止于至薄——锂电铝箔铜箔的生产_风闻

马氏体-2022-07-12 15:51

2022-07-12

在新能源汽车蓬勃发展的今天，锂离子动力电池亦成为一个火热的话题。或许大家关注的焦点集中于直接决定电池容量的正负极材料，但粉末状的正负极活性材料无法直接使用，必须涂覆到金属箔（集流体）上制成电极片。

集流体对于电极活性材料而言可谓是“皮之不存毛将焉附”的关系。虽然集流体只占电池总质量的不到20%，但对集流体的轻薄性的追求是无止境的，从而尽可能多地往电池里塞进电极活性材料，提高电池的容量。于是，近些年正极铝箔的厚度向10微米以下发展，负极铜箔的厚度从8微米下降到6微米再到4.5微米乃至更薄。越来越薄的集流体，要做到厚薄均匀、表面质量可控，对金属箔的生产技术提出越来越高的要求。

铝的重量轻、成本低、表面可形成一层薄而致密的保护性氧化膜，被用作正极集流体；但锂原子容易嵌入金属铝的晶格中，造成锂的大量消耗和铝箔结构的破坏，因而铝箔不能被用在负极。负极使用铜箔作为集流体。

铝箔和上回说的不锈钢箔一样，是通过轧制法生产的。

铝箔可以从数百毫米厚的大铝锭出发，经过多道次热轧和冷轧逐次减薄到厚度仅几微米的铝箔。更经济高效的技术路线是通过铸轧工艺直接轧制出几毫米厚的带坯，再经过多道次冷轧得到成品铝箔。

所谓铸轧，就是铸造与轧制的结合，在铝水冷却凝固的同时把它轧成薄的铝带。铸轧机正在向越来越高的铸轧速度发展，一方面提高生产效率，另一方面大大提高的凝固速度能够细化铝材的晶粒、减少偏析、提升合金元素的强化效果。

这是在用火焰往铸轧辊表面涂上一层炭，起到润滑作用。

目前国际上主要的铝铸轧机生产商有法国普基铝业公司、意大利法塔亨特公司、英国戴维公司等，我国也有涿神公司（五矿旗下的华北铝业与日方合资）、洛阳有色金属加工设计研究院等为国内铝加工企业提供铸轧机，并取得了出口成绩。

铸轧带坯经冷轧进一步减薄到零点几毫米（上图为来自世界冶金装备巨头——德国西马克公司的冷轧机）。

冷轧会导致金属发生加工硬化，不利于后续加工，因此在冷轧之后要进行退火，使铝材软化，并除去铝材表面的轧制油。退火温度一般在两三百度（动图为铝箔进出退火炉）。

接下来，用铝箔轧机轧制出最终的成品铝箔（即箔轧）。世界上排名第一的铝箔轧机品牌是德国阿申巴赫公司，目前亦有不少国内企业进入这一领域。

对于较厚的铝箔（比如10微米以上），可以直接轧制成型，但薄的铝箔需要两层叠起来才能轧制，叠合的过程被称作合卷。

轧制完成后，再分卷，即把叠加的两层铝箔上下分开，分别收卷。这样轧出来的铝箔，只有一面与轧辊接触而变得光洁，叠加的一面较为粗糙，被称为单面光铝箔，与单层轧制、两面都与轧辊接触的双面光铝箔相对应。

以上大部分视频素材反映的是中国铝业旗下云南铝业的子公司云铝浩鑫（前身为中美合资的新美铝铝业公司，后来外资退出，演变为云铝的全资子公司），是我国顶级的超薄铝箔生产企业，能够生产全球最薄的4.5微米铝箔，用于生产电解电容器，受到国内外电子电气行业巨头的青睐，占据国内70%的市场份额。

在锂电池中，考虑到电极片的抗破损性，暂时用不到这么薄的铝箔（目前所用的最薄铝箔为8微米），更薄、更高强度的锂电池正极铝合金箔是电池行业追求的方向。在锂电铝箔市场上，云铝浩鑫也占有较大的份额。

与从厚变薄的铝箔不同，锂电铜箔的生产过程是从薄到厚，采用电解法生产，即电解硫酸铜溶液，沉积出铜箔：CuSO4 + H2O → Cu + H2SO4+ O2。

电解的阴极是一个大滚筒，硫酸铜溶液中的铜离子在其上还原析出；与之相对的是电解槽中的弧形阳极板（产生氧气）。为了抵御腐蚀，电极由钛制成。

阴极辊不断旋转，其上沉积的铜箔达到所需的厚度后就离开电解液，被剥离下来，随后经过表面防腐蚀处理，收成铜箔卷。

按照客户所需的幅宽进行裁剪，就可以得到成品铜箔卷。这样的生产流程比从厚铜板一步一步轧制要快捷得多，适用于生产超薄铜箔。但要做到铜箔沉积得薄而均匀也并非易事。

生产电解铜箔的关键在于铜箔设备，而其中的核心在于钛阴极辊。

几年前，日本产品垄断了我国的锂电铜箔阴极辊市场。打破日本垄断地位的是一家航天企业——航天科技集团四院西安航天动力机械有限公司（7414厂）。航天科技四院是我国的固体火箭发动机研制单位之一，而7414厂是重要的航天结构件研制生产单位。作为军转民产品的钛阴极辊，用到的是生产火箭发动机的旋压技术和焊接技术。2016年，国内首台2.7米大直径钛阴极辊顺利交付，依托航天旋压技术生产出的无缝钛辊筒要优于国外的有缝焊接钛辊筒，而特种焊接技术被用于各种钛制部件的焊接，目前其大直径阴极辊占国内市场份额的60%以上。西安另一家从事军转民的航天企业——西安航天源动力工程有限公司（隶属于西安航天动力研究所，即航天科技六院十一所——我国的大推力液体火箭发动机研制单位）则是重要的铜箔设备生产商，基于液体火箭发动机燃料喷注技术的研发经验，将先进的流体控制技术应用于铜箔设备，大大提高了铜箔生产效率。

目前冷轧法生产的铜箔（被称为压延铜箔）也能做到几微米厚度，但成本明显高于电解铜箔，因此锂电池行业所用的超薄铜箔都是电解铜箔。压延铜箔由于结构致密、强度更高，被用于柔性电路板等高端电子制造中。

去年，我国新能源汽车产销量和动力电池产量均占世界50%以上。正极材料、负极材料、电解液和隔膜，这四大锂电池关键材料的国产化率都已经超过90%（生产锂电池隔膜的专用聚烯烃原料仍然需要大量进口）。在不太受关注的铜箔、铝箔集流体领域，我国企业也占据了过半的全球市场份额。完整而自主的锂电池产业支撑着我国新能源汽车行业的快速发展，而通过材料的优化提供越来越好的电池，是我国电池材料行业的不懈追求。

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