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《2020年第十五届中国国际铝加工峰会》

藏器待时!2020年SMM全新打造《中国国际铝加工峰会》,盛情邀约全国铝加工行业龙头企业,资深专家,齐聚一堂,呈现专业看法和前瞻解读,就2020年中国铝加工市场的“新方向”与您共享行业的远见卓识。

《2020年第十五届中国国际铝加工峰会》

【铝峰会】华北铝业佟颖:锂离子电池用铝箔生产技术要求及应用前景

来源:SMM

SMM讯:2020年6月11日,由SMM主办的《第十五届中国国际铝加工峰会》于山东烟台召开。会上,华北铝业有限公司品质总监佟颖从锂离子电池发展的现状再到锂离子电池用铝箔生产的技术要求等方面,对锂离子电池用铝箔生产技术进行了全面解读。她表示,锂离子电池用铝箔今后的研发方向从铝箔的厚度以及开发合金的多元化,高强度,等方面尝试,也许会出现6um的电池箔产品。

锂离子电池用铝箔生产技术要求及应用前景


锂离子电池发展的现状

新能源汽车是战略性新兴行业之一,习总书记指出,发展新能源是中国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。

新能源汽车快速增长带动了锂离子电池的需求,国内生产电池厂家的规模越来越大,对电池用铝箔的技术要求越来越高,竞争日趋激烈,这也让电池用铝箔成为铝箔产品中发展前景最为广阔的品种。电池用铝箔产品档次结构发生变化,存在很大的发展潜力和成长空间,有着良好的国内外市场前景。高能量密度、低放电率和长寿命周期是锂离子电池不断的追求。动力电池技术是制约电动汽车产业化进程的瓶颈技术,随着电动汽车产业化进程逐步深入,各国及重点企业均加大力度发展动力电池产业,同时电池厂商对产品要求越来越高,这对我们产品的研发和品质有了新的考验和挑战。

不久的将来我国动力电池行业的限制门槛将逐步被打破,中外资企业将处于同样的竞争环境中。而在全球,各动力电池企业早已展开了较量。未来,谁将保持领先优势?在同等竞争环境下,我国崛起的动力电池企业能否高枕无忧?分析这些问题,需要了解各家企业的发展策略、技术路线,甚或全球产业布局。

1、国内锂电市场发展趋势

2、外国企业在华投资新能源锂电池企业(已在华形成的锂电池产能)

踩着2019年度中国新能源汽车补贴退坡的时间点,2018年日韩电池企业进一步向中国市场发力,中国已成为全球动力电池竞争的主战场。韩国LG化学、三星SDI和SKI国际锂电巨头都把各自企业最大的电池生产基地放在中国。

今年以来,受春节假期及全球性的新冠疫情的影响,我国锂电池产销情况及装机量受到大幅冲击。但是,基于着眼长远的考虑,头部以及技术实力过硬的锂电池企业仍在积极扩充产能。据起点锂电数据不完全统计,单单在锂电池产业,1-4月就共有16起投资扩产事项。从时间线角度,起点锂电大数据梳理1-4月锂电池企业增资扩产的情况:

