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锂离子电池铝箔的新进展

2021-11-16 08:37:56 来源: 中国有色金属报

  在2016年-2035年的二十年间,我国和全汽车用锂离子电池用铝箔的复合增长率可达到15%或甚至更高一些,自1888年铝的工业化生产以来,从来没有一种产品以如此高的增长率连续这么长时间高速增长。本文介绍了有关电子/电池铝箔的基本概念,还较详细地介绍了近几年来我国已建成和在建的电子/电池箔企业的概况。根据笔者查阅的数据,截至2021年,全国电子/电池铝箔有规模的生产企业超过200家,总生产能力约每年150万吨。我国电池箔的产量可以满足汽车电池的发展对铝箔的需求。笔者建议,为了提高锂离子电池的各项性能特别是性能,宜加强新电池研发。

  铝箔是指厚度≤0.2mm的铝及铝合金的薄带材,在其他一些国家有不同的规定(表1)。

锂离子电池铝箔的新进展

  铝箔一般按厚度、状态和用途的不同进行分类。

  按厚度分:凡大于0.012mm的铝箔称为单张箔,小于等于0.012mm的称双张箔;也有把厚度在小数点后带一个0的称为单零箔,在小数点后带两个0的称为双零箔,如0.005mm箔可称为双零5箔。

  按状态可分为全硬箔、软状态箔、半硬箔、3/4硬箔、1/4硬箔。全硬箔是指轧制(退火带卷并经>75%冷轧)后未经退火的箔,如器皿箔、装饰箔、药箔等;软状态箔是指冷轧后经退火的箔,如食品、香烟等复合包装材料及电器箔等;凡铝箔抗拉强度介于全硬箔和软状箔之间的称半硬箔,如空调箔、瓶盖箔等;凡其抗拉强度介于全硬箔和半硬箔之间的为3/4硬箔,如空调箔、铝塑管用箔等;铝箔的抗拉强度介于软状态箔和半硬箔之间的称为1/4硬箔。

  按表面状态可分为单面光箔和双面光箔。铝箔轧制分单张轧制和双合轧制,单张轧制时,箔的两面都与辊面接触,两面都有亮丽的金属光泽,被称为双面光箔。双合轧制时每张箔只有一面与轧辊接触,与轧辊接触那面光亮,铝箔之间相互接触的那两面发暗,这种箔称为单面光箔。双面光铝箔的小厚度主要取决于工作辊直径大小,通常不小于0.01mm,单面光箔的厚度通常不大于0.03mm,目前的小厚度可达0.004mm。

  铝箔按用途可分为包装箔、药箔、日用品箔、电池箔、电器电子箔、建筑箔等。

  铝箔的用途见表2。

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  电池箔与电器箔

  电池箔是用于制造电池工件的铝箔,而电器箔是用于制造其它电器种种工件的铝箔,它们又可以统称电子箔。电池箔是一类高技术产品,在今后几年内,其年复合增长率可达15%以上。电缆箔及电池箔的力学性能见表3及表4。2019年-2022年是中国电池箔企业大发展时期,已投产及在建的企业有约200家,总生产能力约150万吨。

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锂离子电池铝箔的新进展

  电解电容器铝箔其实是一种深加工产品。它是一种在极性条件下工作的腐蚀材料,对箔的组织有较高的要求,所用铝箔有3种:厚0.015-0.06mm的阴极箔,厚0.065-0.1mm的高压阳极箔,厚0.06-0.1mm的低压阳极箔。阳极箔用的是工业高纯铝,质量分数应大于等于99.93%,而高压阳极用的铝的纯度宜大于等于4N。工业高纯铝的主要杂质为Fe、Si、Cu,还有作为微量元素的Mg、Zn、Mn、Ni、Ti也宜作为杂质看待。中国标准仅对Fe、Si、Cu的含量作了规定,对其它元素含量没有明确规定,国外电池铝箔的杂质含量明显低于国内。

