電池箔軋制過程工藝與設(shè)備匹配性研究

周樹德，賀耀文

(新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013)

0 前言

受到制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)政策的刺激，以新能源汽車為代表的新能源產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)快速發(fā)展和持續(xù)擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)，這種發(fā)展態(tài)勢(shì)在2018年已經(jīng)形成并體現(xiàn)得較為明顯，在2019—2021年則出現(xiàn)涉及整合產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長。作為新能源汽車重要的配套材料，鋰電集流體用鋁箔(業(yè)內(nèi)常說的電池箔)的市場(chǎng)需求出現(xiàn)井噴式的增長，目前鋁箔產(chǎn)品中，電池箔是市場(chǎng)前景最為廣闊的品種之一。隨著鋁箔產(chǎn)業(yè)工藝技術(shù)、加工設(shè)備及新能源電池箔持續(xù)向著高能量密度、高充放電速率及高安全性的持續(xù)快速發(fā)展，電池箔產(chǎn)品持續(xù)向著“更高強(qiáng)度、超薄化、寬幅化”的方向發(fā)展，因此對(duì)電池鋁箔軋機(jī)等核心加工設(shè)備[1]和電池鋁箔核心質(zhì)量及其穩(wěn)定性提出更高的要求，這種產(chǎn)業(yè)變化趨勢(shì)，也對(duì)設(shè)備與工藝之間的匹配性提出了更高的要求。

1 電池箔生產(chǎn)流程

依照坯料供貨方式的不同，電池鋁箔的加工流程有如下兩種。

DC模式(discontinuous casting and rolling)時(shí)鋰電池箔的基本加工流程如下：

熔煉鑄造(調(diào)成分)→鋸切銑面→均勻化退火→熱加工(含時(shí)效和切邊)→冷粗軋(厚料軋制)→冷精軋(薄料軋制)→切邊(薄箔剪)→箔軋(粗軋和中精軋)→分切(粗分)→分切(精分)→檢測(cè)包裝入庫。

CC模式(continuous casting rolling)時(shí)鋰電池箔的基本加工流程如下：

熔煉鑄造(調(diào)成分)→冷粗軋(厚料軋制)→均勻化退火→冷精軋(薄料軋制)→切邊(薄箔剪)→箔軋(粗軋和中精軋)→分切(粗分)→分切(精分)→檢測(cè)包裝入庫[1]。

影響主流電池箔企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭力的最主要因素為產(chǎn)品的穩(wěn)定性?？紤]到成品率、材料強(qiáng)度等產(chǎn)品特點(diǎn)，國內(nèi)主流的電池箔坯料供料方式為鑄軋供料。

2 電池箔質(zhì)量指標(biāo)

新能源電池制造行業(yè)對(duì)電池箔質(zhì)量指標(biāo)[2]的要求主要集中在成分(牌號(hào))、針孔(數(shù)量及分布)、抗拉強(qiáng)度、厚度(系統(tǒng)偏差和厚度波動(dòng))、表面清潔性(達(dá)因值)、板型平整性(含一致性)、延伸率、切邊質(zhì)量(毛刺高度)等多個(gè)方面[3]。目前電池箔產(chǎn)業(yè)所存在的影響產(chǎn)品競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)的最大技術(shù)質(zhì)量問題集中在電池箔板型及其穩(wěn)定性、表面清潔性、頭尾廢料這三個(gè)大的方面，并通過內(nèi)部的綜合成品率和外部的產(chǎn)品退貨率集中反映出來。

3 電池箔加工設(shè)備及核心部件

在電池箔持續(xù)向著高強(qiáng)度、大幅寬和超薄厚度方向發(fā)展的今天，寬幅超薄鋁箔的板型質(zhì)量[4]成為電池箔質(zhì)量管理中最為核心的內(nèi)容，板型及其穩(wěn)定性，基本就能代表一個(gè)電池箔廠的技術(shù)水平和在業(yè)內(nèi)的地位。而對(duì)于電池箔加工設(shè)備而言，如圖1所示，板型的檢測(cè)和控制系統(tǒng)的裝機(jī)水平，是電池箔加工設(shè)備的最核心的組成部分，其核心要件至少包含如下三個(gè)部分[5]：

圖1 電池箔軋機(jī)在寬幅化過程中的典型結(jié)構(gòu)圖

(1)平整度測(cè)量儀

該儀器可以與其他類型的設(shè)備配合使用，如自動(dòng)化控制系統(tǒng)、厚度測(cè)量儀、高精度張力測(cè)量儀等。在動(dòng)態(tài)過程中完成有關(guān)參數(shù)的測(cè)量和調(diào)整，精準(zhǔn)進(jìn)行箔材平直度的監(jiān)測(cè)與反饋。

(2)動(dòng)態(tài)可變凸度支承輥(VC/CVC輥)

