锂离子电池铝箔的新进展(二)

锂电池铝箔

锂电池是由正极集流体（集电器电极）、盒、封口板、负极板等组成。对相应材料要求是：集电器箔不但应有高的强度与电导率，而且应平平坦坦；盒材应有高的强度与成形性，还应有良好的耐膨胀性；封口材宜有良好的成形性与激光焊接性；层压包装铝材应有高的强度与成形性；母线材必须有高的强度与电导率，以及良好的折弯加工性。

我们通常说的电池铝箔是指锂离子电池正极箔，这实际上是不够确切的，最好把这种厚约0.1mm的非改性正极箔称为集流体铝箔，以区别于锂（离子）电池用的其它铝箔，如电池软包用铝-塑膜中的箔、极耳箔、改性后涂炭箔等。集流体铝箔一方面是集流体电极，另一方面又是锂电池正极或负极材料的载体，也就是锂电材料要涂布其上。实际上可把集流体铝箔简称电池箔。

正极结构

正极由正极集流体（极耳）、高温胶带、正极基体和正极物质组成。极耳为约0.1mm的1070、1060、1235、1230、1100、8011、1N30、3003等合金箔。其中用得多的为1235、1070、1100、3003合金，因为它们有高的强度。正极基体为约0.016mm厚的箔。

外壳及封口材料

外壳是用薄铝板加工的，要求有高的成形性与强度，而且应有优越的耐压性，可抑制因反复充电、放电而导致的壳体膨胀，3种外壳板材的性能见表6。

封口是用激光焊接的，因此应有优异的可激光焊性能，同时在加工防暴阀阶段不会发生较大的加工硬化，有良好的成形性。封口材的各种性能见表7。

电池箔

锂离子电池用铝箔有两种：平箔，拥有高的强度、高的电导率与平平坦坦；表面改性箔。日本联合铝业公司研发的平箔有7种：A85、C2F、高强度C2F、FS115、MS812、X383、503S，其中A85、C2F、503S是通用工业箔，可应用于民用各个领域，C2F、MS812、X383合金有高的强度与电导率，F5115合金在涂漆烘烤后有高延展性；表面改性箔（ASP，Advanced Surface Profile)有高的强度、高的电导率与表面粗糙化，由于表面粗糙化，活性物质附着性大有提高，同时可以减少粘接剂用量，电池特性也得以改善，采用新的粗化工艺，比传统工艺的生产成本有所下降。平箔合金的性能见表8。

铝母线合金

锂电池的导电母线原来是Cu的，改用铝后不但大幅度实现了轻量化，而且成本下降了较多；EC1合金的电导率与纯铝1050-O的等同，而其强度则比它大50%；EC2合金的电导率只有铜的57%，如果母线板厚增加到Cu的1.8倍，则传导的电流可与铜的相等。铝母线板的力学性能见表9。

电池箔的技术特性

现在我们通常所说的电池箔是指锂电池集流体用的非改性铝箔，也就是说应与电池上用的其它箔区分开来。它一方面是集流体的电极，另一方面又作为锂电池正极或负极材料的载体，也就是锂电材料要涂覆于其上，因此更准确的定义，应是锂电池集流体用铝箔。

集流体铝箔应具备的性能

集流体铝箔因其使用条件特殊，对其各项技术指标有着非常严格的要求，是铝箔家族中的佼佼者，一些具体要求如下：

异物质：锂电池在使用中必须具有很高的安全性，因此应严格控制表面异物（杂质），如果没有进行异物控制就不能作为合格的电池箔，异物可以是铝粉，可以是磁性物质（铁粉），及其它物质。整个生产环节都要做到防护，减少一切带入异物的可能。在成品环节要设立检验异物的装置并精确计量。异物应≤50mg/30万m2。

润湿性：润湿性能主要看液体接触角。液体接触角就是当一液滴在固体表面上不完全展开时，在气、液、固三相会合点，以接触角θ判断液体对固体的润湿（固-液界面的水平线与气-液界面切线之间的夹角θ，称为接触角）：当θ＜900时称为润湿：θ＞90*时为不润湿：θ=00或不存在时称为完全润湿；θ=1800时为完全不润湿。θ=900是润湿与否的分界线。

