AA8021合金软包锂离子电池膜铝箔组织和力学性能演变研究

宋 盼，万泽全，贺有为，周 然，陈 健

（永杰新材料股份有限公司，杭州 311222）

0 前言

近几年锂电行业飞速发展，其中目前最常见的锂电池包装方式主要分钢壳锂离子电池、铝壳锂离子电池、软包装锂离子电池三种。而软包锂离子电池具有安全性能好、重量轻、容量大、内阻小、设计灵活等优点，广泛应用于数码产品，目前也逐渐在手机、笔记本电脑、蓝牙耳机、电子烟等电子市场中发展。可以预见未来几年内软包锂离子电池的市场份额及占比还将继续稳定扩大，应用范围也将更加广泛。由于锂离子用铝箔生产技术难度较大，有较高技术壁垒，目前主要被日韩企业垄断。本文对国内某铝企的8021铝塑膜用铝箔的生产工艺进行跟进，进行了组织结构和力学性能研究，并对比了国产和进口铝箔的差距，为该产品国产化提供借鉴和参考。

作为电池包装用材，软包锂离子电池用铝箔需先进行复合。复合表层为尼龙层，既有装饰性同时又保证中间Al层不被刮伤；中间铝箔层主要起到成型及阻水、阻光作用；内层的CPP层为耐电解液层。因此，中间铝箔层的质量高低直接影响到整个电池的质量好坏和使用寿命。而国产铝箔深冲成型性能较差，国内原箔深冲大多在5.5 mm左右，而国外原箔深冲能达到7 mm以上，与国外铝箔产品有一定差距。主要原因在于国产铝箔的针孔较进口的不止多一个数量级，且对材料组织的控制存在差距。因此，国产铝箔深冲成型性能提升成为国产铝箔是否能被广泛应用的基础。

日本早在1985年就研究了铁含量对铝箔拉伸可成型性的影响，发现热轧铝箔中铁含量在1.25%左右时具有优良的深冲性能，后来注册了8021合金[1]。国内外多数专利[2-5]介绍了8021的生产工艺，但是对其组织和力学性能的研究却几乎为空白。鉴于此，本文对一款与进口铝箔相当的8021合金箔的生产加工进行了组织演变跟踪与研究，以探寻其中的关系与规律，为该铝箔的国产化研究提供借鉴，弥补该领域的空白。

1 试验过程

软包锂离子电池的结构如图1所示。其中的铝塑包装膜采用8021铝合金箔制成。

图1 软包锂离子电池结构图

1.1 工艺路线

8021合金为Al-Fe合金，其中Fe元素控制在1.2%～1.7%范围内，在合金中形成Al3Fe第二相；Cu、Mn元素会提高再结晶温度，影响后续退火，因此成分控制在＜0.01%。厦门厦顺提出在8021中配加0.02%～0.03%的锰，但是经过重复试验，发现其再结晶温度比未加锰的温度高10～20℃，存在粘卷的风险。而Ti元素在铸造流程中以铝钛硼丝形式连续加入，以达到细化扁锭原始晶粒度的目的。该合金的化学成分见表1。

本试验采用DC铸造工艺，熔铸工艺流程为：配料→投料→熔炼→成分配比→倒炉→精炼→静置→在线除气→过滤→铸造，熔体温度控制在730～750℃内。

本试验压延部分的生产工艺流程为：锯切→铣面→均匀化→热连轧→冷轧→中间退火→冷轧→切边→铝箔粗轧→铝箔双合轧制→分切→成品退火，最终得到0.04 mm×500 mm×4000 m的铝箔卷。均匀化工艺采用560℃/10 h，中间退火工艺为310℃×2 h，铝箔成品退火工艺240℃×10 h。

1.2 样品制备

对铸锭切头约500 mm后进行横截面取样，试样厚度为15 mm。将制成的金相镶嵌样抛光后进行阳极覆膜，并在金相显微镜和扫描电镜下观察其晶粒尺寸及形貌。

2 试验结果

2.1 铸锭组织

试验合金的典型铸态组织形貌见图2。从图中可知，合金的晶粒粗大，晶粒直径为150 μm，第二相形貌为长条状及块状，主要由Al3Fe以及Al-Al3Fe共晶组织组成。

图2 铸锭组织

从图中可知，合金的晶粒粗大，第二相以Al3Fe为主，且其大小极不均匀，多数呈狗骨状。

2.2 轧制组织

在马弗炉内采用不同的温度对试样进行均匀化处理，观察组织中第二相随均热温度变化产生相变的演变过程。试验结果如图3所示。

图3 不同均匀化温度下第二相变化

在炉中采用不同温度进行均匀化处理，使用SEM检测第二相结果。发现在温度大于560℃后，第二相组分完全转化为Al-Fe合金相。

用SEM检测每道次第二相尺寸、形貌及组分，观察第二相的变化情况，结果如图4～图6所示。

图4 热轧卷的显微组织

图6 最大第二相尺寸

图5 中间退火前后的显微组织

结合金相数据以及电镜数据可以发现8021合金的Al-Fe合金相组成为Al3Fe相，但是随着加工率增大，第二相变得细小而弥散；中间退火前为纤维状晶粒，中间退火后变为细小的等轴晶。

本试验箔轧生产工艺流程为箔粗轧→箔精轧→分切→成品退火，成品厚度为40 μm。使用微型电子式万能试验机及微机控制全自动杯突试验机对铝箔成品的拉伸性能及杯突进行对比测试，每项测试3组，使用显微镜对金相组织进行对比，结果见图7和表2。

图7 成品铝箔第二相形貌及尺寸

2.3 冷轧箔力学性能演变

本实验各道次的力学性能变化如图8所示。从图中可以看出经过90左右%的冷加工后，箔材的抗拉强度达到180 MPa以上，但是延伸率非常差。经过中间退火和成品退火后，抗拉强度降低到90 MPa左右，延伸率则得到极大提升，提高了20%～25%。

图8 8021每道次力学性能变化（沿轧制方向测试）

2.4 国产铝箔和进口铝箔对比

国产与进口铝箔成品的力学性能对比结果见表2。

表2 国产铝箔与进口铝箔成品力学性能对比

从铝箔成品第二相及力学性能对比分析结果可以看出，目前国产试验铝箔各方面数据与进口铝箔接近。

采用精度为20 μm的针孔检测仪进行在线检查，结果发现，进口铝箔针孔个数为0.00005个/m2，国产铝箔针孔数为0.00152个/m2，二者相差近30倍，国产铝箔还有较大改进空间。

3 结论

（1）8021合金以Fe为主要合金化元素，铸锭中第二相主要由针状Al-Fe相和Al-Fe共晶相组成。

（2）8021合金第二相随均匀化退火温度发生变化，当温度超过560℃时，Al-Fe中间合金相完全相变为Al3Fe相。

（3）Al3Fe相在8021合金中以条状及块状形貌存在，在后续轧制加工中难以破碎。

（4）国产AA8021合金软包锂离子电池膜铝箔与进口铝箔的组织和力学性能相当，可以替代进口铝箔。同时国产铝箔还存在进一步优化的空间。