關(guān)于電池銅箔,主要是從銅箔未來的發(fā)展方向,生產(chǎn)工藝等進行詳細講解
發(fā)布時間:2021-08-30點擊:1798
在鋰離子電池中,正負極活性材料通過涂布到基材上,做成極片,之后通過卷繞或者疊片的方式組成電芯。這里面所用到的基材主要有銅箔和鋁箔,目前的鋰電池正極為鋁箔,負極為銅箔,這是因為在電位較高的正極,銅容易被氧化,同時鋁箔的表面有一層致密的氧化層,在高電位下對內(nèi)部的鋁具有保護作用。本文主要聊聊負極常用的銅箔。
銅具有較高的機械強度和優(yōu)異的導電性能,在地殼中的含量約為0.01%,在自然界中多以銅礦石的形式存在。銅箔根據(jù)其制造方式的不同,可以分為電解銅和壓延銅,壓延銅的延展性很好,生產(chǎn)具有較高的技術(shù)難度,其制備所需工序較多,成本較高,國內(nèi)較少企業(yè)采用此法來生產(chǎn),國際上做的較好的公司有美國的Olin brass, 日本日礦等公司。
目前電芯廠所用的銅箔多為電解法生產(chǎn)。1922年,Edison發(fā)明了連續(xù)電解銅箔的方法,并申請***,利用不斷旋轉(zhuǎn)浸沒在硫酸銅電解液中的金屬輥作為陰極,不溶性金屬作為陽極,此法的誕生標志著電解銅產(chǎn)業(yè)的起步。1937年,美國的Anaconde銅廠將Edison的***用于生產(chǎn)實踐,成功生產(chǎn)出電解銅箔??v觀電解銅箔的發(fā)展史,可以發(fā)現(xiàn)其始終跟隨著印刷電路板的趨勢,隨著鋰離子電池在消費電子產(chǎn)品的大規(guī)模應用,電解銅箔被帶入了一個嶄新的領(lǐng)域,作為負極的集流體,其良好的導電性,耐碾壓和低成本的特性,使其被迅速大規(guī)模的推廣應用?,F(xiàn)在隨著新能源汽車,5G和儲能的大規(guī)模推廣應用,電解銅箔的需求量呈現(xiàn)出一個新的爆發(fā)。
電芯的設(shè)計者為了在保證安全,循環(huán)等性能的前提下,要盡可能多的提升電芯的體積能量密度,在有限的電芯殼子中,裝入更多的活性材料,我想作為負極的集流體銅箔,未來可能會朝著以下幾個方向發(fā)展:
1 極薄銅箔:這個趨勢現(xiàn)在已經(jīng)很明顯,從8um降低到6um,再到現(xiàn)在部分廠家小批量在導入的4.5um,也許未來還有4um以下的銅箔推向量產(chǎn)。這個作用也很明顯,就是盡可能的提升電芯的體積和質(zhì)量能量密度,但這對銅箔的制造和電芯的涂布控制,都提出了更高的要求,畢竟越薄的銅箔,其在涂布過程斷帶的風險也越高。
2 打孔銅箔:即通過化學腐蝕的方法,在銅箔的表面造出微孔,降低基材的重量,提升電芯的質(zhì)量能量密度,需要對孔徑的控制,刻蝕劑的種類進行優(yōu)化,一是要防止孔徑過大,單面涂布漿料難以保持,二是要評估殘留刻蝕劑對電芯性能的影響,如循環(huán),產(chǎn)氣等。
3 噴涂銅箔:這相當于在塑料基材上,雙面鍍銅,這樣在既保留了集流體電子導電這塊的功能,同時也降低了基材的重量,提升電芯的質(zhì)量能量密度,但在制造過程中,可能會面臨冷壓,極耳焊接等工序的工藝的挑戰(zhàn)。
隨著新能源汽車滲透率的不斷提升,現(xiàn)有銅箔的產(chǎn)能也愈發(fā)不足,供需存在一定的缺口,預計未來銅箔行業(yè)會逐步的擴產(chǎn),來滿足動力電芯的市場需求。
電解銅箔的制備主要分為溶銅,生箔和表面處理三步。溶銅過程即在溶銅槽中,將銅料和硫酸混合,反應生成硫酸銅溶液,化學反應式如下:
Cu+O2→CuO
CuO+H2SO4→CuSO4+H2O
溶銅工序需要注意管控環(huán)境中的粉塵,原料液中的異物,防止后續(xù)沾在銅箔表面,產(chǎn)生凹凸點,這種情況可能會在涂布時候,掛到模頭,產(chǎn)生斷帶。所以在此步驟要增加過濾工序,徹底將溶液中的雜質(zhì)過濾掉。
將溶解銅工序得到的CuSO4溶液作為電解液,利用大直徑的鈦輥作為陰極,弧形的鉛合金板作為陽極,控制電化學工藝參數(shù),溶液中的銅離子就會在陰極析出,形成連續(xù)的銅層。通過陰極輥的連續(xù)轉(zhuǎn)動,沉積的銅箔會不斷的剝離成卷,得到生箔,示意如下圖:
銅箔有毛面和光面之分,同陰極輥接觸的光面,而與電解液直接接觸的是毛面,其SEM圖如下:
由于銅容易發(fā)生氧化,得到生箔后,還需要進行粗化,鍍阻擋層和抗氧化層,以便于存儲運輸。具體的過程示意圖如下:
由于不同廠家電芯的型號,生產(chǎn)工藝的差異,如卷繞,疊片等差異,對于基材銅鋁箔來說,一個寬度很難為不同廠家所通用,所以需要在分切工序,分切成企業(yè)所需要的特定寬度。
來源:電池方舟