铜加工材在新能源领域的应用现状

罗奇梁 刘晋龙 马力

摘  要：在当前，我国的铜加工材就总产量来说已经居于世界首位，但总体来看属于低端产能严重过剩，高端产品尚处于追赶状态。长期以来，铜加工材在电线、电缆、水暖卫浴、空调制冷等传统领域都已经得到了广泛的应用。近些年来，随着新能源产业的蓬勃发展，铜加工材在新能源领域的建设中也得到了广泛的应用，用量在不断攀升。本文总结了铜加工材在当前新能源领域中的应用现状。

关键词：铜加工材  新能源  应用研究  现状

中图分类号：S216                                 文献标识码：A                    文章编号：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

铜有良好的延展性、导电性和导热性，在各行各业都发挥着重要的作用，同样在当前的新能源领域也扮演着不可或缺的角色。在新能源汽车、风力发电、太阳能、核电等领域各种铜加工材都发挥了重要的作用。在国家新能源政策的指引下，新能源产业的发展也进入了快车道，各种铜加工材的使用量也不断攀升，一定程度上也推动了铜加工材的精深化发展，也促进了传统铜加工材行业的转型升级。

1  铜加工材的种类和特性

1.1 铜加工材的种类

常见的铜加工材按照合金大类可以分为紫铜、黄铜、白铜、青铜;按照产品形态又分为有铜管、铜棒、铜杆、铜线、铜板带、铜箔等。不同的产品应用在不同的行业领域，在各行各业发挥着重要的支撑作用。

1.2 铜加工材的特性

铜的特性多种，比如导电性、导热性、延展性等。通过在铜中有目的地加入一种或者多种合金元素，又可以获得高强度、高弹性、易切削性、耐蚀性、耐磨性等。

2  铜加工材在新能源领域中的应用现状

2.1 新能源汽车领域的应用

应用于新能源汽车领域的铜加工材主要是铜箔。铜箔根据用途可分为标准铜箔和锂电铜箔。由于其具有良好的导电性和机械加工性能，制造技术较成熟，锂电铜箔作为锂电池中既充当负极活性材料的载体，又充当负极电子收集与传导体，成为锂离子电池负极集流体的首选。

国内方面，新能源汽车产业受到了国家政策的大力支持。在2016年中国新能源汽车销量已超越美国，跃居世界第一，我国新能源汽车行业的初期培育阶段已经完成。2017年4月，工业和信息化部、发展改革委、科技部联合印发了《汽车产业中长期发展规划》的通知：计划到2020年，新能源汽车年产销达到200万辆;到2025年产销占总汽车产销的20%，到2030年达到40%～50%;到2020年保有量达到500万辆。

随着以上新能源汽车政策的实施及新能源汽车生产量不断增加，作为动力部分的锂离子电池产量也不断增加，从而带动了作为锂电池负极集流体的锂电铜箔的用量增加。

在相同单位体积的锂离子电池中，铜箔的厚度越薄其承载负极活性物质的能力越好，电池的容量越大。锂电铜箔厚度一般为8um，为了追求更高的能量密度，灵宝华鑫已经开始生产6um的铜箔。锂电铜箔的趋势就是进一步轻薄化。

2019年中国锂电铜箔产量为11.62万t，未来几年，在新能源汽车产业受国家政策大力支持的背景下，动力电池将带动中国锂电铜箔市场继续保持高速增长，预计到2020年中国锂电铜箔产量将达14.85万t。

另外，新能源汽车领域的電机、电线和充电桩用铜也都将带动铜加工材用量的增长。据有关报到，一台混合电力和纯电动车含铜量约为40～80kg，快充充电桩和慢充用铜量约为8kg和60kg。中国地质调查局根据全球及我国新能源汽车发展速度研究显示，2017—2030年，全球新能源汽车领域对铜的消费将从20万t增长到420万t;我国则从6万t增长到160万t，占中国铜消费增量的70%。

2.2 风力发电领域的应用

随着全球经济逐渐步入低碳趋势，清洁能源成为未来能源的发展趋势，风力发电已经收到世界各国的重视。

基于铜的优良的导电性，并且能有效提高电气设备的效率，因此铜材成为清洁能源发展必不可少的材料，被广泛应用于风力发电设备中，以促进发电和运输功率的最大化，从而减小对环境的影响。

风力发电技术是铜消耗最高的发电方式，应用于风力发电领域的铜加工材主要是电线、电缆。譬如在风力涡轮机中，发电机、电力变压器、齿轮箱和电缆都消耗大量的铜材。超长无氧铜矩形铜扁线以其优良的导电性成为风电设备中不可或缺的材料，主要应用在风力发电机定子绕组，还有对抗扭转性能和抗弯曲性能要求较高并且应用于风电扭转段电缆等铜加工材产品。据统计，在风力发电设备中大约58%的铜是通过电缆消耗的。

根据伍德麦肯兹（Wood Mackenzie）的最新分析，2018—2028年期间，将新增6.5亿kW陆上风电装机容量和1.3亿kW海上风电装机容量，这将消耗逾550万t的铜材。全球风能技术预计2018—2022年期间每年平均需要45万t铜，在2028年之前每年增加至60万t。中国预计新增陆上产能每年消耗11万t铜。