1月份

l1月19日:国轩高科/柳州柳东新区/10GWh动力电池(分两期)。

2月份

2月18日:恒昌元科技有限公司/山西/日产50万支18650三元锂电池。

2月26日:宁德时代/车里湾/45GWh动力及储能锂电池生产线。

2月28日:隆能科技/南通/投资15亿,建设高端动力及储能锂离子电池。

3月份

3月3日:立方新能源/株洲高新区/投资4个亿,新建动力储能型锂离子电池、储能钠离子电池生产线。

3月3日:利天万世/嘉兴嘉善经济开发区/投资105亿建成20GWh锂离子电池生产线。

3月8日:亿纬锂能/投资25亿,建成豆式锂离子2亿颗产能。

3月25日:欣旺达/投资52亿形成80万支/天锂离子电池的产能,分三期。

3月26日:恒大新能源/贵阳/3GWh。

3月31日:亿纬锂能/荆门/投资25亿,投产后湖北亿纬动力年产能可达21.5GWh。

4月份

4月18日:长虹新能源/绵阳/投资20亿分两期完成。

4月19日:正威新能源/新乡/50GWh动力电池产业园。

4月20日:超威电池新型动力锂电池/安阳/投资100个亿。

4月21日:恒大新能源/兰州/首期12GWh产能。

4月29日:湖南时代联合新能源有限公司/4GWh锂离子电池生产能力。


二、锂电池的主要生产厂商

全球市场中本土动力电池厂商市场份额占比过半。

前十名本土厂商占有五席,合计占据48.6%的市场份额,前五名本土厂商占有三席,CATL以25.4%市占率位列全球第一。

国内市场中本土厂商占据绝大多数市场份额。由于财政补贴、动力电池白名单等限制,外资在国内装机量很低。据统计,2019年上半年国内动力电池装机量TOP10企业分别为CATL、比亚迪、国轩高科、力神、亿纬锂能、中航锂电、比克、多氟多和卡耐,合计占据87.9%的市场份额。

锂电池的概念及分类

电池是用来储存电量的,从应用上来讲,都是储能的,因此可以说所有的锂电池都是储能电池,后来为了区分应用分为消费电池、动力电池和储能电池三种。消费类应用是在手机、笔记本电脑、数码相机、电动工具、电动模型等消费类产品(占38%);动力类应用在电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车上(占59%);储能类应用在风光互补、储能电站、基站和后备电源等方面具有很大的潜力(占3%)。

按外形分:纽扣式、方形和圆柱形

宁德时代、比亚迪、松下、LG Chem以方形为主;松下、SDI方形和圆柱。

按锂电池外包材料分:铝壳锂电池,钢壳锂电池,软包电池

宁德时代、LG  Chem、SKI软包。

通常我们说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池(三元镍钴锰)。

以上各类电池都有优缺点,大致归纳为:

磷酸铁锂:优点,寿命长、充放电倍率大、安全性好、高温性好、元素无害、成本低。缺点,能量密度低、振实密度低(体积密度)。

三元锂:优点,能量密度高、振实密度高。缺点,安全性差、耐高温性差、寿命差、大功率放电差、元素有毒(三元锂电池大功率充放电后温度急剧升高,高温后释放氧气极容易燃烧)。

锰酸锂:优点,振实密度高、成本低。缺点,耐高温性差,锰酸锂长时间使用后温度急剧升高,电池寿命衰减严重(比如日产电动车LEAF)。

钴酸锂:通常用于3C产品,安全性极差,不适合做动力电池。

理论上,我们需要的电池应该是能量密度高、体积密度高、安全性好、耐高温低温、循环寿命长、无毒无害、可大功率充放电,聚所有优点为一体而且低成本。但目前并不存在这样的电池,那么在不同种类电池的优缺点中就需要取舍。而且,不同的电动车对电池的需求点也是不同的,因此只有立足于长远地对电动汽车作出判断,才能有利于我们正确地判断电池路线的选择。


锂电池为何负极用铜箔,正极用铝箔?

对于锂离子电池来说,通常使用的正极集流体是铝箔,负极集流体是铜箔,为了保证集流体在电池内部稳定性,二者纯度都要求在98%以上。对集流体的要求最主要的就是降低集流体的厚度和重量。从直观上来减少电池的体积和重量。另外,锂电池工作原理是将化学能转化为电能的一种化学装置,需要一种介质把化学能转化的电能传递出来,需要导电好的材料。

原因有三点:

1、一是铜箔的导电性好,质地软,价格便宜。在普通材料中,金属材料是导电性最好的材料,在金属材料中价格便宜导电性导电性又好的就是铜箔和铝箔,由于电池相对卷绕来说,需要极片具有一定的柔韧性,来保证极片在卷绕时不发生脆断等问题,而金属材料中銅铝箔也是质地较软的金属。考虑电池制备成本,铜铝箔价格便宜,资源丰富。

1、一是铜箔的导电性好,质地软,价格便宜。在普通材料中,金属材料是导电性最好的材料,在金属材料中价格便宜导电性导电性又好的就是铜箔和铝箔,由于电池相对卷绕来说,需要极片具有一定的柔韧性,来保证极片在卷绕时不发生脆断等问题,而金属材料中銅铝箔也是质地较软的金属。考虑电池制备成本,铜铝箔价格便宜,资源丰富。

3、三是锂电池正负极电位决定正极用铝箔,负极用铜箔。正极电位高,铜箔在高电位下很容易被氧化,容易和Li发生反应。而铝的氧化电位高,表面致密的氧化膜对内部的铝也有较好的保护作用。而在低电位下的铜也相对稳定,所以负极用铜箔,正极用铝箔。


