锂电池集流体用铝箔的技术进展及市场前景
Z先生 关世彤
关键词 锂电池 集流体 电池箔 离线板形 润湿张力 异物质
摘要 本文定义了电池铝箔，并就电池箔的用途和功能描述了电池箔的各项技术要求，发展方向。提出了生产电池铝箔对铝加工设备和工艺的改进要求，根据锂电池的市场发展预测了近五年电池箔市场前景。
前言
也许没有那种铝加工产品最近几年会象电池箔这样快速增长以及对铝加工生产技术产生这么大的推动作用。这是与新能源汽车和储能电池的高速发展相对应，新能源汽车每年300%的增长速度带动电池箔300%的增长。市场是最活跃的，市场的发展速度远远把理论甩到了后边。对电池箔的技术要求，标准的研究很少见到，或者说系统的介绍几乎为空白。本文目的在于抛砖引玉，希望能有更多的技术研究人员更深入到这一邻域。
一、电池箔的确切定义
电池箔不是字面上的电池用铝箔，而应该是指锂电池集流体用非改性铝箔，以区别软包铝塑膜用铝箔，极耳及用在其他电池上的铝箔，以及改性后的涂炭箔，电蚀箔等。它一方面是集流体的电极，另一方面又作为锂电正极或负极材料的载体。也就是锂电材料要涂到它上面去。
锂电池结构原理图
正极结构原理图
正极涂布过程
二、集流体用铝箔的技术要求
集流体有铝箔（以下简称电池箔）的基本要求以它的用途和功能为依据。
异物质控制
锂电池的安全性赋予电池箔一个特有的要求是异物质控制，如果没有进行异物质控制就不能做为合格的电池箔。异物质可以是铝粉，磁性物质（铁粉），及其他异物。整个生产环节都要做到防护，减少一切带入异物的可能。
在成品环节要设立检验异物的装置并予以精确计量。异物控制的标准为≤50mg/30万平米。
湿性能与达因值
润湿性能主要看液体接触角。液体接触角就是当一液滴在固体表面上不完全展开时，在气、液、固三相会合点，固-液界面的水平线与气-液界面切线之间的夹角θ，称为接触角，如图1所示。
图1
用接触角来判断液体对固体的润湿：当θ＜90°的情形称为润湿；θ＞90°时称为不润湿；θ=0°或不存在时称为完全润湿；θ=180°时称为完全不润湿。θ=90°是润湿与否的分界线。
由于铝箔表面带油一般不能完全除净，且表面褶皱不平整时对其表面张力会产生很大的影响，直接测量接触角并不现实，所以生产实践中采用的都是达因值来反应润湿能力，达因值越高，润湿性能越优良。
达因值的测量
达因值是一个通俗叫法，准确的说应该是表面张力系数，主要是表述表面张力的大小，即液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。表面张力的单位在SI制中为牛顿/米（N/m），但仍常用达因/厘米（dyn/cm），1dyn/cm = 1mN/m。一般要求成品铝箔的润湿性（达因值）≥32 mN/m。
达因液的配制方法
用甲酰胺及乙二醇乙醚按照YS/T 455.1－2003《铝箔表面润湿张力试验方法》进行配制（见表1），并按照此方法对达因值进行测试。
表面润湿张力/（×10-3N/m）
甲酰胺/mL
乙二醇乙醚/mL
32
10.5
89.5
33
19.0
81.0
34
26.5
73.5
35
35.0
65.0
36
42.5
57.5
37
48.5
51.5
38
54.0
46.0
39
59.0
41.0
40
63.5
36.5
表面润湿张力是电池箔第二重要参数。它会影响与涂层的复合质量，特别是影响涂炭箔的涂层牢固度。通常要达到32dyn/mm以上，甚至要达到34dyn/mm。达因检验方法因不同公司要求不同，结论往往会有很大差距。
一种典型33达因值测试方法
对达因值的判断，有的采用2秒，10秒，20秒，30秒几种，也有采用收缩50%为基准，有用达因笔也有用达因液，定义的条件不同测试的结果就不一样。
另外产品的达因值往往随时间的变化而降低。下图是达因值随时间天变化的示意图
达因值越高衰减越快，前期衰减快7天以后逐渐趋于稳定于一个固定值。
不退火铝箔达因值的提高要通过改进油品，添加剂，以及后续的表面处理如电晕，电离，清洗等。专用油，专用添加剂正在研究。
板形
板形在电池箔行业俗称张力，可以讲这是一种错误的讲法。但行业已认可。在电池行业用两个术语张力和塌边量。虽然这是个完全不科学的叫法，估计也没人能改变。而且已经形成一套自己的标准和测量装置。电池行业就是这样再定义这个新行业各种术语的时候改变了铝加工行业的原有定义。不管你愿不愿意，你只能去重新认识。
张力就是板形，塌边量就是在规定张力，规定长度的下垂量。
典型A公司的测量标准：
料卷宽度mm
测试的单位张力kgf/mm2
下塌量mm
测试有效距离
≤600
0.8
1.00
1m
≥600
0.8
2.00
1m
测试间距为5m，三次以上数据≤2mm，则判定此料卷板型为合格。
典型B公司的标准：
料卷宽度mm
测试的单位张力kgf/mm2
下塌量mm
测试有效距离
≥600
0.8
10.00
2m
测量装置示意图
