鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1410次 | 2020年08月10日
鋰離子電池用正負(fù)極集流體的類別及工藝流程有什么？
集流體基本信息
關(guān)于鋰離子電池來說，通常使用的正極集流體是鋁箔，負(fù)極集流體是銅箔，為了保證集流體在電池內(nèi)部穩(wěn)定性，二者純度都要求在98%以上。隨著鋰電技術(shù)的不斷發(fā)展，無論是用于數(shù)碼產(chǎn)品的鋰離子電池還是電動汽車的電池，我們都希望電池的能量密度盡量高，電池的重量越來越輕，而在集流體這塊最重要就是降低集流體的厚度和重量，從直觀上來減少電池的體積和重量。
1鋰電用銅鋁箔厚度要求
隨著近些年鋰電迅猛發(fā)展，鋰離子電池用集流體發(fā)展也很快。正極鋁箔由前幾年的16um降低到14um，再到12um，現(xiàn)在已經(jīng)不少電池生產(chǎn)廠家已經(jīng)量產(chǎn)使用10um的鋁箔，甚至用到8um。而負(fù)極用銅箔，由于本身銅箔柔韌性較好，其厚度由之前12um降低到10um，再到8um，到目前有很大部分電池廠家量產(chǎn)用6um，以及部分廠家正在開發(fā)的5um/4um都是有可能使用的。由于鋰離子電池關(guān)于使用的銅鋁箔純度要求高，材料的密度基本在同一水平，隨著開發(fā)厚度的降低，其面密度也相應(yīng)降低，電池的重量自然也是越來越小，符合我們關(guān)于鋰離子電池的需求。
2鋰電用銅鋁箔表面粗糙度要求
關(guān)于集流體，除了其厚度重量對鋰離子電池有影響外，集流體表面性能對電池的生產(chǎn)及性能也有較大的影響。尤其是負(fù)極集流體，由于制備技術(shù)的缺陷，市場上的銅箔以單面毛、雙面毛、雙面粗化品種為主。這種兩面結(jié)構(gòu)不對稱導(dǎo)致負(fù)極兩面涂層接觸電阻不對稱，進(jìn)而使兩面負(fù)極容量不能均勻釋放;同時(shí)，兩面不對稱也引發(fā)負(fù)極涂層粘結(jié)強(qiáng)度不一致，是的兩面負(fù)極涂層充放電循環(huán)壽命嚴(yán)重失衡，進(jìn)而加快電池容量的衰減。
同理，正極鋁箔也盡量向雙面對稱結(jié)構(gòu)發(fā)展，但是目前受到鋁箔制備工藝的影響，重要還是用單面光鋁箔。由于鋁箔基本都是由厚度較大的鋁錠軋制而成，在軋制過程中要控制鋁錠與軋輥的接觸，所以一般都會對鋁箔表面進(jìn)行添加潤滑劑，來保護(hù)鋁錠和軋輥，而表面的潤滑劑對電池極片有一定的影響，因此，對鋁箔來說，表面除潤滑劑也是關(guān)鍵因素。
3為何負(fù)極用銅箔，正極用鋁箔?
