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鋰電池銅箔制造工藝概述,介紹銅箔的制作流程,注意事項(xiàng)以及檢測(cè)項(xiàng)目

發(fā)布時(shí)間:2021-02-05點(diǎn)擊:4471

箔材,做為集流體,是鋰電池除四大主材(正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜)之外,很重要的一個(gè)生產(chǎn)材料。在電池空間一定的情況下,要提高電池的容量,就要增加正負(fù)極活性物質(zhì)的用量,從而正負(fù)極涂層增加,就只能減少隔膜和集流體的厚度。當(dāng)然,并不是越薄越好,太薄的集流體容易斷裂,預(yù)熱收縮快。

今天我們主要說(shuō)說(shuō)這個(gè)負(fù)極集流體--銅箔的制作工藝。學(xué)過(guò)化學(xué)的小伙伴都知道,這里***主要的工藝就是電解。電解銅箔,是由電解液中的銅離子在光滑旋轉(zhuǎn)不銹鋼板(一般用鈦板)圓形陰極滾筒上沉積而成,銅箔緊貼陰極滾筒面的面稱為光面,而另一面稱為毛面。早年間我們用的比較多的是7μm的銅箔,而現(xiàn)在,6μm都已經(jīng)大量量產(chǎn),甚至5μm以下的都已經(jīng)開(kāi)始小試了。而國(guó)內(nèi)一般箔材廠,并不是單獨(dú)生產(chǎn)鋰電材,還有電子箔材,也就是用于計(jì)算機(jī),PCB板等的銅箔。

1.溶銅

顧名思義,首先把原材料買(mǎi)回來(lái),這里的原材料主要是銅線,銅料的表面積越大越好,料之間要有較小的縫隙,以增大反應(yīng)面積,把處理好的含量高達(dá)95%以上的銅線投入到放有硫酸的罐體中,并進(jìn)行加熱,當(dāng)然,這里要加入氧氣,通常壓縮空氣即可,我們叫鼓風(fēng),便于其進(jìn)行氧化化合反應(yīng),促進(jìn)銅的溶解。這里我們主要查看來(lái)料的銅含量,反應(yīng)速度與槽內(nèi)銅料的總表面積有關(guān),表面積越大,反應(yīng)速度加快。其次與風(fēng)量有關(guān),風(fēng)量增加,反應(yīng)速度也加快。

2.過(guò)濾

經(jīng)過(guò)溶銅罐的銅線已經(jīng)溶成硫酸銅液體,當(dāng)然,線里面難免會(huì)有一些雜質(zhì),而我們鋰電池廠對(duì)雜質(zhì)又是深惡痛絕,加之成品檢測(cè)也會(huì)對(duì)雜質(zhì)有要求。所以溶銅結(jié)束后我們會(huì)對(duì)硫酸銅液體進(jìn)行過(guò)濾,過(guò)濾掉里面的雜質(zhì)以及一些大的未溶解物。過(guò)濾分為多級(jí),有初級(jí)過(guò)濾,篩網(wǎng)目數(shù)小,孔徑大,主要攔截其中的大的物質(zhì);有硅藻土過(guò)濾,吸附一些雜質(zhì);還有精密過(guò)濾,篩網(wǎng)目數(shù)大,孔徑小。由之前我們知道,銅線溶于硫酸,故而我們的過(guò)濾篩網(wǎng)材質(zhì),需要選擇耐酸耐腐蝕的材質(zhì),比如樹(shù)脂類,聚酯纖維等。

3.降溫

因?yàn)樵谌茔~時(shí)候的溫度較高,不可能直接把硫酸銅溶液流轉(zhuǎn)到后面,所以需要降溫,此外,也有一些添加劑需要加入,添加劑也是一個(gè)銅箔企業(yè)的核心,特別是添加劑的種類和配比。液體的降溫一般是雙層管道置換熱量,內(nèi)部流轉(zhuǎn)硫酸銅溶液,外層流轉(zhuǎn)冷卻水。

4.生箔鈍化

經(jīng)過(guò)降溫的硫酸液體到了***關(guān)鍵的一步,生箔。所謂生箔,就是電解銅還原成銅的過(guò)程。這里有陰極輥,陽(yáng)極座,電解槽。陰極輥一般是鈦輥,表面比較光滑,粗糙度滿足要求;陽(yáng)極座一般是純銅板;硫酸銅做為電解液。在直流電的作用下,陽(yáng)離子移向陰極,陰離子移向陽(yáng)極。在陰極上Cu2+得到2個(gè)電子還原成Cu,并在陰極輥上結(jié)晶形成生箔。粗銅中雜質(zhì)如比銅活潑的鐵和鋅等會(huì)隨銅一起溶解為離子(Zn和Fe),由于這些離子與銅離子相比不易析出,所以電解時(shí)只要適當(dāng)調(diào)節(jié)電位差即可避免這些離子在陰極上析出。比銅不活潑的雜質(zhì)如金和銀等沉積在電解槽的底部。具體反應(yīng)如下。