锂离子电芯制造过程的简介

电芯是一个电池系统的最小单元。多个电芯组成一个模组,再多个模组组成一个电池包。电池就像一个储存电能的容器,能储存多少的容量,是靠正极片和负极片所覆载活性物质多少来决定的。正负极材料克容量,活性材料的配比、极片厚度、压实密度等对容量等的影响也至关重要。

搅拌工序:搅拌就是将活性材料通过真空搅拌机搅拌成浆状。这是电池生产的第一道工序。

涂布工序:这道工序就是将上一道工序后已经搅拌好的浆料均匀涂抹到铜铝箔上下面。

冷压与预分切:冷压,通过辊将附着有正负极材料的极片进行碾压,一方面让涂覆的材料更紧密,提升能量密度,保证厚度的一致性,另一方面也会进一步管控粉尘和湿度。

极耳模切与分条:极耳切模工序就是用模切机形成电芯用的导电极耳。我们知道电池是分正负极的,极耳就是从电芯中将正负极引出来的金属导电体,通俗的说电池正负两极的耳朵,是在进行充放电时的接触点。而接下来的分条工序就是通过切刀对电池极片进行分切。

卷绕工序:在这里,电池的正极片、负极片、隔离膜以卷绕的方式组合成裸电芯。

烘焙与注液:水分是电池系统的大敌,电池烘烤工序就是为了使电池内部水份达标,确保电池在整个寿命周期内具有良好的性能。而注液,就是往电芯内注入电解液。

化成:化成是对注液后的电芯进行激活的过程。

锂离子电池用铝箔的生产制造过程

一般铝加工及坯料工艺路线,主要分为热轧(DC)及连续铸轧(CC)两种方式,并各有特点。在高元素含量、热处理可强化等液-固相线较大的合金及特别是军工产品方面,热轧具有一定的优势。而对于类似一般工业用的双零铝箔、普单箔、电池箔等基本属于纯铝系列或一般低铁-硅等液-固相线较窄的系列合金产品,连续铸轧工艺则显示了较大的优势和生命力。

下面以铸轧为例介绍下铝箔的生产工艺:

锂离子电池用铝箔的基本要求和行业标准

1、异物管理:一般来说锂离子电池对铝箔车间环境有着较高的要求,主要针对安全性考虑,尤其是新能源动力电池箔方面,如果车间内部粉尘超出规定标准,导致粉尘、杂质、磁性物质、铝粉附着在铝箔基材上,会造成电池短路引起安全性后果。所以整个生产环节都要做到防护,减少一切带入异物的可能。一般会使用洁净车间来生产。

2、铝箔厚度、宽度:一般电池箔的厚度(面密度)要求是4%以内,目前可以满足市场需求,铝箔轧机主要靠在线厚度控制系统(AGC)来控制厚度。个别的电池箔的用户希望对于铝箔产品的厚度公差要求控制在±2%以内,实际上,目前设备无法达到这样的控制精度的。

宽度公差在±1mm以内使用卷尺(精度:1mm)测量,

宽度公差在±0.5mm以内使用菲林尺(精度:0.5mm)测量。

3、机械性能:电池箔所关注的机械性能一般是指抗拉强度和伸长率,理论上抗拉强度越高越好,伸长率越高越好(但是要在5%以内,防止辊压铝箔纵向伸长)。工业纯铝加工硬化的极限是310N/mm2。抗拉强度的提高的同时是对厚度不断减薄的过程。反之电池箔之所以需要提高强度,目的是为减少铝箔厚度,提高能量密度提供条件。目前我公司电池箔抗拉强度在190-280Mpa之间。

4、表面润湿张力:表面润湿张力是电池箔的一项重要指标,通过达因值来描述,达因值是一个力学单位,即dyn,工程学常用于测量粘度和表面张力。一般的用户要求表面润湿张力在30-32dyn,但是有的敏感材料对达因的要求更高,目前,国家标准中对于达因值的检测方法虽然已经有明确的规定,但在实际操作过程中,不同的企业的检测方法不完全相同,因此检测结果往往会有很大差距。我司使用达因液进行测量,达因液根据国标《GBT22638.4-2016铝箔试验方法 第4部分:表面润湿张力的测定》进行配制。优势是测试的棉球是一次性的,试液不会被铝箔表面污染,而达因笔进过反复检测,笔头会有一定程度的污染,所以在此建议达因值使用达因液来测量。