使支承輥凸度動(dòng)態(tài)可變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)箔帶平整度的連續(xù)控制，是動(dòng)態(tài)可變凸度支承輥的重要作用。在當(dāng)前軋機(jī)幅寬從1 850 mm向2 300 mm持續(xù)轉(zhuǎn)向的情況下，動(dòng)態(tài)可變凸度支承輥對(duì)鋁箔類高強(qiáng)度產(chǎn)品的板型控制非常重要[6]。VC輥工作示意簡圖如圖2所示。

圖2 VC輥工作示意簡圖

(3)萬能冷卻液噴淋系統(tǒng)

為了能夠很好地控制箔帶凸度，同時(shí)消除箔帶局部不平的缺陷，可以利用冷卻噴淋系統(tǒng)向軋輥表面有選擇性地噴淋軋制油。該系統(tǒng)還能夠與帶邊熱油噴灑系統(tǒng)(如圖3所示)一同配合使用，它可以向箔帶邊部均勻地噴淋熱油，極大改善帶邊向外散熱的問題，從而達(dá)到保持邊部平整的目的。

圖3 熱噴淋系統(tǒng)示意圖

4 靈敏快速的厚度檢測(cè)與控制能力

電池鋁箔厚度越來越薄，并從“0.020 → 0.016 → 0.015 → 0.013 → 0.012 → 0.010 → 0.008 mm”一路下降。伴隨厚度降低而出現(xiàn)的厚度控制卻也越來越嚴(yán)格。根據(jù)電池鋁箔行業(yè)要求，產(chǎn)品厚度公差需要控制在± 4%以內(nèi)。對(duì)電池箔這種高強(qiáng)度雙面光的超薄產(chǎn)品而言，在對(duì)軋機(jī)的制造精度以及對(duì)軋機(jī)本身的控制精度要求越來越高的同時(shí)，軋機(jī)的在線厚度自動(dòng)增益控制系統(tǒng)(AGC)所起的作用也越來越大。(AGC是指使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制方法)

引入自動(dòng)增益控制(AGC)的最終目的[7]，是為了把厚度、硬度、摩擦系數(shù)、變形抗力等軋制過程參數(shù)波動(dòng)的影響降到最低。從而利用張力、速度和輥縫等可調(diào)參數(shù)，使其達(dá)到所需的目標(biāo)狀態(tài)[8]。而軋機(jī)的彈性曲線、軋件的塑性曲線，以及彈塑曲線(即P-H圖)是輥縫、張力等參數(shù)調(diào)節(jié)的依據(jù)，其控制原理如圖4所示。

圖4 作為AGC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的P-H圖

為了應(yīng)對(duì)電池箔越來越高的厚度控制要求，在雙零箔軋機(jī)上使用“質(zhì)量流”系統(tǒng)逐漸成為新增電池箔軋機(jī)的主流配置。簡單地說，業(yè)內(nèi)新上的1 850 mm幅寬及以上的冷軋機(jī)均為6輥軋機(jī)，其實(shí)就是在軋機(jī)原有AGC系統(tǒng)(測(cè)厚系統(tǒng)裝在軋機(jī)出口，又叫后饋)的基礎(chǔ)上，在軋機(jī)入口側(cè)增加一套前饋系統(tǒng)，與后饋一起進(jìn)行軋件厚度控制，如圖5所示。

圖5 冷軋機(jī)監(jiān)控AGC控制原理圖

目前，國內(nèi)主流鋁加工設(shè)備的控制系統(tǒng)，幾乎全部來自西門子等幾個(gè)主流廠家，因此控制系統(tǒng)本身的差異都不大。而另一個(gè)影響過程控制能力的因素，是設(shè)備的制造精度。這也是國內(nèi)鋁加工設(shè)備與代表全球鋁箔軋機(jī)最高水平的德國阿申巴赫軋機(jī)最大的差別。

“精軋機(jī)OPTIMILLR”是德國生產(chǎn)的目前最先進(jìn)的電池鋁箔軋制設(shè)備。它具有剪切機(jī)、厚度控制儀、張力控制系統(tǒng)、冷卻潤滑劑噴灑系統(tǒng)、吹干系統(tǒng)等附屬設(shè)備和系統(tǒng)。此外，再配合阿申巴赫軋機(jī)超高的制造精度和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，從而將其穩(wěn)定性、控制靈敏度和精確度都提高到其他同類型軋機(jī)短期內(nèi)無法企及的程度[9]。

5 生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的工藝與設(shè)備匹配性原則與方法

任何先進(jìn)的設(shè)備都不可能完全解決現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的所有問題，對(duì)電池箔這種高精度要求的鋁箔產(chǎn)品而言就更是如此?；谏a(chǎn)過程穩(wěn)定性的工藝與設(shè)備匹配性需求至少包含如下幾個(gè)方面。

