動力電池用鋁箔技術研發及應用

陳錫廣

（廣西南南鋁箔有限責任公司，廣西 南寧 530000）

鋰離子電池具有比能量大、循環穩定性高、自放電率小、無記憶效應和清潔無污染等突出優勢。但目前市場上銷售的生產鋰離子電池用的鋁箔，抗拉強度和延伸率指標低，材質的均勻性不高，純凈度不高，影響導電性，材料塑性差，在下工序使用的涂覆、輥壓過程中容易出現壓折開裂問題，對提升電池電量和產品使用壽命產生不利影響，也是制約著鋰離子動力電池行業發展的瓶頸之一。

1 鋁箔動力電池的發展

電動汽車的動力源是電池，它是由陽極、陰極和電解質組成的移動能源。 帶電時，離子離開正極并通過電解質流向負極。在工作或放電過程中，正極和負極之間會發生相反的電化學反應。 由此產生的電壓降驅動外部負載并使車輛移動。電動汽車用的動力電池為鋰電池：正極片為涂在鋁箔上的磷酸鐵鋰（氧化鈷鋰LiCoO2，或氧化鋰LiMn2O4或三元化合物Li（NiCo）O2），但以磷酸鐵鋰最佳。負極為涂有石墨或鈦酸鋰等的銅箔。纏繞在一起的正片和負片之間有一個隔板。 將盤繞的正負極片一起放入電池盒內，注入電解液，真空密封，完成一節電池的制作。正極材料的成本為 30%，負極材料20%，隔膜材料 20%，電解質0%，主體10%，聚丙烯酸膜。

正極的材質對電池的性能影響很大，整個正極是電池最重要的部分。新能源汽車產業的發展不僅關系到國家能源安全、人類生計和環境保護，也關系到我國汽車產業的命運。電動汽車鋰電池正極需要鋁箔，汽車本身的重量要盡量輕，鋁是汽車零部件輕量化的首選材料，鋁在電動和混合動力汽車的發展中起著至關重要的作用。

2 工藝優化技術研究

2.1 微觀組織結構及性能關系研究

2.1.1 微觀組織對材料導電性能的影響因素

影響材料顯微組織電導率的因素主要包括：工作溫度、合金元素的固溶、晶體缺陷的類型和數量，以及析出相與晶體的相關系等。

（1）工作溫度：鋁合金的導電性是通過自由電子的定向運動來實現的，隨著工作溫度的升高，材料中金屬原子的運動增加，電子運動的障礙增加，從而降低了材料的導電性。

（2）元素固溶：當固溶體的元素結合成固溶體引起晶格畸變時，晶格畸變會增加電子運動過程中的散射系數，降低材料的導電性；不同的原子會“結合”一些自由電子，分離電子云，這減少了有效自由移動的電子數量并降低了材料的導電性。

（3）晶體缺陷種類和數量：冷塑性加工引起的結晶缺陷主要包括點缺陷、線缺陷和表面缺陷。與線缺陷和表面缺陷相比，點缺陷等空位對導電性的影響最為明顯。大量的空穴會對固溶體的原子產生類似的影響，導致傳導電子發生散射，降低電導率，再結晶的影響可以通過減少再結晶相來消除。

2.2.2 試驗理論分析

為了研究微觀結構特征和尺寸效應對工業純鋁板性能的影響，測試了Si/Fe含量、Si/Fe含量比和沉積對電工純鋁板力學性能和電導率的影響，已經研究了各種厚度的工業厚度，純鋁力學性能變化規律及相關機理。形成如下結論：

（1）電工鋁合金中，隨著雜質元素總量（Fe+Si）的增加，鋁板的電導率急劇下降，極限強度增加。基于雜質總量（Fe+Si）基本相同的假設，隨著Si/Fe比的降低，樣品的電導率逐漸增加，材料的抗拉強度降低。

（2）在FeSi總含量為0.15%左右的鋁板材料中，當Si/Fe=0.35時，鋁板結構中第二相較多，第二相的大部分化合物為Al12Fe3Si相，這是一個六方晶系。 當/Fe值增加到2.0時，鋁板組織中第二相的數量顯著減少，主要的第二相化合物為單斜晶系的Al9Fe2Si2。

