止於至薄——鋰電鋁箔銅箔的生產_風聞

马氏体-2022-07-12 15:51

2022-07-12

在新能源汽車蓬勃發展的今天，鋰離子動力電池亦成為一個火熱的話題。或許大家關注的焦點集中於直接決定電池容量的正負極材料，但粉末狀的正負極活性材料無法直接使用，必須塗覆到金屬箔（集流體）上製成電極片。

集流體對於電極活性材料而言可謂是“皮之不存毛將焉附”的關係。雖然集流體只佔電池總質量的不到20%，但對集流體的輕薄性的追求是無止境的，從而儘可能多地往電池裏塞進電極活性材料，提高電池的容量。於是，近些年正極鋁箔的厚度向10微米以下發展，負極銅箔的厚度從8微米下降到6微米再到4.5微米乃至更薄。越來越薄的集流體，要做到厚薄均勻、表面質量可控，對金屬箔的生產技術提出越來越高的要求。

鋁的重量輕、成本低、表面可形成一層薄而緻密的保護性氧化膜，被用作正極集流體；但鋰原子容易嵌入金屬鋁的晶格中，造成鋰的大量消耗和鋁箔結構的破壞，因而鋁箔不能被用在負極。負極使用銅箔作為集流體。

鋁箔和上回説的不鏽鋼箔一樣，是通過軋製法生產的。

鋁箔可以從數百毫米厚的大鋁錠出發，經過多道次熱軋和冷軋逐次減薄到厚度僅幾微米的鋁箔。更經濟高效的技術路線是通過鑄軋工藝直接軋製出幾毫米厚的帶坯，再經過多道次冷軋得到成品鋁箔。

所謂鑄軋，就是鑄造與軋製的結合，在鋁水冷卻凝固的同時把它軋成薄的鋁帶。鑄軋機正在向越來越高的鑄軋速度發展，一方面提高生產效率，另一方面大大提高的凝固速度能夠細化鋁材的晶粒、減少偏析、提升合金元素的強化效果。

這是在用火焰往鑄軋輥表面塗上一層炭，起到潤滑作用。

目前國際上主要的鋁鑄軋機生產商有法國普基鋁業公司、意大利法塔亨特公司、英國戴維公司等，我國也有涿神公司（五礦旗下的華北鋁業與日方合資）、洛陽有色金屬加工設計研究院等為國內鋁加工企業提供鑄軋機，並取得了出口成績。

鑄軋帶坯經冷軋進一步減薄到零點幾毫米（上圖為來自世界冶金裝備巨頭——德國西馬克公司的冷軋機）。

冷軋會導致金屬發生加工硬化，不利於後續加工，因此在冷軋之後要進行退火，使鋁材軟化，併除去鋁材表面的軋製油。退火温度一般在兩三百度（動圖為鋁箔進出退火爐）。

接下來，用鋁箔軋機軋製出最終的成品鋁箔（即箔軋）。世界上排名第一的鋁箔軋機品牌是德國阿申巴赫公司，目前亦有不少國內企業進入這一領域。

對於較厚的鋁箔（比如10微米以上），可以直接軋製成型，但薄的鋁箔需要兩層疊起來才能軋製，疊合的過程被稱作合卷。

軋製完成後，再分卷，即把疊加的兩層鋁箔上下分開，分別收卷。這樣軋出來的鋁箔，只有一面與軋輥接觸而變得光潔，疊加的一面較為粗糙，被稱為單面光鋁箔，與單層軋製、兩面都與軋輥接觸的雙面光鋁箔相對應。

以上大部分視頻素材反映的是中國鋁業旗下雲南鋁業的子公司雲鋁浩鑫（前身為中美合資的新美鋁鋁業公司，後來外資退出，演變為雲鋁的全資子公司），是我國頂級的超薄鋁箔生產企業，能夠生產全球最薄的4.5微米鋁箔，用於生產電解電容器，受到國內外電子電氣行業巨頭的青睞，佔據國內70%的市場份額。

在鋰電池中，考慮到電極片的抗破損性，暫時用不到這麼薄的鋁箔（目前所用的最薄鋁箔為8微米），更薄、更高強度的鋰電池正極鋁合金箔是電池行業追求的方向。在鋰電鋁箔市場上，雲鋁浩鑫也佔有較大的份額。

與從厚變薄的鋁箔不同，鋰電銅箔的生產過程是從薄到厚，採用電解法生產，即電解硫酸銅溶液，沉積出銅箔：CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4+ O2。

電解的陰極是一個大滾筒，硫酸銅溶液中的銅離子在其上還原析出；與之相對的是電解槽中的弧形陽極板（產生氧氣）。為了抵禦腐蝕，電極由鈦製成。

陰極輥不斷旋轉，其上沉積的銅箔達到所需的厚度後就離開電解液，被剝離下來，隨後經過表面防腐蝕處理，收成銅箔卷。

按照客户所需的幅寬進行裁剪，就可以得到成品銅箔卷。這樣的生產流程比從厚銅板一步一步軋製要快捷得多，適用於生產超薄銅箔。但要做到銅箔沉積得薄而均勻也並非易事。

生產電解銅箔的關鍵在於銅箔設備，而其中的核心在於鈦陰極輥。

幾年前，日本產品壟斷了我國的鋰電銅箔陰極輥市場。打破日本壟斷地位的是一家航天企業——航天科技集團四院西安航天動力機械有限公司（7414廠）。航天科技四院是我國的固體火箭發動機研製單位之一，而7414廠是重要的航天結構件研製生產單位。作為軍轉民產品的鈦陰極輥，用到的是生產火箭發動機的旋壓技術和焊接技術。2016年，國內首台2.7米大直徑鈦陰極輥順利交付，依託航天旋壓技術生產出的無縫鈦輥筒要優於國外的有縫焊接鈦輥筒，而特種焊接技術被用於各種鈦制部件的焊接，目前其大直徑陰極輥佔國內市場份額的60%以上。西安另一家從事軍轉民的航天企業——西安航天源動力工程有限公司（隸屬於西安航天動力研究所，即航天科技六院十一所——我國的大推力液體火箭發動機研製單位）則是重要的銅箔設備生產商，基於液體火箭發動機燃料噴注技術的研發經驗，將先進的流體控制技術應用於銅箔設備，大大提高了銅箔生產效率。

目前冷軋法生產的銅箔（被稱為壓延銅箔）也能做到幾微米厚度，但成本明顯高於電解銅箔，因此鋰電池行業所用的超薄銅箔都是電解銅箔。壓延銅箔由於結構緻密、強度更高，被用於柔性電路板等高端電子製造中。

去年，我國新能源汽車產銷量和動力電池產量均佔世界50%以上。正極材料、負極材料、電解液和隔膜，這四大鋰電池關鍵材料的國產化率都已經超過90%（生產鋰電池隔膜的專用聚烯烴原料仍然需要大量進口）。在不太受關注的銅箔、鋁箔集流體領域，我國企業也佔據了過半的全球市場份額。完整而自主的鋰電池產業支撐着我國新能源汽車行業的快速發展，而通過材料的優化提供越來越好的電池，是我國電池材料行業的不懈追求。

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