2.3 太阳能领域的应用

应用在太阳能领域的铜加工材主要有铜管和铜带。在太阳能热水器上，铜管和铜带都得到了应用。

太阳能热水系统分为真空管型太阳能热水器和用热管承压式太阳能热水器。其中热管承压式太阳能热水器具有可承压、热传导效率高等优点，可以同时实现集热与储水分离、热水的加压泵送。其结构扁平，空间占用相对较小，而且便于安装。热管承压式太阳能热水器的核心部件，热管的管壳所使用的铜管为高纯无氧铜材料，其材料的氧含量要求小于5ppm。这种热管的制备方法是，先通过挤压或者连铸连轧工艺生产出满足技术指标的无氧铜管材，再经特殊工序的处理，在铜管内部充入特定的工质，之后进行抽真空封口。

利用无氧铜材制成的热管，导热方式主要依赖内部工质的相变传热，其导热性超过目前已知金属的导热性。太阳能热水系统利用光热效应产生热量加热生活用水在我国城乡居民生活中已经得到广泛的应用，太阳能热水器的普及率在逐年提高。

铜带是应用于太阳能领域的重要导电导热原材料，分为光热铜带和光伏铜带两种[2]。

光热铜带用于制作太阳能集热器板芯，集热板芯的光热转换效率取决于集热板的表面涂层材料。当前国际上主要使用连续电镀技术在铜带表面进行镀黑铬作为涂层。

光伏铜带用于太阳能光伏组件中的涂锡铜合连接焊带，也称光伏焊带、镀锡铜带、互连带、汇流带，是太阳能电池的必备组件。光伏铜带作为太阳能电池封装中的重要组件之一，它的性能对太阳能电池组件的性能具有重要影响。要求材料有良好的导热导电性、易于镀锡、极高的尺寸公差和表面质量及优良的力学性能，一般使用无氧铜带作为光伏铜带。与传统的纯铜带相比，无氧铜带具有更高的导电导热性，但材料的加工难度相对普通铜带较大。

国际铜业协会认为，太阳能光伏预计在2015—2020年新装120～170GW，风电预计新装135～165GW，这两项将带动50万t的铜加工材使用量。

2.4 核能发电设备上的应用

核能发电设备运行原理是，通过对于可控核裂变技术的使用，让其产生持续化的电流，该电流要能够上网为整个电网系统提供更多的能源。实际工作中要通过该系统中各类设备的合理调整，让其传递实际运行过程中产生的发电功率，当前常用铅棒等材料控制在核燃料反应堆中的反应物质加入量，为了提高相关连接件的防腐能力并提高实际的控制精度，通常会采用铜材料固定相关设施，让其参与工作实现对整个系统的调整。

另外在核能发电机组的运行中，需要能够将产生的电量稳定传输，而该过程中使用大量的铜电缆。在汽轮发电机内部具有导电性能要求的部位，也应用了其他的铜加工材产品，比如空心铜导线，发电机转子用单孔或双孔空心铜型材、电机定子用铜异型材等。除此之外，还有输变电设备、联接接头、输电线路使用的铜线、铜扁线、导电铜排等[3]。

目前世界核电装机容量的平均水平为17%，其中法国高达77%;到2007年底，我國核电总装机容量为885万kW，占全国总装机容量1.2%，远远落后于国际水平，可提升的空间巨大。

3  结语

从铜加工材在以上新能源领域应用中可以看出，主要利用了铜材所具备的优良导电性能和导热性能以及与之匹配的综合性能。在新能源领域，由于铜材的使用要求较高，使用环境相对特殊，对铜加工材的性能指标要求都非常高。尽管铜的价格在某些时间会大幅上涨，但是鉴于铜加工材本身的特性，其他材料在同样的使用工况下无法对其形成取代。在当前铜加工材低端产能严重过剩的大背景下，常规产品的加工费大幅下滑，与以往相比已经不可同日而语，新能源领域的铜加工材鉴于其更加精细、更加苛刻的要求，具备了成为高端产能条件。新能源行业的蓬勃发展，带动高端铜加工材产能的增长，从而会带动行业技术创新和装备提升，这对我国铜加工行业转型升级具有重要的意义。

参考文献

[1] 王守辉，刘杰，兰占军.一种在铜铝复合排上制作压线柱孔的工艺方法[J].内燃机与配件，2020（2）：108-109.

[2] 吴文博，闫永，曹虎成，等.光伏用高抗拉强度、低屈服强度铜带生产工艺研究[J].热加工工艺，2020（4）：133-135.

[3] 郭莉.铜材在新能源装备中的应用及发展[J].中国金属通报，2010（26）：18-19.

[4] 阮红生.连续挤压技术在铜加工中的应用探讨[J].世界有色金属，2019（19）：213，215.

[5] 朱睿玲.“铜领智造”文化创意产业园区整合营销策划方案[D].杭州：浙江大学，2019.

[6] 张煜.基于数据挖掘的铜加工企业套期保值管理优化研究[D].昆明：云南大学，2019.

[7] 张玉.有色加工协会联合安泰科共同发布2017年中国铜铝加工材产量统计数据[J].中国有色金属，2018（6）：17.