  按GB/T8005.1,厚度不小于0.001mm且小于0.01mm的铝箔称为双零箔,常用的合金有1145、1235、1350等,用得较多的为1235,其Fe/Si比值为2.5-4.0。厚度不小于0.01mm且小于0.10mm.的铝箔称为单零箔,电容器多用1235-H18(厚0.020-0.050mm);手机电池用的为1145-H18、8011-H18,厚0.013-0.018mm;电缆箔用的为1235-O,厚0.010-0.070mm。厚度0.10-0.20mm的箔称为无零箔,主要品种为装饰箔、空调箔、电缆箔、酒瓶盖箔、百叶窗箔。

  2020年中国铝箔产业概览

  按中国有色金属加工工业协会与北京安泰科信息股份有限公司的联合统计,2020年中国铝材产量达4210万吨,铝箔带坯72万吨,铝箔产量415万吨,成材率88%,居前列,带坯产量比上年度上升3.7%。铝箔分品种产量见表5,由表中数据可见,除空调箔比上年度下降外,其它均有所上升,特别是电池箔的上升幅度大,为16.7%,主要受汽车电池上升的拉动。2020年中国进口铝箔7.2万吨,比2019年的进口量增长4.8%,2020年出口铝箔123.3万吨,同比下降4.8%。

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  2020年,中国铝箔行业申请专利1660件,其中发明专利500件,实用新型专利1121件,外观设计专利39件。

  据统计,2020年箔带轧制线超过500条,生产能力超过550万吨/年。截至2020年,中国进口的德国阿申巴赫箔轧机60-70台。

  铝箔在中国以工业应用居,占比超过60%,而工业发达国家铝箔在包装和家用领域的应用占比大于60%。中国人均铝箔包装消费量2020年为0.72kg,与欧洲、北美的约1.2kg,日本的约0.9kg相比有较大差距,铝箔在国内包装领域应用仍具有的增长空间。国家于2020年颁布了禁塑令,并设定2023年为时间节点。另外绿色清费理念深入人心,铝箔包装将大有可为。

  锂电池铝箔

  锂电池是由正极集流体(集电器电极)、盒、封口板、负极板等组成。对相应材料要求是:集电器箔不但应有高的强度与电导率,而且应平平坦坦;盒材应有高的强度与成形性,还应有良好的耐膨胀性;封口材宜有良好的成形性与激光焊接性;层压包装铝材应有高的强度与成形性;母线材有高的强度与电导率,以及良好的折弯加工性。

  我们通常说的电池铝箔是指锂离子电池正极箔,这实际上是不够确切的,好把这种厚约0.1mm的非改性正极箔称为集流体铝箔,以区别于锂(离子)电池用的其它铝箔,如电池软包用铝-塑膜中的箔、极耳箔、改性后涂炭箔等。集流体铝箔一方面是集流体电极,另一方面又是锂电池正极或负极材料的载体,也就是锂电材料要涂布其上。实际上可把集流体铝箔简称电池箔。

  正极结构

  正极由正极集流体(极耳)、高温胶带、正极基体和正极物质组成。极耳为约0.1mm的1070、1060、1235、1230、1100、8011、1N30、3003等合金箔。其中用得多的为1235、1070、1100、3003合金,因为它们有高的强度。正极基体为约0.016mm厚的箔。

  外壳及封口材料

  外壳是用薄铝板加工的,要求有高的成形性与强度,而且应有的耐压性,可抑制因反复充电、放电而导致的壳体膨胀,3种外壳板材的性能见表6。

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  封口是用激光焊接的,因此应有的可激光焊性能,同时在加工防暴阀阶段不会发生较大的加工硬化,有良好的成形性。封口材的性能见表7。

  电池箔

  锂离子电池用铝箔有两种:平箔,拥有高的强度、高的电导率与平平坦坦;表面改性箔。日本联合铝业公司研发的平箔有7种:A85、C2F、高强度C2F、FS115、MS812、X383、503S,其中A85、C2F、503S是通用工业箔,可应用于民用各个领域,C2F、MS812、X383合金有高的强度与电导率,F5115合金在涂漆烘烤后有高延展性;表面改性箔(ASP,Advanced Surface Profile)有高的强度、高的电导率与表面粗糙化,由于表面粗糙化,活性物质附着性大有提高,同时可以减少粘接剂用量,电池特性也得以改善,采用新的粗化工艺,比传统工艺的生产成本有所下降。平箔合金的性能见表8。

