鋰電池鋁箔

鋰電池是由正極集流體（集電器電極）、盒、封口板、負(fù)極板等組成。對(duì)相應(yīng)材料要求是：集電器箔不但應(yīng)有高的強(qiáng)度與電導(dǎo)率，而且應(yīng)平平坦坦；盒材應(yīng)有高的強(qiáng)度與成形性，還應(yīng)有良好的耐膨脹性；封口材宜有良好的成形性與激光焊接性；層壓包裝鋁材應(yīng)有高的強(qiáng)度與成形性；母線材必須有高的強(qiáng)度與電導(dǎo)率，以及良好的折彎加工性。

我們通常說(shuō)的電池鋁箔是指鋰離子電池正極箔，這實(shí)際上是不夠確切的，最好把這種厚約0.1mm的非改性正極箔稱為集流體鋁箔，以區(qū)別于鋰（離子）電池用的其它鋁箔，如電池軟包用鋁-塑膜中的箔、極耳箔、改性后涂炭箔等。集流體鋁箔一方面是集流體電極，另一方面又是鋰電池正極或負(fù)極材料的載體，也就是鋰電材料要涂布其上。實(shí)際上可把集流體鋁箔簡(jiǎn)稱電池箔。

正極結(jié)構(gòu)

正極由正極集流體（極耳）、高溫膠帶、正極基體和正極物質(zhì)組成。極耳為約0.1mm的1070、1060、1235、1230、1100、8011、1N30、3003等合金箔。其中用得多的為1235、1070、1100、3003合金，因?yàn)樗鼈冇懈叩膹?qiáng)度。正極基體為約0.016mm厚的箔。

外殼及封口材料

外殼是用薄鋁板加工的，要求有高的成形性與強(qiáng)度，而且應(yīng)有優(yōu)越的耐壓性，可抑制因反復(fù)充電、放電而導(dǎo)致的殼體膨脹，3種外殼板材的性能見(jiàn)表6。

封口是用激光焊接的，因此應(yīng)有優(yōu)異的可激光焊性能，同時(shí)在加工防暴閥階段不會(huì)發(fā)生較大的加工硬化，有良好的成形性。封口材的各種性能見(jiàn)表7。

電池箔

鋰離子電池用鋁箔有兩種：平箔，擁有高的強(qiáng)度、高的電導(dǎo)率與平平坦坦；表面改性箔。日本聯(lián)合鋁業(yè)公司研發(fā)的平箔有7種：A85、C2F、高強(qiáng)度C2F、FS115、MS812、X383、503S，其中A85、C2F、503S是通用工業(yè)箔，可應(yīng)用于民用各個(gè)領(lǐng)域，C2F、MS812、X383合金有高的強(qiáng)度與電導(dǎo)率，F(xiàn)5115合金在涂漆烘烤后有高延展性；表面改性箔（ASP，Advanced Surface Profile)有高的強(qiáng)度、高的電導(dǎo)率與表面粗糙化，由于表面粗糙化，活性物質(zhì)附著性大有提高，同時(shí)可以減少粘接劑用量，電池特性也得以改善，采用新的粗化工藝，比傳統(tǒng)工藝的生產(chǎn)成本有所下降。平箔合金的性能見(jiàn)表8。

鋁母線合金

鋰電池的導(dǎo)電母線原來(lái)是Cu的，改用鋁后不但大幅度實(shí)現(xiàn)了輕量化，而且成本下降了較多；EC1合金的電導(dǎo)率與純鋁1050-O的等同，而其強(qiáng)度則比它大50%；EC2合金的電導(dǎo)率只有銅的57%，如果母線板厚增加到Cu的1.8倍，則傳導(dǎo)的電流可與銅的相等。鋁母線板的力學(xué)性能見(jiàn)表9。

電池箔的技術(shù)特性

現(xiàn)在我們通常所說(shuō)的電池箔是指鋰電池集流體用的非改性鋁箔，也就是說(shuō)應(yīng)與電池上用的其它箔區(qū)分開(kāi)來(lái)。它一方面是集流體的電極，另一方面又作為鋰電池正極或負(fù)極材料的載體，也就是鋰電材料要涂覆于其上，因此更準(zhǔn)確的定義，應(yīng)是鋰電池集流體用鋁箔。

集流體鋁箔應(yīng)具備的性能

集流體鋁箔因其使用條件特殊，對(duì)其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有著非常嚴(yán)格的要求，是鋁箔家族中的佼佼者，一些具體要求如下：