5.1 厚料軋制時(shí)的彎輥力管理與工藝匹配性要求

隨著加工設(shè)備的升級(jí)換代，冷軋機(jī)和鋁箔軋機(jī)對(duì)在線板形的控制和調(diào)整能力越來越強(qiáng)，對(duì)主流的鋁箔產(chǎn)品，包括空調(diào)箔、家用箔及部分窄幅的雙零箔產(chǎn)品，即便來料板型不良，現(xiàn)在的鋁箔軋機(jī)配合一定的工藝調(diào)整都可以大幅改善成品板型質(zhì)量。但是，對(duì)電池箔產(chǎn)品而言，其嚴(yán)苛的板形平直度及其穩(wěn)定性要求，對(duì)依賴后繼道次加工來調(diào)整來料板型缺陷的風(fēng)險(xiǎn)非常大。

厚規(guī)格料軋制(冷軋)時(shí)的設(shè)備與工藝匹配性方法：

對(duì)鑄軋來料的第一道次冷軋的彎輥力進(jìn)行針對(duì)性管理，以正彎實(shí)現(xiàn)全道次穩(wěn)定，并且絕對(duì)值不大于30%為原則，通過降低鑄軋板來料厚度(電池箔毛料在3.5～4.1 mm的一個(gè)特定厚度有一次完全再結(jié)晶退火，相當(dāng)于固定了冷軋出口厚度，所以對(duì)加工率的調(diào)整需通過鑄軋板成品厚度來調(diào)整)、降低鑄軋板中凸度及減小冷軋工作輥中凸度、提高軋制油添加劑含量等進(jìn)行調(diào)整。

需要特別說明的是，第一道次的在線彎輥力的管理，不僅僅會(huì)對(duì)電池箔毛料的板形質(zhì)量造成影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)軋機(jī)本體和電池箔毛料的表面質(zhì)量保護(hù)造成直接影響：過大的彎輥力及其波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致支撐輥與工作輥速差的增大，從而導(dǎo)致支撐輥出現(xiàn)色差、色帶等表面損傷，這種損傷不但會(huì)導(dǎo)致清輥器及刮油板等用來實(shí)現(xiàn)表面清潔性的設(shè)備的功能失效，還會(huì)通過工作輥對(duì)電池箔毛料表面造成直接損傷。

對(duì)出口厚度≥1.5 mm的電池箔毛料，在冷軋的各個(gè)道次，如果進(jìn)入穩(wěn)態(tài)軋制后的彎輥力為正，并且絕對(duì)值>20%，則建議通過減小工作輥中凸度、調(diào)整軋制速度和減小道次加工率等方法，將彎輥力降低到20%以內(nèi)[10]，并保持整個(gè)加工道次的彎輥力穩(wěn)定。因工藝調(diào)整而損失的生產(chǎn)效率將會(huì)通過板型質(zhì)量的提高和成品率的提高得到補(bǔ)償。

5.2 退火料冷軋時(shí)的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)原則

對(duì)成品狀態(tài)為H18態(tài)的電池箔，電池箔毛料厚度在3.5～4.1 mm時(shí)的完成退火后的第一道次的工藝設(shè)計(jì)非常重要，具體表現(xiàn)在電池箔厚度穩(wěn)定性和板形穩(wěn)定性方面。

以加工率不小于50%為原則進(jìn)行該道次的加工率設(shè)計(jì)，以充分實(shí)現(xiàn)組織均勻化為目的，同時(shí)觀察頭尾升降速段和軋制穩(wěn)定段的厚差波動(dòng)大小和穩(wěn)定性，通過適當(dāng)調(diào)小加工率、降低軋制速度等方法，在盡可能減少升降速段的厚度、板型不穩(wěn)定區(qū)間的同時(shí)，將穩(wěn)定區(qū)的厚差波動(dòng)控制在0.3%以內(nèi)。

對(duì)退火料第一道次的針對(duì)性設(shè)計(jì)和匹配，將對(duì)整個(gè)電池箔厚度的穩(wěn)定性和板形的穩(wěn)定性形成重要影響，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的主流企業(yè)來說，這一道次的設(shè)計(jì)與控制水平，將通過減少頭尾厚差和板型廢料的方式直接影響全工序成品率。