由于铝箔表面带油一般不能完全除净，且表面褶皱不平整时对其表面张力会产生很大的影响，直接测量接触角并不现实，所以生产实践中采用的都是达因值来反映润湿能力，达因值越高，润湿性能越优良。但目前有些高端客户，特别是日本等地的客户，仍然采用接触角的方法来测量铝箔表面的润湿性。为与客户的检测方法相一致，目前国内也有少量的生产商采用接触角的方法，但这种方法受各种因素及测量仪器和测量方法的影响较大，所取得的测量数据只能是参考值，目前绝大部分厂家采用的是表面达因值测量法。

达因值是一个通俗叫法，准确地说应该是表面张力系数，主要是表述表面张力的大小，即液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。表面张力的单位在SI制中为N/m，但仍常用达因/厘米（dyn/cm），1dyn/cm=1mN/m。一般要求成品铝箔的润湿性≥32mN/m。

表面润湿张力是电池箔最为重要的技术指标之一，它影响涂层的粘合质量，特别是影响涂炭箔的涂层牢固度，达因值偏低时，铝箔与粘合材料粘接不牢、漏涂等缺陷。铝箔表面达因值要＞32dyn/mm，有些要求高的涂碳产品，甚至要达到34dyn/mm。

目前，国家标准对于达因值的检测方法虽然有明确规定，但在实际操作过程中，不同的公司和企业，其检测方法也不完全相同，因此检测结果住往会有很大差距，随着电池箔市场的迅速发展，进一步规范和统一达因值检测方法及判定标准就显得特别重要。

板形：板形是有色金属行业专业术语，但在电池箔行业，则称为张力，这种叫法的差异，主要是由于行业的不同。但无论是板形，还是张力，其所表达的是一个含义，就是产品的平直度。在电池行业用两个术语：张力和塌边量来表示产品板形质量。虽然这是个完全不科学的叫法，但由于在电池行业内已经被普遍认同，所以这种叫法是不会改变的，对于板形，电池行业已经形成一套自己的标准和测量装置，所以电池这个行业在定义术语的时候，改变了铝加工行业的原有定义。

简而言之，张力就是板形，塌边量就是在规定张力，规定长度下产品边部的下垂量。

板形质量对于电池箔来说，是一个关键的技术指标，今后，随着行业的发展及对电池产品精度的不断提高，用户对于铝箔产品板形的要求会越来越高，如何通过工艺优化和技术创新来不断提高产品的板形质量，是摆在铝箔产业面前的一个重要课题。

力学性能：不同等级电池箔对力学性能的要求见表10。

普通强度电池箔就是常用的单零箔，除了合金外，没有别的要求，而高强度电池箔则是用专业工艺生产的，特别是厚度＜0.015mm的生产难度大，需在设备、工艺和润滑方面作较大改进。310MPa的抗拉强度就是H状态工业纯铝的强度值。电池箔抗拉强度的提高与其厚度呈反比，也就是越薄强度越高。例如，原0.02mm箔的抗拉强度≥170MPa，而厚0.013mm箔的可≥190MPa。用户之所以要求提高强度是为了减小厚度，以提高能量密度。

中国生产的电池箔的抗拉强度已普遍≥160MPa，但是要达到200MPa以上，就有一定的难度，不过也有不少公司能商业化生产≥200MPa的电池箔，也有一些公司可以生产≥280MPa的。

厚度：电池箔的厚度已从新世纪初的20μm下降到2020年的6μm，一路下降（20-16-15-13-10-9-8-6）μm。但是，为了能够保持一定的耐破度，必须不断地提高抗拉强度。不少电池制造公司要求箔的厚度偏差≤2%，用装有普遍AGC厚度控制系统的箔轧机不易满足这种要求，需要更加精准的AGC，好在ABB公司等已开发这类厚度控制系统，可以生产高精准厚差的电池箔。

切边质量：在铝箔生产中，电池箔是一类精深加工产品，对其切边质量有着严格要求。不允许有裂边、毛刺等缺陷，此外，相对于普通箔而言，电池铝箔对切边质量还有其特殊要求：在无张力时，边部波峰不得＞2mm，断面铝粉胶带法检测＜25个/10cm。

