动力电池用铝箔技术研发及应用

陈锡广

（广西南南铝箔有限责任公司，广西 南宁 530000）

锂离子电池具有比能量大、循环稳定性高、自放电率小、无记忆效应和清洁无污染等突出优势。但目前市场上销售的生产锂离子电池用的铝箔，抗拉强度和延伸率指标低，材质的均匀性不高，纯净度不高，影响导电性，材料塑性差，在下工序使用的涂覆、辊压过程中容易出现压折开裂问题，对提升电池电量和产品使用寿命产生不利影响，也是制约着锂离子动力电池行业发展的瓶颈之一。

1 铝箔动力电池的发展

电动汽车的动力源是电池，它是由阳极、阴极和电解质组成的移动能源。 带电时，离子离开正极并通过电解质流向负极。在工作或放电过程中，正极和负极之间会发生相反的电化学反应。 由此产生的电压降驱动外部负载并使车辆移动。电动汽车用的动力电池为锂电池：正极片为涂在铝箔上的磷酸铁锂（氧化钴锂LiCoO2，或氧化锂LiMn2O4或三元化合物Li（NiCo）O2），但以磷酸铁锂最佳。负极为涂有石墨或钛酸锂等的铜箔。缠绕在一起的正片和负片之间有一个隔板。 将盘绕的正负极片一起放入电池盒内，注入电解液，真空密封，完成一节电池的制作。正极材料的成本为 30%，负极材料20%，隔膜材料 20%，电解质0%，主体10%，聚丙烯酸膜。

正极的材质对电池的性能影响很大，整个正极是电池最重要的部分。新能源汽车产业的发展不仅关系到国家能源安全、人类生计和环境保护，也关系到我国汽车产业的命运。电动汽车锂电池正极需要铝箔，汽车本身的重量要尽量轻，铝是汽车零部件轻量化的首选材料，铝在电动和混合动力汽车的发展中起着至关重要的作用。

2 工艺优化技术研究

2.1 微观组织结构及性能关系研究

2.1.1 微观组织对材料导电性能的影响因素

影响材料显微组织电导率的因素主要包括：工作温度、合金元素的固溶、晶体缺陷的类型和数量，以及析出相与晶体的相关系等。

（1）工作温度：铝合金的导电性是通过自由电子的定向运动来实现的，随着工作温度的升高，材料中金属原子的运动增加，电子运动的障碍增加，从而降低了材料的导电性。

（2）元素固溶：当固溶体的元素结合成固溶体引起晶格畸变时，晶格畸变会增加电子运动过程中的散射系数，降低材料的导电性；不同的原子会“结合”一些自由电子，分离电子云，这减少了有效自由移动的电子数量并降低了材料的导电性。

（3）晶体缺陷种类和数量：冷塑性加工引起的结晶缺陷主要包括点缺陷、线缺陷和表面缺陷。与线缺陷和表面缺陷相比，点缺陷等空位对导电性的影响最为明显。大量的空穴会对固溶体的原子产生类似的影响，导致传导电子发生散射，降低电导率，再结晶的影响可以通过减少再结晶相来消除。

2.2.2 试验理论分析

为了研究微观结构特征和尺寸效应对工业纯铝板性能的影响，测试了Si/Fe含量、Si/Fe含量比和沉积对电工纯铝板力学性能和电导率的影响，已经研究了各种厚度的工业厚度，纯铝力学性能变化规律及相关机理。形成如下结论：

（1）电工铝合金中，随着杂质元素总量（Fe+Si）的增加，铝板的电导率急剧下降，极限强度增加。基于杂质总量（Fe+Si）基本相同的假设，随着Si/Fe比的降低，样品的电导率逐渐增加，材料的抗拉强度降低。

（2）在FeSi总含量为0.15%左右的铝板材料中，当Si/Fe=0.35时，铝板结构中第二相较多，第二相的大部分化合物为Al12Fe3Si相，这是一个六方晶系。 当/Fe值增加到2.0时，铝板组织中第二相的数量显着减少，主要的第二相化合物为单斜晶系的Al9Fe2Si2。

（3）工业纯铝中，固溶强化对导电率的损伤率AS1=0.18%IACS/MPa，明显高于加工硬化对导电率的损伤率，为A=0.02%IACS/MPa。

结果表明可以通过对合金元素Fe和Si的控制，在选材和掺入主要合金元素的成分方面进行设计优化，提高其导电率和抗拉强度，并使其具有较好的耐蚀性能，具有良好的机械性能和稳定性。

2.2 热处理工艺技术对材料性能的研究

阴极电子铝箔的生产需要经过均匀化退火、中间退火和多次冷轧。主要分为以下步骤：

2.2.1 均匀化退火

过铸轧卷热处理可保证卷材组织均匀与材料塑性，使材料达到所需各种性能的技术要求。当退火温度大于400℃时，原子扩散能力增强，铝合金中粗大第二相的分解或溶解，亚稳相向稳定相转变，合金元素分布均匀，晶内偏析现象得到消除，为成品铝箔腐蚀提供较理想的组织准备。研究了均匀化退火对阴极电子铝箔用3003铝合金冷轧板显微组织的影响，结果表明，均匀化退火不仅可以使针片状FeAl3相转化为颗粒状Al(Fe,Mn)Si相，减小了针状相对基体的割裂作用，而且可以让Mn元素从过饱和固溶体中析出，有利于后续中间退火过程中晶粒大小的控制，提高了铝箔的质量。