5.3 箔軋工序的板形與表面清潔性控制方法

電池箔產(chǎn)品有非常高的表面質(zhì)量要求：黑油線(長度小于5 mm的黑油線，任何1 m2的區(qū)域均不超過3條)；打底起皺(長度不大于10 m，杠印不大于50 m)；表面麻點(diǎn)(暗面不允許有凸點(diǎn)；大于1 mm的麻點(diǎn)不允許有；小于1 mm的麻點(diǎn)不允許成片出現(xiàn)；小于1 mm的麻點(diǎn)每平方米少于3個(gè))、潤濕性能(箔軋成品的達(dá)因值大于等于32，電暈除油后的達(dá)因值大于等于40)，不允許有點(diǎn)狀或者片狀帶油[11]。當(dāng)前電池箔標(biāo)桿企業(yè)在備有無塵車間(精切工序)的同時(shí)(見圖6)，對(duì)軋件表面的清潔化控制主要依托軋機(jī)的表面除油和防漏油設(shè)計(jì)(見圖7)來實(shí)現(xiàn)。

圖6 電池箔精切工序的無塵車間

圖7 電池箔軋機(jī)的表面除油和放油設(shè)計(jì)圖

同時(shí)，版型和漏涂問題，是目前導(dǎo)致電池箔產(chǎn)品成品率低和退貨率高的最主要原因，而對(duì)箔軋工序的板形和鋁箔表面清潔性控制的工藝與設(shè)備匹配性，將對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)形成重要影響。

對(duì)道次加工率和速度、版型曲線、工作輥中凸度等進(jìn)行穩(wěn)定化持續(xù)改進(jìn)，在確保在線版型平直并偏邊部微松的基礎(chǔ)上，有意降低軋制速度或則適當(dāng)降低加工率，來降低軋機(jī)板型控制系統(tǒng)的穩(wěn)定化控制壓力，業(yè)內(nèi)較為成熟的經(jīng)驗(yàn)是將軋制速度控制在500～600 m/min，道次加工率原則上不超過55%。

當(dāng)前電池箔的主流成品厚度為0.012～0.015 mm，并且正在向著0.008 mm的更薄的規(guī)格發(fā)展。這種厚度下的雙面光的鋁箔，它表面帶有等級(jí)已經(jīng)不能僅僅靠設(shè)備的除油能力來實(shí)現(xiàn)，而更多的需要從工藝的角度進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)電池箔成品道次的軋制油進(jìn)行針對(duì)性管理，提高軋制油的脂類指標(biāo)含量，降低甚至取消極性添加劑(業(yè)內(nèi)常用的是月桂酸)的添加，將軋制速度控制在400～600 m/min，加工率控制在45%～50%，以同時(shí)平衡料溫及加工率對(duì)表面帶油等級(jí)的影響和速度對(duì)板形控制的影響。

6 結(jié)論

工藝優(yōu)化與設(shè)備匹配性原則和方法：

(1)穩(wěn)定鑄軋板的板形特征，然后依照鑄軋板的板形特征(主要是中凸度)來設(shè)計(jì)冷軋和箔軋各個(gè)道次的板形特征，各個(gè)道次的鋁箔橫向厚度的分布需與鑄軋卷的厚度分布特征盡可能一致，而不是尋求嚴(yán)格的厚度絕對(duì)值一致。

(2)除了冷軋工序可以出現(xiàn)絕對(duì)值不大于20%的正彎出現(xiàn)外，箔軋開始后的所有道次，原則上要求通過工藝調(diào)整將軋機(jī)在線彎輥力波動(dòng)范圍保持在-20%～0%的范圍內(nèi)，且波動(dòng)值越小越好。

(3)對(duì)成品狀態(tài)為H18態(tài)的電池箔，電池箔毛料厚度在3.5～4.1 mm時(shí)的完成退火后的第一道次工藝以加工率不小于50%為原則進(jìn)行該道次的加工率設(shè)計(jì)，以充分實(shí)現(xiàn)組織均勻化。同時(shí)觀察厚差波動(dòng)大小和穩(wěn)定性，適當(dāng)調(diào)小加工率、降低軋制速度等方法，將穩(wěn)定區(qū)的厚差波動(dòng)控制在0.3%以內(nèi)。

(4)對(duì)電池箔成品道次的軋制油進(jìn)行針對(duì)性管理，提高軋制油的脂類指標(biāo)含量，將軋制速度控制在400～600 m/min，加工率控制在45%～50%，以同時(shí)平衡料溫及加工率對(duì)表面帶油等級(jí)的影響和速度對(duì)板形控制的影響。

后續(xù)深加工的客觀需要決定了對(duì)電池箔產(chǎn)品板形、表面清潔性及厚度等的特殊要求，尤其是穩(wěn)定性方面，提出了嚴(yán)苛的質(zhì)量控制需求。并且，這種需求伴隨著新能源產(chǎn)業(yè)，動(dòng)力電池領(lǐng)域的“高能化”趨勢(shì)而繼續(xù)提高，在不斷要求技術(shù)進(jìn)步和設(shè)備專業(yè)化升級(jí)的同時(shí)，將對(duì)生產(chǎn)工藝和主體加工設(shè)備提出更專業(yè)更深刻的匹配性要求[12]。