由于铝箔独特的性能,可用做锂离子电池正极集流体。电池正负极集流体主要作为电 极涂覆层的载体,需要聚集输出或输入电流,其表面特征会显著影响电池的充放电效率与 电池内阻。由于铝箔的导电性和延展性较好、质地软、在充放电的过程中表面的钝化层不 会被电解液腐蚀,因此经常作为锂离子电池正极集流体与三元正极材料、磷酸铁锂以及钴 酸锂等活性材料相匹配。
相较于传统铝箔,电池铝箔的性能指标要求较高。虽然传统的单零箔即可满足普通消 费锂电池产品对抗拉强度、延伸率等指标的要求,但随着动力电池厂家对电池性能、产品 一致性和产品安全性等要求大幅提高,客户对电池铝箔性能的要求已向“最薄的厚度、最 高的强度、最高的表面达因值、最小的厚差、最优的板形和最洁净的表面”的方向发展。 最新国标设置的参数中,电池铝箔厚度偏差应在 3%-5%之间,宽度偏差在 0.5mm 以内, 抗拉强度应大于 230MPa,表面针孔密度≤30 个/m2,表面湿润张力≥30X10-3 N/m,对版 型和表面质量的要求也显著高于传统铝箔。电池铝箔生产工艺流程为“铸轧-冷轧”法,多环节工艺均影响产品质量。目前锂电 铝箔主要采用轧制铝箔,即以铝锭、铝坯料为原材料,将其熔融挤压成箔。关键环节包括 铸轧、冷轧、中间退火以及多次箔轧,各个环节的详细流程如下:
(1)铸轧:融化后的铝原料通过内部有循环水冷却的旋转着的两辊之间的缝隙而得 到凝固,并在通过辊缝时受到轧辊轧制,最终形成铸轧卷。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。
(2)冷轧:指金属在再结晶温度以下且轧件厚度在 0.2mm 以上的轧制。冷轧时产 品发生变形,产生大量空位和位错等缺陷,有利于促进 Fe、Si 等元素的析出,净化铝基 体。冷轧变形率越高,冷轧板内部越均匀,产品质量越高。
(3)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。首先将冷轧得到的产品加热到 300-450 度之间, 接着保持一定时间再以缓慢的速度冷却,最终消除铝半成品的组织结构,使半成品再结晶 或 Fe、Si 等可溶组分从固溶体中聚集析出,提高产品的工艺性能和使用性能。
(4)箔轧:是指轧件厚度在 0.2mm 以下的轧制,包括铝箔粗轧和精轧,每次箔轧 都会使得产品厚度减小。产品在进行箔轧轧制时,要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。
电池铝箔生产流程较长,生产工艺参数显著影响产品质量。由于铝箔生产环节较多, 下游客户对电池铝箔产品精度要求较高,并且不同的客户对产品性能指标要求不一致,因 此各环节的轧制工艺将极大地影响产品质量。其中,轧制力、轧制速度、轧制油温以及版 型曲面影响产品版型和表面质量,这些参数如果控制不当会导致产品起鼓、起皱、起棱; 后张力会影响铝箔内部组织结构和针孔密度,较小的后张力可以减少铝箔内部组织塑性的 破坏,有利于减少针孔数量。
轧制油在铝箔轧制过程中起到重要作用,生产流程对轧制油的管理要求较高。轧制油 在轧制过程中可以改善铝箔组织性能,其黏度及添加剂的配比会影响铝箔表面带油量,进 而影响产品表面湿润张力。在铝箔轧制过程中,轧制油的作用主要为润滑、冷却、冲洗、 组织结构改善等。若轧制油不符合生产要求,则会导致铝箔成品退火后表面油斑,最终造 成腐蚀不均匀,故对轧制油提出了控制的要求。通过日常管理,保证轧制油在可控范围内, 能够保证铝箔表面均匀、光洁,有较高一致性。
轧辊是铝箔轧制的重要工具,不同的生产工艺应配合不同的轧辊性能。在铝箔轧制过 程中,工作辊辊身和铝箔直接接触,其尺寸、精度、表面硬度、辊型及表面质量对铝箔表 面、板形质量与轧制工艺参数的控制起到非常重要的作用。轧辊的表面粗糙度根据轧机生 产工艺要求而定,轧辊磨床主要关心的是表面粗糙度的均匀性。一般表面粗糙度的数值越 低,其允许的误差也越小。粗轧为 0.23-0.27um,中轧为 0.14-0.16um,精轧为 0.05-0.055um。

电池铝箔仍需进行技术迭代以不断提高电池性能。电池铝箔未来的技术发展方向主要 为(1)降低厚度:电池铝箔厚度由前几年的 15-20um 降到 12-13um,部分电池厂家已经 使用 9-10um 的铝箔,未来有望出现 6um 的电池铝箔。(2)提高强度:电池铝箔未来的发 展方向会是合金多元化,可以有效提高延伸率及抗拉强度。(3)表面改性:铝箔厂家会在 原电池铝箔的基础上做二次加工,采用机械加工方式制孔或直流蚀刻方式制孔,提高了集 流体与电池活性物质的接触面积,与活性物质的结合力增强,从而提高电池的通量。
涂碳铝箔为新兴的电池铝箔产品,可明显改善磷酸铁锂电池性能。由于磷酸铁锂材料 本身的导电性不佳,部分电池厂家会在磷酸铁锂电池正极集流体表面涂覆一层导电性较强 的纳米碳材料,比如石墨烯或炭黑,以降低磷酸铁锂电池的内阻,改善活性物质与箔材的 接触以及电流在极片内部的传导。相关实验结果表明,使用涂碳铝箔后,磷酸铁锂电池在 低温下的初始放电电压及放电容量更高。在常温 3C 循环测试中,涂石墨烯铝箔对磷酸铁 锂电池的大电流循环能力提升明显。