一是銅鋁箔導(dǎo)電性好，質(zhì)地軟，價(jià)格便宜。我們都了解，鋰離子電池工作原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種電化學(xué)裝置，那么在這個(gè)過程中，我們要一種介質(zhì)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化的電能傳遞出來，這里就要導(dǎo)電的材料。而在普通材料中，金屬材料是導(dǎo)電性最好的材料而在金屬材料里價(jià)格便宜導(dǎo)電性又好的就是銅箔和鋁箔。同時(shí)，在鋰離子電池中，我們重要有卷繞和疊片兩種加工方式。
相關(guān)于卷繞來說，要用于制備電池的極片具有一定的柔軟性，才能保證極片在卷繞時(shí)不發(fā)生脆斷等問題，而的金屬材料中，銅鋁箔也是質(zhì)地較軟的金屬。最后就是考慮電池制備成本，相對來說，銅鋁箔價(jià)格相對便宜，世界上銅和鋁元素資源豐富。
二是銅鋁箔在空氣中也相比較較穩(wěn)定。鋁很容易跟空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鋁表面層生成一層致密的氧化膜，阻止鋁的進(jìn)一步反應(yīng)，而這層很薄的氧化膜在電解液中對鋁也有一定的保護(hù)用途。銅在空氣中本身比較穩(wěn)定，在干燥的空氣中基本不反應(yīng)。
三是鋰離子電池正負(fù)極電位決定正極用鋁箔，負(fù)極用銅箔，而非反過來。正極電位高，銅箔在高電位下很容易被氧化，而鋁的氧化電位高，且鋁箔表層有致密的氧化膜，對內(nèi)部的鋁也有較好的保護(hù)用途。
集流體類別及制備工藝流程
1銅箔種類
根據(jù)銅箔制備方法，重要有壓延銅箔和電解銅箔兩種。電池發(fā)明的早期，由于銅箔制備工藝設(shè)備技術(shù)等的限制，重要使用成本較高的壓延銅箔，壓延銅箔(RolledCopperFoil)是將銅板經(jīng)過多次重復(fù)輥軋而制成的原箔(也叫毛箔)，根據(jù)要求進(jìn)行粗化處理。
解銅箔(ElectrodePositedcopper)是將銅先經(jīng)溶解制成溶液，再在專用的電解設(shè)備中將硫酸銅電解液在直流電的用途下，電沉積而制成原箔，然后根據(jù)要求對原箔進(jìn)行表面處理、耐熱層處理及防氧化處理等一系列的表面處理。電解銅箔不同于壓延銅箔，電解銅箔兩面表面結(jié)晶形態(tài)不同，緊貼陰極輥的一面比較光滑，稱為光面;另一面呈現(xiàn)凹凸形狀的結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)，比較粗糙，稱為毛面。
2銅箔制備工藝流程
(1)壓延銅箔制備流程
壓延銅箔是將銅板經(jīng)過多次重復(fù)輥軋，并且進(jìn)行一定溫度的退火，反復(fù)酸洗軋制而成的。銅箔軋制工藝參數(shù)控制嚴(yán)格，對設(shè)備及工藝控制的要求很高，目前重要是日本在生產(chǎn)，少量用于鋰離子電池上。
(2)電解銅箔制備流程
電解銅箔是將銅溶解制成溶液，在特制的溶解容器中將硫酸銅電解液在直流電的用途下，電沉積而制成原箔，然后根據(jù)要求對原箔進(jìn)行表面處理、耐熱層處理及防氧化處理等一系列的表面處理。
相比較壓延銅箔，電解銅箔的制備相對簡單，設(shè)備要求相對簡單，成本相對較低。鋰離子電池用銅箔大部分使用電解銅箔作為負(fù)極基材。
電解銅箔在制備的過程中，由于銅箔在電解時(shí)是依靠含銅電解液在鈦輥上生箔的，所以銅箔在貼近鈦輥面是光滑的，稱作光面;另一面是凸凹不平的結(jié)晶組織面，是相對較粗糙的，稱作毛面。
在電解銅箔制備過程中要控制電解液溫度、電解液濃度、添加劑含量以及生箔時(shí)電解液的流速等因素。關(guān)于鋰電用電解銅箔，前期制箔過程中控制的因素會影響到銅箔本身的純度、厚度/重量均勻性、強(qiáng)度和延伸率等性能。電解銅箔經(jīng)過電解生成后的厚度一般就是生產(chǎn)廠家要的厚度，后期要對銅箔表面進(jìn)行清洗處理，除去表面殘留的電解液，表面抗氧化處理以及干燥處理。在這過程中，表面處理的成都直接影響著銅箔表面光潔度，以及銅箔表面的張力問題。
表面處理后要符合鋰電用銅箔涂覆要求，過于光滑涂覆效果差，過于粗糙對電池性能均一性有影響，同時(shí)，表面處理后銅箔的表面張力關(guān)于后期銅箔的分切效率及電池制備工序起著很重要的用途。