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  铝母线合金

  锂电池的导电母线原来是Cu的,改用铝后不但大幅度实现了轻量化,而且成本下降了较多;EC1合金的电导率与纯铝1050-O的等同,而其强度则比它大50%;EC2合金的电导率只有铜的57%,如果母线板厚增加到Cu的1.8倍,则传导的电流可与铜的相等。铝母线板的力学性能见表9。

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  电池箔的技术特性

  现在我们通常所说的电池箔是指锂电池集流体用的非改性铝箔,也就是说应与电池上用的其它箔区分开来。它一方面是集流体的电极,另一方面又作为锂电池正极或负极材料的载体,也就是锂电材料要涂覆于其上,因此更准确的定义,应是锂电池集流体用铝箔。

  集流体铝箔应具备的性能

  集流体铝箔因其使用条件特殊,对其各项技术指标有着非常严格的要求,是铝箔家族中的,一些具体要求如下:

  异物质:锂电池在使用中具有很高的性,因此应严格控制表面异物(杂质),如果没有进行异物控制就不能作为合格的电池箔,异物可以是铝粉,可以是磁性物质(铁粉),及其它物质。整个生产环节都要做到防护,减少带入异物的可能。在成品环节要设立检验异物的装置并计量。异物应≤50mg/30万m2。

  润湿性: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展开时,在气、液、固三相会合点,以接触角θ判断液体对固体的润湿(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):当θ<900时称为润湿:θ>90*时为不润湿:θ=00或不存在时称为润湿;θ=1800时为不润湿。θ=900是润湿与否的分界线。

  由于铝箔表面带油一般不能除净,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映润湿能力,达因值越高,润湿性能越。但目前有些客户,特别是日本等地的客户,仍然采用接触角的方法来测量铝箔表面的润湿性。为与客户的检测方法相一致,目前国内也有少量的生产商采用接触角的方法,但这种方法受因素及测量仪器和测量方法的影响较大,所取得的测量数据只能是参考值,目前绝大部分厂家采用的是表面达因值测量法。

  达因值是一个通俗叫法,准确地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≥32mN/m。

  表面润湿张力是电池箔为重要的技术指标之一,它影响涂层的粘合质量,特别是影响涂炭箔的涂层牢固度,达因值偏低时,铝箔与粘合材料粘接不牢、漏涂等缺陷。铝箔表面达因值要>32dyn/mm,有些要求高的涂碳产品,甚至要达到34dyn/mm。

  目前,国家标准对于达因值的检测方法虽然有明确规定,但在实际操作过程中,不同的公司和企业,其检测方法也不相同,因此检测结果住往会有很大差距,随着电池箔市场的迅速发展,进一步规范和统一达因值检测方法及判定标准就显得特别重要。

  板形:板形是有色金属行业术语,但在电池箔行业,则称为张力,这种叫法的差异,主要是由于行业的不同。但无论是板形,还是张力,其所表达的是一个含义,就是产品的平直度。在电池行业用两个术语:张力和塌边量来表示产品板形质量。虽然这是个不科学的叫法,但由于在电池行业内已经被普遍认同,所以这种叫法是不会改变的,对于板形,电池行业已经形成一套自己的标准和测量装置,所以电池这个行业在定义术语的时候,改变了铝加工行业的原有定义。

  简而言之,张力就是板形,塌边量就是在规定张力,规定长度下产品边部的下垂量。

  板形质量对于电池箔来说,是一个关键的技术指标,今后,随着行业的发展及对电池产品精度的不断提高,用户对于铝箔产品板形的要求会越来越高,如何通过工艺优化和技术创新来不断提高产品的板形质量,是摆在铝箔产业面前的一个重要课题。

  力学性能:不同等级电池箔对力学性能的要求见表10。

锂离子电池铝箔的新进展

  普通强度电池箔就是常用的单零箔,除了合金外,没有别的要求,而高强度电池箔则是用工艺生产的,特别是厚度<0.015mm的生产难度大,需在设备、工艺和润滑方面作较大改进。310MPa的抗拉强度就是H状态工业纯铝的强度值。电池箔抗拉强度的提高与其厚度呈反比,也就是越薄强度越高。例如,原0.02mm箔的抗拉强度≥170MPa,而厚0.013mm箔的可≥190MPa。用户之所以要求提高强度是为了减小厚度,以提高能量密度。