（3）工業純鋁中，固溶強化對導電率的損傷率AS1=0.18%IACS/MPa，明顯高于加工硬化對導電率的損傷率，為A=0.02%IACS/MPa。

結果表明可以通過對合金元素Fe和Si的控制，在選材和摻入主要合金元素的成分方面進行設計優化，提高其導電率和抗拉強度，并使其具有較好的耐蝕性能，具有良好的機械性能和穩定性。

2.2 熱處理工藝技術對材料性能的研究

陰極電子鋁箔的生產需要經過均勻化退火、中間退火和多次冷軋。主要分為以下步驟：

2.2.1 均勻化退火

過鑄軋卷熱處理可保證卷材組織均勻與材料塑性，使材料達到所需各種性能的技術要求。當退火溫度大于400℃時，原子擴散能力增強，鋁合金中粗大第二相的分解或溶解，亞穩相向穩定相轉變，合金元素分布均勻，晶內偏析現象得到消除，為成品鋁箔腐蝕提供較理想的組織準備。研究了均勻化退火對陰極電子鋁箔用3003鋁合金冷軋板顯微組織的影響，結果表明，均勻化退火不僅可以使針片狀FeAl3相轉化為顆粒狀Al(Fe,Mn)Si相，減小了針狀相對基體的割裂作用，而且可以讓Mn元素從過飽和固溶體中析出，有利于后續中間退火過程中晶粒大小的控制，提高了鋁箔的質量。

2.2.2 中間退火

冷軋板經較大變形后，一般要經歷一次中間退火，以消除加工硬化和內應力，為進一步箔軋做好組織準備。中間退火工藝可以改善第二相顆粒的尺寸、數量和分布，降低合金元素的固溶度，控制晶粒的大小。退火溫度在375℃時，Fe、Si元素將以α(FeAlSi）相形式析出，有利于提高鋁板的伸長率。經過中間退火工藝的鋁箔坯料軋制加工性能得到明顯改善。中間退火的溫度一般在300℃~450℃之間。

2.2.3 冷軋

冷軋變形時產生了大量的空位和位錯等缺陷。缺陷處能量高，可以為第二相析出提供了良好的形核提條件，有利于促進Fe、Si元素的析出，凈化鋁基體，提高軋制性能。增大冷軋變形率可以增加冷軋板內部位錯密度，為合金元素擴散和第二相顆粒析出提供充足的場所，有利于顯微組織的均勻化。研究表明，對于變形率在70%以上的冷軋板，合金元素更容易以第二相顆粒的形式析出。

鑄軋坯軋輥組織的均勻性直接影響最終材料的特性，因此提高鑄軋坯軋輥的質量對于提高和提高鋁箔的特性至關重要。首先需提高均勻化退火、中間退火和多次冷軋等熔體精煉工藝技術，其次在設備方面，先進的在線處理技術，如：在線脫氣控制、陶瓷管過濾技術，全自動定時定量添加鈦絲裝置等技術的應用，能切實提高基材的質量。注重在線凈化設備優化升級，重點對精煉工具、熔體泵送系統、脫氣設備、過濾設備等進行升級改造，確保熔體凈化效果和穩定性，減少熔體量，鋁在轉移過程中，氧化時吸氫現象。

2.3 設備精度控制

在鋁帶冷軋機和鋁箔軋機的生產過程中，需要使用煤油作為基礎油來冷卻和潤滑軋輥，軋制油的質量和純度直接影響軋制工藝參數和表面。卷材的質量，新增軋制油再生過濾裝置，保證軋機所用軋制油質量一致，保持鋁箔清潔。它采用變頻調速和閥門控制來實現流量、壓力和溫度的平衡。穩定、新增自動報警和檢測功能系統，主要實現無人值守操作；加工過程中涉及的工藝變量較多，對控制精度要求較高。選用高精度元件和合適的軟件，確保高成材率，同時減少產品表面質量問題。