異物質(zhì)：鋰電池在使用中必須具有很高的安全性，因此應(yīng)嚴(yán)格控制表面異物（雜質(zhì)），如果沒(méi)有進(jìn)行異物控制就不能作為合格的電池箔，異物可以是鋁粉，可以是磁性物質(zhì)（鐵粉），及其它物質(zhì)。整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都要做到防護(hù)，減少一切帶入異物的可能。在成品環(huán)節(jié)要設(shè)立檢驗(yàn)異物的裝置并精確計(jì)量。異物應(yīng)≤50mg/30萬(wàn)m2。

潤(rùn)濕性：潤(rùn)濕性能主要看液體接觸角。液體接觸角就是當(dāng)一液滴在固體表面上不完全展開(kāi)時(shí)，在氣、液、固三相會(huì)合點(diǎn)，以接觸角θ判斷液體對(duì)固體的潤(rùn)濕（固－液界面的水平線與氣－液界面切線之間的夾角θ，稱為接觸角）：當(dāng)θ＜900時(shí)稱為潤(rùn)濕：θ＞90*時(shí)為不潤(rùn)濕：θ=00或不存在時(shí)稱為完全潤(rùn)濕；θ=1800時(shí)為完全不潤(rùn)濕。θ=900是潤(rùn)濕與否的分界線。

由于鋁箔表面帶油一般不能完全除凈，且表面褶皺不平整時(shí)對(duì)其表面張力會(huì)產(chǎn)生很大的影響，直接測(cè)量接觸角并不現(xiàn)實(shí)，所以生產(chǎn)實(shí)踐中采用的都是達(dá)因值來(lái)反映潤(rùn)濕能力，達(dá)因值越高，潤(rùn)濕性能越優(yōu)良。但目前有些高端客戶，特別是日本等地的客戶，仍然采用接觸角的方法來(lái)測(cè)量鋁箔表面的潤(rùn)濕性。為與客戶的檢測(cè)方法相一致，目前國(guó)內(nèi)也有少量的生產(chǎn)商采用接觸角的方法，但這種方法受各種因素及測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法的影響較大，所取得的測(cè)量數(shù)據(jù)只能是參考值，目前絕大部分廠家采用的是表面達(dá)因值測(cè)量法。

達(dá)因值是一個(gè)通俗叫法，準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是表面張力系數(shù)，主要是表述表面張力的大小，即液體表面相鄰兩部分之間，單位長(zhǎng)度內(nèi)互相牽引的力。表面張力的單位在SI制中為N/m，但仍常用達(dá)因/厘米（dyn/cm），1dyn/cm=1mN/m。一般要求成品鋁箔的潤(rùn)濕性≥32mN/m。

表面潤(rùn)濕張力是電池箔最為重要的技術(shù)指標(biāo)之一，它影響涂層的粘合質(zhì)量，特別是影響涂炭箔的涂層牢固度，達(dá)因值偏低時(shí)，鋁箔與粘合材料粘接不牢、漏涂等缺陷。鋁箔表面達(dá)因值要＞32dyn/mm，有些要求高的涂碳產(chǎn)品，甚至要達(dá)到34dyn/mm。

目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于達(dá)因值的檢測(cè)方法雖然有明確規(guī)定，但在實(shí)際操作過(guò)程中，不同的公司和企業(yè)，其檢測(cè)方法也不完全相同，因此檢測(cè)結(jié)果住往會(huì)有很大差距，隨著電池箔市場(chǎng)的迅速發(fā)展，進(jìn)一步規(guī)范和統(tǒng)一達(dá)因值檢測(cè)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)就顯得特別重要。

板形：板形是有色金屬行業(yè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，但在電池箔行業(yè)，則稱為張力，這種叫法的差異，主要是由于行業(yè)的不同。但無(wú)論是板形，還是張力，其所表達(dá)的是一個(gè)含義，就是產(chǎn)品的平直度。在電池行業(yè)用兩個(gè)術(shù)語(yǔ)：張力和塌邊量來(lái)表示產(chǎn)品板形質(zhì)量。雖然這是個(gè)完全不科學(xué)的叫法，但由于在電池行業(yè)內(nèi)已經(jīng)被普遍認(rèn)同，所以這種叫法是不會(huì)改變的，對(duì)于板形，電池行業(yè)已經(jīng)形成一套自己的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量裝置，所以電池這個(gè)行業(yè)在定義術(shù)語(yǔ)的時(shí)候，改變了鋁加工行業(yè)的原有定義。

簡(jiǎn)而言之，張力就是板形，塌邊量就是在規(guī)定張力，規(guī)定長(zhǎng)度下產(chǎn)品邊部的下垂量。

板形質(zhì)量對(duì)于電池箔來(lái)說(shuō)，是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，今后，隨著行業(yè)的發(fā)展及對(duì)電池產(chǎn)品精度的不斷提高，用戶對(duì)于鋁箔產(chǎn)品板形的要求會(huì)越來(lái)越高，如何通過(guò)工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新來(lái)不斷提高產(chǎn)品的板形質(zhì)量，是擺在鋁箔產(chǎn)業(yè)面前的一個(gè)重要課題。