1.陽(yáng)極反應(yīng):

Cu — 2e- = Cu2+

Me — 2e-= Me2+

H2O — 2e- = 2H+ + 1/2O2

SO4 2- — 2e- = SO3 + 1/2O2

式中Me代表Fe、Ni、Pb、As、Sb等比Cu更負(fù)電性的金屬,它們從陽(yáng)極上溶解進(jìn)入溶液。H2O和SO4 2-失去電子的反應(yīng)由于其電位比銅正,故在正常情況下不會(huì)發(fā)生。貴金屬的電位更正,不溶解,而進(jìn)入陽(yáng)極泥。

2.陰極反應(yīng):

Cu2+ + 2e = Cu

2H+ + 2e- = H2

Me2+ + 2e- = Me

在這些反應(yīng)中,具有標(biāo)準(zhǔn)電位比銅正、濃度高的金屬離子才可能在陰極上被還原,但它們?cè)陉?yáng)極不溶解,因此只有銅離子還原是陰極反應(yīng)的主要反應(yīng)。

銅離子得電子在陰極還原后,便生成了銅箔,暴露在空氣中的銅箔會(huì)氧化,所以會(huì)在同時(shí)添加鈍化液。一般銅箔用鉻酸鹽(或鋅鹽)溶液進(jìn)行表面鈍化(即防氧化處理),使銅箔表面形成以鉻(或鉻鋅)為主體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的膜層,使銅箔不會(huì)因直接與空氣接觸而氧化變色,同時(shí)也提高了銅箔的耐熱性。這里銅箔的厚度由陰極電流密度和陰極輥的轉(zhuǎn)速所控制。

5.分切

通過(guò)生箔鈍化的箔材,通常是一米多的大卷。根據(jù)各鋰電池工廠的需求,分切成想要的長(zhǎng)度,同時(shí),對(duì)剛才生的箔材進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)表面是否光滑,是否有凹坑,是否有凸起等,對(duì)不合格的箔材進(jìn)行回收處理。

6.檢測(cè)項(xiàng)目

要的檢測(cè)項(xiàng)目有厚度、面密度、拉升強(qiáng)度/延展率、粗糙度、抗氧化、光亮度等。厚度就不說(shuō)了,不管你要5μm,6μm,還是7μm,各有自己的要求,測(cè)試難度也不大,千分尺即可測(cè)試;面密度測(cè)試可選用方形或者圓形的一塊銅箔,稱重,然后計(jì)算即可;抗拉強(qiáng)度/延展率使用拉力機(jī)在正常檢測(cè)環(huán)境下即可檢測(cè),像我們用的比較多的7μm銅箔,抗拉強(qiáng)度一般要達(dá)到400N/平方毫米,延展率4%以上;粗糙度,使用粗糙度測(cè)試儀即可,箔材分為毛面和光面,會(huì)有些差別;浸潤(rùn)性,用達(dá)因筆即可,測(cè)試表面張力、浸潤(rùn)性,達(dá)因筆簡(jiǎn)單***;抗氧化性能則多是進(jìn)行烘烤,然后觀其顏色變化。

總結(jié)上面所述,電解銅箔生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單,主要工序有三道:溶液生箔、表面處理和產(chǎn)品分切。其生產(chǎn)過(guò)程看似簡(jiǎn)單,卻是集電子、機(jī)械、電化學(xué)為一體,并 且是對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求特別嚴(yán)格的一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。所以,電解銅箔行業(yè)并沒(méi)有一套標(biāo)準(zhǔn)通用的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù),各生產(chǎn)商各顯神通,這也是影響國(guó)內(nèi)電解銅箔產(chǎn)能及品質(zhì)提升的一個(gè)重要瓶頸,加之客戶的要求不一,也造成了制造中很多中間產(chǎn)品銅箔的浪費(fèi),一次投入產(chǎn)出比甚至達(dá)不到80%,不得不把這些銅箔二次制造,浪費(fèi)資源。未來(lái),現(xiàn)在各廠家主要路線是朝著超薄和長(zhǎng)收卷方向在進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),相信這個(gè)行業(yè)會(huì)在規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)下,越來(lái)越好。

來(lái)源:Lithiuman江子才公眾號(hào)

 


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