3 生產工藝技術路線設計

純鋁與Fe、Si、Cu中間合金配料→裝爐→熔煉→扒渣、精煉→成分預分析→成分調整→成分合格→轉爐→精煉、扒渣→成分確認→除氣→過濾→晶粒細化→連續鑄軋鋁合金卷帶材為6mm~7mm→冷軋4個道次，冷軋加工率80%~92%→中間熱處理，退火溫度為280-320℃，退火時間3-5h→退火后冷軋1個道次→箔軋4道次→分切→檢驗→包裝入庫。

熔煉：熔煉時對合金的成分進行調整，提高Cu成分至0.04%~0.05%之間，以提高成品性能，熔煉導爐溫度控制在745±5℃范圍內，成分均勻且合金的成分百分比為：Si：0.06%～0.09%；Fe：0.10%～0.15%；Cu：0.04%～0.05%；Mn：0.01%；Mg：0.01%；Cr：0.01%；Zn：0.01%；Ti：0.02%～0.03%；Al≥99.60%，余量為雜質含量，上述含量有上下限為合金元素，含量為單個數值時，其它雜質為最高值。并且要求進行除氣、除渣干凈，攪拌充分且均勻，氫含量控制在0.12ml/100g·Al以下。

鑄軋：在鑄軋生產時，采用旋轉吹氣法進行在線除氣，過濾采用雙級過濾，變質劑采用進口Al—5Ti—0.2B鈦絲，嚴格控制變質劑加入量，生產時選擇低的軋制速度，來有效的消除和控制鑄軋坯料中含氫量、夾渣、組織疏松等冶金缺陷，采用合適的鑄軋區和嘴輥間隙，來保證良好的鑄軋表面質量及內部晶粒組織。

冷軋：冷軋生產時，輥子表面吹掃干凈，不能有殘留油污，坯料經四道次軋制到0.65mm~0.75mm厚度時，進行低溫中間退火，退火冷卻后經2道次軋制至0.24mm厚度進行切邊。

縱剪切邊：縱剪切邊時清擦導路中的各個導輥，用酒精或丙酮清擦各個導輥，確保鋁卷表面不能有印痕、粘鋁、擦傷、劃傷，端面不能出現有毛刺、塔形、荷葉邊、邊部小碎浪等。

退火：退火時用耐高溫鋁箔膠帶封口不能松層后，上料架裝爐退火；中間退火工藝：0.65mm～0.75mm厚度時，在180℃～200℃條件下，保溫14~16小時，冷卻2小時后進行出爐，退火出爐后料不能下料架，退火后的料完全冷透時上軋機生產。

箔軋：基材在箔軋軋制時，保證較慢的軋制速度和較小的張力，防止軋制時鋁板表面有印痕、粘傷、厚差波動性大等缺陷；再經過3個道次軋制，完成箔粗軋軋制后，冷卻24h后再進行軋制，減少后續軋制時表面起筋、出現粘傷等缺陷；成品道次軋制時更換工作輥，清擦導路中的每一個輥子，支撐棍表面不符合時更換支撐輥，出成品時調整軋機吹掃風嘴，鋁箔表面無連續性油斑。

成品分切：分切時必須清擦導路中的各個導輥，用酒精或丙酮清擦各個導輥；確保鋁卷表面不能有印痕、粘鋁、擦傷、劃傷，軋機下機物料第一時間轉分切進行生產，從軋機出成品下機后至開始分切。

檢查和包裝：成品檢查時主要檢查鋁箔厚度、寬度不能超過公差范圍，端面不能有毛刺、翻邊，撞傷，錯層不得超過0.5mm，套筒規格、材質符合要求，套筒兩邊伸出鋁箔端面各5mm，檢查合格后按照電池箔包裝要求包裝。

4 結語

隨著動力電池能量密度的增加，作為集流體的鋁箔越來越薄，因此對雜質含量的要求越來越低，鋁箔自放電、厚度均勻、表面張力、粘附特性、強度、導電性等伸長率等高要求，動力電池用鋁箔研發及產業化急需技術性的突破和變革。