  中国生产的电池箔的抗拉强度已普遍≥160MPa,但是要达到200MPa以上,就有的难度,不过也有不少公司能商业化生产≥200MPa的电池箔,也有一些公司可以生产≥280MPa的。

  厚度:电池箔的厚度已从新世纪初的20μm下降到2020年的6μm,一路下降(20-16-15-13-10-9-8-6)μm。但是,为了能够保持的耐破度,不断地提高抗拉强度。不少电池制造公司要求箔的厚度偏差≤2%,用装有普遍AGC厚度控制系统的箔轧机不易满足这种要求,需要更加的AGC,好在ABB公司等已开发这类厚度控制系统,可以生产高厚差的电池箔。

  切边质量:在铝箔生产中,电池箔是一类精深加工产品,对其切边质量有着严格要求。不允许有裂边、毛刺等缺陷,此外,相对于普通箔而言,电池铝箔对切边质量还有其特殊要求:在无张力时,边部波峰不得>2mm,断面铝粉胶带法检测<25个/10cm。

  表面质量:对于表面质量,电池箔也有严格要求。表面不允许有>1mm麻点,暗面不允许有0.5mm~1mm凸点的麻点,应少于3个/m2,<0.5mm的麻点不允许成片出现。另外,对于单面光产品,暗面不允许有亮点缺陷。长度<5mm的黑油线应少于3条。其它表面质量缺陷:打底起皱长度≤10m,杠印<50m。

  合金:当前电池箔用的合金主要为:1070、1060、1235、1230、1100、8011、3003、1N30等,几乎涵盖了铝箔用的所有合金品种,但用得多的是1235、1060、1070工业纯铝,1100、3003合金主要用于生产强度电池箔。

  关键技术与市场

  关键技术

  电池铝箔是铝箔的深加工产品,所以生产难度比普通铝箔的大得多,关键技术也多。一是厚度要求严,在产品名义厚度上,越来越薄,希望达到9μm甚至8μm的双面光,这已经超过了目前铝箔产品单张轧制的小可轧极限厚度。而且厚度精度要求±2%,这种厚度精度的要求是目前所有铝箔产品中高的。不过,对中国来说,生产这么薄的铝箔并非难事,有些公司早就能生产4μm的箔。

  日前一般的电池箔产品,普遍要求强度≥180MPa,这已经相当于8系合金的性能。随着电池技术的不断发展,出于各方面的考虑,很多用户都在不断提高电池箔产品的强度要求,目前200MPa以上强度的要求已经很普遍,有些用户甚至要求强度达到270MPa甚至300MPa以上,这已经达到了铝箔产品冷硬化的强度极限,其生产难度。

  为满足涂布过程及涂碳过程的需要,电池箔对表面达因值的要求较高,但是高的表面达因值控制,却与高强度相互矛盾,的板形要求及厚差都与高强度超薄轧制相矛盾,也就是说电池箔就是要求薄的厚度,高的强度、高的表面达因值、小的厚差、优的板形、洁净的表面,同时要追求这六个极限值。

  发展趋热

  目前很大一部分电池箔产品没有涂碳与电蚀。但为了改善电池性能,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,对电池箔进行表面改性处理将逐渐成为一种趋势。目前,电池箔表面的处理技术仍然在持续不断开发、进步。涂碳是在铝箔表面涂0.5g/m2~2g/m2的碳。涂碳处理后,对提高电池的倍率性能、延长电池使用寿命等都有益。

  市场前景

  电池箔的市场前景实际上就是锂电池市场和新研发电池的前景,据匡算,1GWh的铝箔用量600t~800t。为了保护环境与实现“双碳”目标,至少在2035年以前,电池箔的复合年增长率有可能达到18%或更大一些。2015年中国电池箔的产量约3万吨,2020年的产量达8万吨,2025年产量有可能达到30万吨。笔者的预测很可能过于保守。不管怎样,中国铝箔产业有足够的生产能力满足电池产业对铝箔的需求,仅据笔者对38个电池/电子铝箔生产企业的调查统计,他们总生产能力约为100万吨/年,加上其他未统计到的,2021年全国电池/电子铝箔总产能可达130万吨/年,其中电池箔的为60万吨/年。