2.2.2 中间退火

冷轧板经较大变形后，一般要经历一次中间退火，以消除加工硬化和内应力，为进一步箔轧做好组织准备。中间退火工艺可以改善第二相颗粒的尺寸、数量和分布，降低合金元素的固溶度，控制晶粒的大小。退火温度在375℃时，Fe、Si元素将以α(FeAlSi）相形式析出，有利于提高铝板的伸长率。经过中间退火工艺的铝箔坯料轧制加工性能得到明显改善。中间退火的温度一般在300℃~450℃之间。

2.2.3 冷轧

冷轧变形时产生了大量的空位和位错等缺陷。缺陷处能量高，可以为第二相析出提供了良好的形核提条件，有利于促进Fe、Si元素的析出，净化铝基体，提高轧制性能。增大冷轧变形率可以增加冷轧板内部位错密度，为合金元素扩散和第二相颗粒析出提供充足的场所，有利于显微组织的均匀化。研究表明，对于变形率在70%以上的冷轧板，合金元素更容易以第二相颗粒的形式析出。

铸轧坯轧辊组织的均匀性直接影响最终材料的特性，因此提高铸轧坯轧辊的质量对于提高和提高铝箔的特性至关重要。首先需提高均匀化退火、中间退火和多次冷轧等熔体精炼工艺技术，其次在设备方面，先进的在线处理技术，如：在线脱气控制、陶瓷管过滤技术，全自动定时定量添加钛丝装置等技术的应用，能切实提高基材的质量。注重在线净化设备优化升级，重点对精炼工具、熔体泵送系统、脱气设备、过滤设备等进行升级改造，确保熔体净化效果和稳定性，减少熔体量，铝在转移过程中，氧化时吸氢现象。

2.3 设备精度控制

在铝带冷轧机和铝箔轧机的生产过程中，需要使用煤油作为基础油来冷却和润滑轧辊，轧制油的质量和纯度直接影响轧制工艺参数和表面。卷材的质量，新增轧制油再生过滤装置，保证轧机所用轧制油质量一致，保持铝箔清洁。它采用变频调速和阀门控制来实现流量、压力和温度的平衡。稳定、新增自动报警和检测功能系统，主要实现无人值守操作；加工过程中涉及的工艺变量较多，对控制精度要求较高。选用高精度元件和合适的软件，确保高成材率，同时减少产品表面质量问题。

3 生产工艺技术路线设计

纯铝与Fe、Si、Cu中间合金配料→装炉→熔炼→扒渣、精炼→成分预分析→成分调整→成分合格→转炉→精炼、扒渣→成分确认→除气→过滤→晶粒细化→连续铸轧铝合金卷带材为6mm~7mm→冷轧4个道次，冷轧加工率80%~92%→中间热处理，退火温度为280-320℃，退火时间3-5h→退火后冷轧1个道次→箔轧4道次→分切→检验→包装入库。

熔炼：熔炼时对合金的成分进行调整，提高Cu成分至0.04%~0.05%之间，以提高成品性能，熔炼导炉温度控制在745±5℃范围内，成分均匀且合金的成分百分比为：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%，余量为杂质含量，上述含量有上下限为合金元素，含量为单个数值时，其它杂质为最高值。并且要求进行除气、除渣干净，搅拌充分且均匀，氢含量控制在0.12ml/100g·Al以下。

铸轧：在铸轧生产时，采用旋转吹气法进行在线除气，过滤采用双级过滤，变质剂采用进口Al—5Ti—0.2B钛丝，严格控制变质剂加入量，生产时选择低的轧制速度，来有效的消除和控制铸轧坯料中含氢量、夹渣、组织疏松等冶金缺陷，采用合适的铸轧区和嘴辊间隙，来保证良好的铸轧表面质量及内部晶粒组织。

冷轧：冷轧生产时，辊子表面吹扫干净，不能有残留油污，坯料经四道次轧制到0.65mm~0.75mm厚度时，进行低温中间退火，退火冷却后经2道次轧制至0.24mm厚度进行切边。

纵剪切边：纵剪切边时清擦导路中的各个导辊，用酒精或丙酮清擦各个导辊，确保铝卷表面不能有印痕、粘铝、擦伤、划伤，端面不能出现有毛刺、塔形、荷叶边、边部小碎浪等。

退火：退火时用耐高温铝箔胶带封口不能松层后，上料架装炉退火；中间退火工艺：0.65mm～0.75mm厚度时，在180℃～200℃条件下，保温14~16小时，冷却2小时后进行出炉，退火出炉后料不能下料架，退火后的料完全冷透时上轧机生产。

箔轧：基材在箔轧轧制时，保证较慢的轧制速度和较小的张力，防止轧制时铝板表面有印痕、粘伤、厚差波动性大等缺陷；再经过3个道次轧制，完成箔粗轧轧制后，冷却24h后再进行轧制，减少后续轧制时表面起筋、出现粘伤等缺陷；成品道次轧制时更换工作辊，清擦导路中的每一个辊子，支撑棍表面不符合时更换支撑辊，出成品时调整轧机吹扫风嘴，铝箔表面无连续性油斑。

成品分切：分切时必须清擦导路中的各个导辊，用酒精或丙酮清擦各个导辊；确保铝卷表面不能有印痕、粘铝、擦伤、划伤，轧机下机物料第一时间转分切进行生产，从轧机出成品下机后至开始分切。

检查和包装：成品检查时主要检查铝箔厚度、宽度不能超过公差范围，端面不能有毛刺、翻边，撞伤，错层不得超过0.5mm，套筒规格、材质符合要求，套筒两边伸出铝箔端面各5mm，检查合格后按照电池箔包装要求包装。

4 结语

随着动力电池能量密度的增加，作为集流体的铝箔越来越薄，因此对杂质含量的要求越来越低，铝箔自放电、厚度均匀、表面张力、粘附特性、强度、导电性等伸长率等高要求，动力电池用铝箔研发及产业化急需技术性的突破和变革。