测量装置实物图
测量结果示意图
离线板形仪的测量结果
轧机在线板形测量结果
从图看，测量结果不仅仅是一个数值，而是一组数据或者是一个图形。需要注意的是这个图形往往与轧机在线板形仪的测量结果不同。轧机在线板形很多时候是伪板形。受到卷的形状，导辊平行，板形仪或导辊种凸，甚至卷的温度分布等影响。
力学性能
力学性能应该说没有定义上的问题。但追求的目标却是突破单零箔以往极限。
抗拉强度
延伸率
普通强度
150-180
≥3%
高强度1
180-210
≥3%
高强度2
210-250
≥3%
高强度3
250-270
≥3%
高强度4
270-310
≥3%
普通强度实际上就是普通单零箔一样。而高强度都是要用特别工艺生产，特别是厚度低于0.015mm，高强度生产非常困难，要在设备，工艺，润滑上做大量工作。
众所周知310N/mm2的强度就是工业纯铝冷作硬化的极限。电池箔要求强度的提高的同时是对厚度不断减薄的过程。从15降到10微米，强度由150提高到250微米，对强度与厚度的要求是反比关系。
高强度目的是为减少铝箔厚度，提高能量密度提供条件。
厚度及厚度公差
电池箔要求厚度越来越薄，16—15—14—13—12—10—9—8微米一路下降，而为了能够保持足够的耐破度，就需要不断地提高强度。
厚度公差控制在±2%以内，目前还没有哪家可以真正满足要求，要想满足电池箔要求需要重新设计或改造厚度控制系统。
切边质量
切边质量是电池箔又一项特殊要求，切边质量的量化指标为无张力情况下，波峰不大于2mm,断面铝粉胶带法检测＜25个/10cm
表面质量
麻点 ＞1㎜的麻点不允许有，暗面不允许有凸点，0.5-1㎜之间的麻点，每平方米小于3个，＜0.5㎜的麻点不允许成片出现 ＞1㎜
暗面不容许有亮点。
黑油线 长度＜5mm的每平方米最多能够接受3条
打底起皱不超过10m,杠印不超过50米。
合金成分
电池箔目前主要有以下合金，不同厂家选用不同。1070，1060，1235，1230，1N30,1100,8011,3003.
三、电池箔的技术难点
厚度越来越薄，希望达到9甚至8微米的双面光，这已是目前可轧的极限厚度，而270甚至300的强度又是冷作硬化的强度极限，高的表面达因值却与高强度轧制相互矛盾，极高的板形要求及厚差都是与高强度超薄轧制相矛盾。也就是说电池箔就是要求最薄的厚度，最高的强度，最高的表面达因值最小的厚差，最优的板形，最洁净的表面。同时追求六个极限值。这就是它的难点所在。
四、电池箔的发趋势
表面涂炭，电蚀等改性处理等后续处理成为趋势。以改善电池性能，减少界面电阻，保护集流体，减少极化，提升电池一致性和寿命等为目的表面处理技术在不断开发。作为锂电池的重要组成部分，需要更多的研究投入。涂炭铝箔是在铝箔表面涂0.5-2g/㎡的炭。
涂炭后的倍率实验结果
涂炭对电池寿命的影响
专用轧机，分切机，二次分切机，专用测试装置，专用润滑剂以及相应的各种技术措施需要去研究，也就是说，不同于以往技术的专业的电池箔生产线需要重新开发。
五、市场前景
电池箔的市场前景实际上就是锂电池的市场前景.模糊估算，1GWH用铝箔在600-800吨左右。那么可以计算出以下结果。（千吨）
2015
2016
2017
2018
2019
2020
中国
28-38
33-45
40-53
47-63．6
57-76
72-96
全球
42-58
56-75
67-89
79-106
95-127
120-160
电池箔需求量（中值）趋势图（千吨）
中国的数据是按2015占全球比例推算的，实际上会大一些，因为中国的增长速度比全球快一些。不过估算不会太准，可以发现下面的几个表就有矛盾。15年动力电池的预计数与实际数几乎差了一倍。不过实际数也不一定准确。现在锂电行业就是雾里看花，连国家统计局也无法统计准确，要不也不会那么多的骗补。预测只是从一个角度分析，仅供参考。不过可以肯定的是每年20-30%的复合增长率是会有的。2015年3万吨的电池箔消耗量基本准确，16年4万吨也不会有大的出入，保守估计每年一万吨的增幅不会有问题。
根据不完全统计，我国在2015年就有121家动力电池厂，2016年第一季度新增9家，预计2016年底将达到150家。
以下两图显示了主要锂电池市场分布。
主要参考文献
1.【深度】对比日韩 细谈动力电池厂的机遇与挑战2016-08-22 第一电动网 安富强
2．铝箔生产中润滑对达因值影响研究 李火青
3．2015年锂电池发展现状及2016年趋势预测（一）2015/11/20中国电池网 墨柯 于清教
4.锂电池市场发展现状及趋势预测：中国电池网
5.锂离子电池正极材料的产业化现状及发展趋势-2016-1-6-长沙锂电材料会议 胡国荣
6.电池铝箔的技术特性 2015-1 2014高工锂电年会 Z先生
7.铝箔生产技术最新进展2013中国有色金属加工行业技术进步产业升级大会论文集 袁静慧等