此外达因值还有衰减的情况,随着时间的变化而降低,对于这种变化,目前通过烘烤、电晕等辅助方法来改进,但是并未从根本上解决问题,这也需要们铝加工的技术人员去突破,也是今后主要的攻关项目。

5、端面质量:端面质量一般是指铝箔边部的切削质量,边部不能有V字型缺口,毛刺、铝丝等缺陷。端面铝粉也有相应的控制要求,同时对端面的串层也有严格的要求,串层严重会造成涂布工序报警,影响涂布生产。

6、板形:板形一般电池厂家称为张力,主要是表示铝箔平直度的情况,铝加工行业使用在线的板形仪来控制,原理是通过板形仪感受铝箔横向上的单位面积受力情况,反馈铝箔的松紧程度,通过PLC电信号来回馈在线控制。

电池厂家一般使用离线的板形检测仪检测板形的好坏,原理是使用相应的张力拉平铝箔,检测水平位置和产品边部的下垂量之差,一般称为塌边量。

锂离子电池箔用铝箔的常见缺陷

1、端面毛刺、铝屑:铝箔的在分切的过程中因为刀片与刀槽辊的刀槽壁距离近,影响铝箔分切从而产生毛刺、铝屑。 端面的毛刺、铝屑可能扎穿隔膜,造成电池箔短路,产生严重的安全隐患。

2、板形不良:铝箔的中松、肋松、边松影响锂电池的涂布工序。

3、达因值不良:铝箔与浆料或导电剂无法粘合,造成脱落的情况。

4、异物压入:铝箔表面异物在轧制中被碾压到铝箔中,在冷压工序会造成断带。

5、张力线

当厚度达到0.02mm以下时,在铝箔的纵向形成的平行条纹,俗称张力线。张力线间距在5~20 mm左右,厚度愈小产生张力线的可能性越大,双合轧制产生张力线的可能性较单张要大。生产过程中张力随着卷取(铝箔收卷)直径增加而变化。当张力达到一定值时,铝箔所受的张力会不完全释放,从而产生张力线,这种现象很难消除,只能通过调节张力的方法去控制。

张力线不会对铝箔使用造成影响,在铝箔使用过程中只要使用最小的张力(把铝箔拉平的最小力)就可以使铝箔板形平整,这是铝箔常见的现象也是电池用铝箔常见的现象之一,不会影响产品的后续使用。


锂离子电池用铝箔发展展望

锂离子电池用铝箔的行业分析:2019年国内锂电池企业铝箔需求量

因为电池用铝箔的特殊性及对产品质量极高的要求,所以会对生产工艺、生产设备及检测手段都提出了更高的要求。今后竞争会更加激烈,会建立电池用铝箔专业生产线,整条生产线全部投入电池用铝箔生产,专用轧机、分切机等等。专业化经营,生产出高品质的电池用铝箔,在竞争中逐渐淘汰没有竞争力的厂家。

除此之外,还会衍生出铝箔后续的附加值产品,如在磷酸铁锂的电池上应用的涂碳箔,目前市场上有部分厂家在生产涂碳箔,但是产量较小,未来电池行业的发展会增加涂碳箔这类产品产能。部分铝箔厂家可能选择对这类产品的生产。还有铝箔表面的微处理“盲孔”铝箔,铝箔表面粗糙不均,有利于能量密度的提升等等,这方面的产品逐渐出现在市场上。

锂离子电池用铝箔今后的研发方向

1、铝箔的厚度:锂电用铝箔厚度要求随着近些年锂电迅猛发展,无论是用于数码产品的锂电池还是电动汽车的电池,我们都希望电池的能量密度尽量高,电池的重量越来越轻,而在集流体这块最主要就是降低集流体的厚度和重量,从直观上来减少电池的体积和重量。正极铝箔由前几年的15-20um降低到13um,再到12um,现在已经不少电池生产厂家已经量产使用9-10um的铝箔,未来的开发方向是继续减薄,也许会出现6um的电池箔产品。

2、微合金化、高强度、高延伸:在早期开发电池用铝箔多以纯铝系为主,如1070、1235、1100等合金。今后要提升电池的能量密度,需要铝箔在厚度减薄的同时,要提升其抗拉强度、伸长率。保证生产中稳定。所以开发合金的多元化,高强度,是今后的主要方向。


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