力學(xué)性能：不同等級(jí)電池箔對(duì)力學(xué)性能的要求見(jiàn)表10。

普通強(qiáng)度電池箔就是常用的單零箔，除了合金外，沒(méi)有別的要求，而高強(qiáng)度電池箔則是用專(zhuān)業(yè)工藝生產(chǎn)的，特別是厚度＜0.015mm的生產(chǎn)難度大，需在設(shè)備、工藝和潤(rùn)滑方面作較大改進(jìn)。310MPa的抗拉強(qiáng)度就是H狀態(tài)工業(yè)純鋁的強(qiáng)度值。電池箔抗拉強(qiáng)度的提高與其厚度呈反比，也就是越薄強(qiáng)度越高。例如，原0.02mm箔的抗拉強(qiáng)度≥170MPa，而厚0.013mm箔的可≥190MPa。用戶之所以要求提高強(qiáng)度是為了減小厚度，以提高能量密度。

中國(guó)生產(chǎn)的電池箔的抗拉強(qiáng)度已普遍≥160MPa，但是要達(dá)到200MPa以上，就有一定的難度，不過(guò)也有不少公司能商業(yè)化生產(chǎn)≥200MPa的電池箔，也有一些公司可以生產(chǎn)≥280MPa的。

厚度：電池箔的厚度已從新世紀(jì)初的20μm下降到2020年的6μm，一路下降（20－16－15－13－10－9－8－6）μm。但是，為了能夠保持一定的耐破度，必須不斷地提高抗拉強(qiáng)度。不少電池制造公司要求箔的厚度偏差≤2%，用裝有普遍AGC厚度控制系統(tǒng)的箔軋機(jī)不易滿足這種要求，需要更加精準(zhǔn)的AGC，好在ABB公司等已開(kāi)發(fā)這類(lèi)厚度控制系統(tǒng)，可以生產(chǎn)高精準(zhǔn)厚差的電池箔。

切邊質(zhì)量：在鋁箔生產(chǎn)中，電池箔是一類(lèi)精深加工產(chǎn)品，對(duì)其切邊質(zhì)量有著嚴(yán)格要求。不允許有裂邊、毛刺等缺陷，此外，相對(duì)于普通箔而言，電池鋁箔對(duì)切邊質(zhì)量還有其特殊要求：在無(wú)張力時(shí)，邊部波峰不得＞2mm，斷面鋁粉膠帶法檢測(cè)＜25個(gè)/10cm。

表面質(zhì)量：對(duì)于表面質(zhì)量，電池箔也有嚴(yán)格要求。表面不允許有＞1mm麻點(diǎn)，暗面不允許有0.5mm～1mm凸點(diǎn)的麻點(diǎn)，應(yīng)少于3個(gè)/m2，＜0.5mm的麻點(diǎn)不允許成片出現(xiàn)。另外，對(duì)于單面光產(chǎn)品，暗面不允許有亮點(diǎn)缺陷。長(zhǎng)度＜5mm的黑油線應(yīng)少于3條。其它表面質(zhì)量缺陷：打底起皺長(zhǎng)度≤10m，杠印<50m。

合金：當(dāng)前電池箔用的合金主要為：1070、1060、1235、1230、1100、8011、3003、1N30等，幾乎涵蓋了鋁箔用的所有合金品種，但用得最多的是1235、1060、1070工業(yè)純鋁，1100、3003合金主要用于生產(chǎn)超高強(qiáng)度電池箔。

關(guān)鍵技術(shù)與市場(chǎng)

關(guān)鍵技術(shù)

電池鋁箔是鋁箔的深加工產(chǎn)品，所以生產(chǎn)難度比普通鋁箔的大得多，關(guān)鍵技術(shù)也多。一是厚度要求嚴(yán)，在產(chǎn)品名義厚度上，越來(lái)越薄，希望達(dá)到9μm甚至8μm的雙面光，這已經(jīng)超過(guò)了目前鋁箔產(chǎn)品單張軋制的最小可軋極限厚度。而且厚度精度要求±2%，這種厚度精度的要求是目前所有鋁箔產(chǎn)品中最高的。不過(guò)，對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)這么薄的鋁箔并非難事，有些公司早就能生產(chǎn)4μm的箔。