銅箔表面處理完成后就要分切，分切成鋰電廠家要的寬度和長度。關(guān)于大量使用銅箔基材的廠家，希望銅箔寬度適合，銅箔長度在可搬運(yùn)范圍內(nèi)長度越長越好，這樣可以提高批量生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。但是目前由于受到制箔設(shè)備和分切設(shè)備等的影響，銅箔長度一般都在2500m范圍以內(nèi)。
3鋁箔種類
鋁箔重要以軋制的方法制備而成，其分類方法重要是按照雜質(zhì)種類及含量分類，鋰電用鋁箔重要有1系、3系和8系鋁箔，分別是工業(yè)純鋁、鋁錳系及鋁與其他不常見元素。
4鋁箔的制備工藝流程
鋁箔生產(chǎn)重要是通過將鋁箔胚料經(jīng)過多次軋制多次熱處理軋制成要的厚度。在這個(gè)過程中重要有粗軋和精軋兩道工序，精軋后會對鋁箔進(jìn)行表面處理，最后將鋁箔分切成鋰電廠家要的寬度和長度，在這個(gè)過程中也要很好的控制鋁箔的張力。
一般鋰離子電池用鋁箔生產(chǎn)廠家使用上游供應(yīng)商供應(yīng)的鋁錠進(jìn)行軋制，所以鋁錠的成分基本已定，后期對鋁箔的強(qiáng)度延伸率的需求都是通過控制軋制壓力和控制熱處理工藝來實(shí)現(xiàn)的。銅箔重要供應(yīng)商隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，全球?qū)︿囯x子電池的依賴越來越強(qiáng)烈，對鋰離子電池材料的需求也越來越多，隨之帶來的更多的材料供應(yīng)商。負(fù)極集流體銅箔的供應(yīng)商也從國外逐漸轉(zhuǎn)向國內(nèi)。關(guān)于全球而言，銅箔供應(yīng)商重要分布在亞洲地區(qū)，重要有日本的三井金屬、日本能源、古河電工、福田金屬和日光材料等，還有韓國第一大廠日進(jìn)公司，以及臺灣的長春銅箔和南亞塑膠。全球最大銅箔廠是三井金屬，分布于日本、臺灣、美國、法國和馬來西亞各地。我國國內(nèi)供應(yīng)商重要有上海金寶、廣東梅縣梅雁電解銅箔、靈寶華鑫銅箔、中科英華高技術(shù)、惠州聯(lián)合銅箔以及其他一些較小的廠商，重要是生產(chǎn)電解銅箔。國內(nèi)銅箔產(chǎn)品產(chǎn)量相對較低，一般不能完全滿足鋰離子電池廠商的需求，要從國外進(jìn)口部分產(chǎn)品，同時(shí)國內(nèi)也缺乏中高端銅箔，比如高強(qiáng)度高韌性、超薄銅箔。
5鋁箔重要供應(yīng)商
鋁箔供應(yīng)商相對較少，國內(nèi)重要有福來順、杭州五星、華西鋁業(yè)、南南鋁業(yè)、四方達(dá)公司、中南鋁業(yè)、上海美鋁以及深圳市振鑫箔電子包裝材料等供應(yīng)商。
國外也是重要集中在日本，重要是日本的東洋鋁業(yè)和日立金屬等。
一些特殊集流體
特殊集流體重要是針對特殊需求性能的鋰離子電池，或者是未為了開發(fā)更高性能材料的集流體。
前段時(shí)間有相關(guān)專家提出“無負(fù)極電池”，其實(shí)就是設(shè)想負(fù)極銅箔被金屬鋰替代，而且鋰層很薄;同時(shí)，也有專家提出用廉價(jià)鐵替代價(jià)格較高的銅。但是這些信息公布后很快就遭到質(zhì)疑：從鋰層、鐵箔材料本身來看，性能方面滿足不了鋰離子電池說要的高性能，從制造工序和設(shè)備來看，很難滿足生產(chǎn)，最后的成本問題也基本很難解決。
而也有研發(fā)團(tuán)隊(duì)不用其他材料替代負(fù)極基材銅箔，而是從銅箔本身出發(fā)，對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，來改善性能，優(yōu)化鋰離子電池的性能。從最直觀的就是跟銅箔供應(yīng)商合作開發(fā)高強(qiáng)度高延伸率的銅箔，以及開發(fā)更薄的銅箔，來提高電池能量密度;另外，就是采用銅網(wǎng)來提高電池能量密度。
關(guān)于鋁箔，重要是對現(xiàn)有鋁箔進(jìn)行表面處理，比如粗化處理，清潔處理，或者在鋁箔表面涂上導(dǎo)電碳。最近研究較多的是涂炭鋁箔，在正常鋁箔表面涂上一層很薄的導(dǎo)電碳，來優(yōu)化電池性能。
