料固定相關設施，讓其參與工作實現對整個系統的調整。

另外在核能發電機組的運行中，需要能夠將產生的電量穩定傳輸，而該過程中使用大量的銅電纜。在汽輪發電機內部具有導電性能要求的部位，也應用了其他的銅加工材產品，比如空心銅導線，發電機轉子用單孔或雙孔空心銅型材、電機定子用銅異型材等。除此之外，還有輸變電設備、聯接接頭、輸電線路使用的銅線、銅扁線、導電銅排等[3]。

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

3? 結語

從銅加工材在以上新能源領域應用中可以看出，主要利用了銅材所具備的優良導電性能和導熱性能以及與之匹配的綜合性能。在新能源領域，由于銅材的使用要求較高，使用環境相對特殊，對銅加工材的性能指標要求都非常高。盡管銅的價格在某些時間會大幅上漲，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。在當前銅加工材低端產能嚴重過剩的大背景下，常規產品的加工費大幅下滑，與以往相比已經不可同日而語，新能源領域的銅加工材鑒于其更加精細、更加苛刻的要求，具備了成為高端產能條件。新能源行業的蓬勃發展，帶動高端銅加工材產能的增長，從而會帶動行業技術創新和裝備提升，這對我國銅加工行業轉型升級具有重要的意義。

參考文獻

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[6] 張煜.基于數據挖掘的銅加工企業套期保值管理優化研究[D].昆明：云南大學，2019.

[7] 張玉.有色加工協會聯合安泰科共同發布2017年中國銅鋁加工材產量統計數據[J].中國有色金屬，2018（6）：17.