  电池箔市场

  由于全球新能源车辆的高速发展,对锂电池的需求旺盛,拉动电池铝箔需求的快速上升,在2010年~2030年期间,没有哪种铝产品的产量增长速度可与电池铝箔试比高。根据樊玉庆的资料(《上海铝业》2016年第6期p.16-27:锂电池集流体用铝箔的技术进展及市场前景)(有关数据见表11及图1),2015年-2025年,锂电池铝箔产量的复合增长率可能达25%,如以2015年的产量3万吨为基数,那么2025年的产量可能突破28万吨,这是非常惊人的数字。1GWh锂电池的铝箔约750吨。中国是锂(离子)电池生产大国,2017年中国锂电池箔的消费量4.5万吨,约占全总消费量的58%。

锂离子电池铝箔的新进展

锂离子电池铝箔的新进展

  2017年中国动力电池生产厂家有近160家,生产锂电池箔的也有七八十家。电池箔是一种高技术产品,而且对其品质要求越来越高,中国普通级箔(抗拉强度Rm=150N/mm2~180N/mm2)方面没有问题,但在生产高强度、高精厚度偏差、高表面品质方面还与发达国家有相当大的差距。

  电池铝箔与电子铝箔企业一览

  截至2020年,我国在产与在建的可生产电池铝箔与电子铝箔的企业(公司、厂)及项目约有45个。2020年以前我国是这两种铝箔的净进口国,主要从日本进口,约占85%以上。日本是这类铝箔生产技术的者。随着新建项目的投产与逐步达产,从今年起,我国电池铝箔的进口量会逐年大幅度下降,到2023年有望成为净出口者。其主要生产企业如下:

  东阳光科技控股有限公司和东阳光优艾希杰精箔有限公司铝箔产能12万吨/年

  东阳光科技控股有限公司是我国重要的电子光箔、钎焊箔生产企业,是上生产规模大的和技术的腐蚀化成箔生产基地,也是我国重要的亲水箔生产基地,建有从铝合金熔铸、热轧和铸轧、冷轧到箔轧的完整产业链。乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司是东阳光科技控股有限公司与日本联合铝业公司(UACJ,优艾希杰)的合资企业。日本联合铝业公司是日本大的铝加工企业,也是电池铝箔技术与生产的者。合资公司组建后,立即启动“年产4万吨高精度铝箔新材料项目”的建设。该项目建成投产后,精箔公司铝板带箔生产能力可达15万吨/年。该产品的出现将填补国内此类产品的,解决目前中国电池箔从日本进口的现状。精箔公司也将成为拥有电子箔、钎焊箔、电池箔三大高技术含量核心产品中国重要铝箔生产基地。

  新疆众和与七师胡杨河电子铝箔基地

  新疆众和是我国从事电子铝箔研发的企业,形成了铝提纯、电子/电池铝箔生产的完整产业链,高纯铝与纯生产能力近4万吨/年,电子/电池箔生产能力约3万吨/年,已成为我国铝新材料领域的核心骨干企业、中国电子元件企业。

  2020年6月13日,七师胡杨河市与广西贺州市桂东电子科技有限责任公司签订总投资5亿元建设电子铝箔生产线项目,着力打造电子铝箔产业集群。该项目计划分两期建成100条化成箔生产线,一期计划2020年7月开工建设, 2021年上半年投产运营。

  近年来,师市加大“以商招商”工作力度,依托招商引资企业——新疆荣泽铝箔制造有限公司牵线搭桥,先后引进花园贝乐、东浩天成等6家电子铝箔企业,着力打造300条以上电子铝箔生产线,形成年产值50亿元的电子铝箔产业集群。

  农八师石河子市2个电子铝箔项目同时开工

  2018年9月28日,新疆西部宏远电子有限公司投资7亿元的电极箔扩建项目和新疆西部安兴电子材料有限责任公司投资3亿元建设1400万m2/a电子铝箔项目举行了集中开工仪式。此次开工的新疆西部宏远电子有限公司电极箔扩建项目建88条生产线,新增产能2000m2/a。