日前一般的電池箔產(chǎn)品，普遍要求強(qiáng)度≥180MPa，這已經(jīng)相當(dāng)于8系合金的性能。隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，出于各方面的考慮，很多用戶都在不斷提高電池箔產(chǎn)品的強(qiáng)度要求，目前200MPa以上強(qiáng)度的要求已經(jīng)很普遍，有些用戶甚至要求強(qiáng)度達(dá)到270MPa甚至300MPa以上，這已經(jīng)達(dá)到了鋁箔產(chǎn)品冷硬化的強(qiáng)度極限，其生產(chǎn)難度極大。

為滿足涂布過(guò)程及涂碳過(guò)程的需要，電池箔對(duì)表面達(dá)因值的要求較高，但是高的表面達(dá)因值控制，卻與高強(qiáng)度相互矛盾，極高的板形要求及厚差都與高強(qiáng)度超薄軋制相矛盾，也就是說(shuō)電池箔就是要求最薄的厚度，最高的強(qiáng)度、最高的表面達(dá)因值、最小的厚差、最優(yōu)的板形、最潔凈的表面，同時(shí)要追求這六個(gè)極限值。

發(fā)展趨熱

目前很大一部分電池箔產(chǎn)品沒(méi)有涂碳與電蝕。但為了改善電池性能，減少界面電阻，保護(hù)集流體，減少極化，提升電池一致性和壽命，對(duì)電池箔進(jìn)行表面改性處理將逐漸成為一種趨勢(shì)。目前，電池箔表面的處理技術(shù)仍然在持續(xù)不斷開(kāi)發(fā)、進(jìn)步。涂碳是在鋁箔表面涂0.5g/m2～2g/m2的碳。涂碳處理后，對(duì)提高電池的倍率性能、延長(zhǎng)電池使用壽命等都有益。

市場(chǎng)前景

電池箔的市場(chǎng)前景實(shí)際上就是鋰電池市場(chǎng)和新研發(fā)電池的前景，據(jù)匡算，1GWh的鋁箔用量600t～800t。為了保護(hù)環(huán)境與實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，至少在2035年以前，電池箔的復(fù)合年增長(zhǎng)率有可能達(dá)到18%或更大一些。2015年中國(guó)電池箔的產(chǎn)量約3萬(wàn)噸，2020年的產(chǎn)量達(dá)8萬(wàn)噸，2025年產(chǎn)量有可能達(dá)到30萬(wàn)噸。筆者的預(yù)測(cè)很可能過(guò)于保守。不管怎樣，中國(guó)鋁箔產(chǎn)業(yè)有足夠的生產(chǎn)能力滿足電池產(chǎn)業(yè)對(duì)鋁箔的需求，僅據(jù)筆者對(duì)38個(gè)電池/電子鋁箔生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，他們總生產(chǎn)能力約為100萬(wàn)噸/年，加上其他未統(tǒng)計(jì)到的，2021年全國(guó)電池/電子鋁箔總產(chǎn)能可達(dá)130萬(wàn)噸/年，其中電池箔的為60萬(wàn)噸/年。

電池箔市場(chǎng)

由于全球新能源車(chē)輛的高速發(fā)展，對(duì)鋰電池的需求旺盛，拉動(dòng)電池鋁箔需求的快速上升，在2010年～2030年期間，沒(méi)有哪種鋁產(chǎn)品的產(chǎn)量增長(zhǎng)速度可與電池鋁箔試比高。根據(jù)樊玉慶的資料（《上海鋁業(yè)》2016年第6期p.16-27：鋰電池集流體用鋁箔的技術(shù)進(jìn)展及市場(chǎng)前景）（有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11及圖1），2015年-2025年，鋰電池鋁箔產(chǎn)量的復(fù)合增長(zhǎng)率可能達(dá)25%，如以2015年的產(chǎn)量3萬(wàn)噸為基數(shù)，那么2025年的產(chǎn)量可能突破28萬(wàn)噸，這是非常驚人的數(shù)字。1GWh鋰電池的鋁箔約750噸。中國(guó)是鋰（離子）電池生產(chǎn)大國(guó)，2017年中國(guó)鋰電池箔的消費(fèi)量4.5萬(wàn)噸，約占全世界總消費(fèi)量的58%。

2017年中國(guó)動(dòng)力電池生產(chǎn)廠家有近160家，生產(chǎn)鋰電池箔的也有七八十家。電池箔是一種高技術(shù)產(chǎn)品，而且對(duì)其品質(zhì)要求越來(lái)越高，中國(guó)普通級(jí)箔（抗拉強(qiáng)度Rm=150N/mm2～180N/mm2）方面沒(méi)有問(wèn)題，但在生產(chǎn)高強(qiáng)度、高精厚度偏差、高表面品質(zhì)方面還與發(fā)達(dá)國(guó)家有相當(dāng)大的差距。