表面质量：对于表面质量，电池箔也有严格要求。表面不允许有＞1mm麻点，暗面不允许有0.5mm～1mm凸点的麻点，应少于3个/m2，＜0.5mm的麻点不允许成片出现。另外，对于单面光产品，暗面不允许有亮点缺陷。长度＜5mm的黑油线应少于3条。其它表面质量缺陷：打底起皱长度≤10m，杠印<50m。

合金：当前电池箔用的合金主要为：1070、1060、1235、1230、1100、8011、3003、1N30等，几乎涵盖了铝箔用的所有合金品种，但用得最多的是1235、1060、1070工业纯铝，1100、3003合金主要用于生产超高强度电池箔。

关键技术与市场

关键技术

电池铝箔是铝箔的深加工产品，所以生产难度比普通铝箔的大得多，关键技术也多。一是厚度要求严，在产品名义厚度上，越来越薄，希望达到9μm甚至8μm的双面光，这已经超过了目前铝箔产品单张轧制的最小可轧极限厚度。而且厚度精度要求±2%，这种厚度精度的要求是目前所有铝箔产品中最高的。不过，对中国来说，生产这么薄的铝箔并非难事，有些公司早就能生产4μm的箔。

日前一般的电池箔产品，普遍要求强度≥180MPa，这已经相当于8系合金的性能。随着电池技术的不断发展，出于各方面的考虑，很多用户都在不断提高电池箔产品的强度要求，目前200MPa以上强度的要求已经很普遍，有些用户甚至要求强度达到270MPa甚至300MPa以上，这已经达到了铝箔产品冷硬化的强度极限，其生产难度极大。

为满足涂布过程及涂碳过程的需要，电池箔对表面达因值的要求较高，但是高的表面达因值控制，却与高强度相互矛盾，极高的板形要求及厚差都与高强度超薄轧制相矛盾，也就是说电池箔就是要求最薄的厚度，最高的强度、最高的表面达因值、最小的厚差、最优的板形、最洁净的表面，同时要追求这六个极限值。

发展趋热

目前很大一部分电池箔产品没有涂碳与电蚀。但为了改善电池性能，减少界面电阻，保护集流体，减少极化，提升电池一致性和寿命，对电池箔进行表面改性处理将逐渐成为一种趋势。目前，电池箔表面的处理技术仍然在持续不断开发、进步。涂碳是在铝箔表面涂0.5g/m2～2g/m2的碳。涂碳处理后，对提高电池的倍率性能、延长电池使用寿命等都有益。

市场前景

电池箔的市场前景实际上就是锂电池市场和新研发电池的前景，据匡算，1GWh的铝箔用量600t～800t。为了保护环境与实现“双碳”目标，至少在2035年以前，电池箔的复合年增长率有可能达到18%或更大一些。2015年中国电池箔的产量约3万吨，2020年的产量达8万吨，2025年产量有可能达到30万吨。笔者的预测很可能过于保守。不管怎样，中国铝箔产业有足够的生产能力满足电池产业对铝箔的需求，仅据笔者对38个电池/电子铝箔生产企业的调查统计，他们总生产能力约为100万吨/年，加上其他未统计到的，2021年全国电池/电子铝箔总产能可达130万吨/年，其中电池箔的为60万吨/年。

电池箔市场

由于全球新能源车辆的高速发展，对锂电池的需求旺盛，拉动电池铝箔需求的快速上升，在2010年～2030年期间，没有哪种铝产品的产量增长速度可与电池铝箔试比高。根据樊玉庆的资料（《上海铝业》2016年第6期p.16-27：锂电池集流体用铝箔的技术进展及市场前景）（有关数据见表11及图1），2015年-2025年，锂电池铝箔产量的复合增长率可能达25%，如以2015年的产量3万吨为基数，那么2025年的产量可能突破28万吨，这是非常惊人的数字。1GWh锂电池的铝箔约750吨。中国是锂（离子）电池生产大国，2017年中国锂电池箔的消费量4.5万吨，约占全世界总消费量的58%。

2017年中国动力电池生产厂家有近160家，生产锂电池箔的也有七八十家。电池箔是一种高技术产品，而且对其品质要求越来越高，中国普通级箔（抗拉强度Rm=150N/mm2～180N/mm2）方面没有问题，但在生产高强度、高精厚度偏差、高表面品质方面还与发达国家有相当大的差距。