  洛阳万基铝加工电池软包铝塑膜用铝箔产能近9000吨/年

  洛阳万基铝加工有限公司锂电池软包铝塑膜用铝箔占国内市场的30%。该电池软包铝塑膜用铝箔是万基铝加工公司技术攻关团队历经艰辛,研发推出的新主打产品。通过不断进行工艺优化和运行参数调整,公司已实现多种厚度、超宽幅、多品种的电池软包铝塑膜用铝箔批量化生产。

  铝塑膜是软包锂电池电芯封装的关键材料。铝塑膜早由日本企业开发生产和推广,是锂电池产业链中技术壁垒高的,对原材料、生产技术、设备工艺都有较高的要求。由于技术难度高,中国铝塑膜行业长期被日本企业垄断,且进口铝塑膜产品价格较高。

  万基铝加工公司于2016年成立铝塑膜用铝箔产品研发技术团队,2018年实现小批量试产,结合国际技术装备,突破加工效率低下的技术瓶颈;2019年,达到速率与精度的匹配,实现了将精密加工技术向率工业的应用拓展;2020年,产品开始大批量向国内市场供货。

  万顺新材料股份有限公司7.2万吨/年电子箔

  万顺新材料股份有限公司于2020年投资9亿元建设7.2万吨/年高精度电子铝箔项目将于2022年初投产,购有5台从阿申巴赫公司引进的箔轧机。

  上海恩捷铝业公司铝塑膜2.7亿m2/a项目

  今年6月,上海恩捷旗下常州睿捷新材料科技有限公司投资约16亿元建设8条铝塑膜生产线,年产能约2.7亿m2/a。

  鼎胜新材电池铝箔产能10万吨/年

  鼎胜新材镇江工厂成立于2003年,位于江苏省镇江市京口工业园区,是一家从事铝板铝箔研发、生产制造的高新技术企业。该公司2020年电池铝箔产能6万吨/年,2021年新建4万吨/年,总计10万吨/年,并于2020年初向特斯拉电池厂供货。

  华北铝业有限公司

  华北铝业有限公司1978年成立,经过四十多年的发展建设,已发展成为集铝加工产品及设备制造为一体的综合性铝加工基地,电池箔、版基、双零箔、蒸发器用铝管为公司的战略品种,于今年3月开工新建的6万吨/年电池箔项目投产后,华北铝业的综合生产能力可达21万吨/年,其中铝箔15万吨/年。同时建设电池箔生产的10万级m2无尘厂房,升级分条设备,增加等离子设备,为锂电池铝箔产品上量做好了充足的准备。近年来,华北铝业紧紧抓住国家新能源战略实施的机遇,坚持创新,加快拓展新能源电池箔产业,成为国内前十名电池厂的供货商,占据30%以上的国内市场份额。

  安徽濉溪美信7.2万吨/年铝箔

  安徽美信铝业股份有限公司于2011年4月成立,是安徽省家生产高精铝板带产品的企业。目前公司拥有4条熔铸生产线、1台冷轧机。二期工程正在建设,计划新增1台冷轧机、5台阿申巴赫1850mm铝箔轧机,项目全部建成后,产能可达8万吨/年高精铝板带和7.2万吨/年铝箔。

  濉溪力幕2万吨/年电池箔

  安徽力幕新材料科技有限公司于2013年6月投产,主要产品为双零铝箔和涂层铝箔,产品广泛应用于空调制冷、电子电器、通讯、包装及装饰、印刷等领域,年生产能力达到6万吨/年。公司目前的亲水箔涂层生产线采用新工艺,开发出的一些特殊涂层铝箔投放市场后深受客户认可。2019年,公司产量1.8万吨/年,其中厚度达到0.012mm的数码电池箔产量为3500吨,产品出口业务占到30%。目前公司二期项目正在建设,将再投建动力电池箔、再生铝罐料等项目。

  南通海星电子8万吨/年电子箔

  2020年8月9日,南通海星电子股份有限公司顺利登上主板,招股书中称发行股票募集资金将用于“低压化成箔扩产技改项目”“中高压化成箔扩产技改项目”“低压腐蚀箔扩产技改项目”“中高压腐蚀箔扩产技改项目”。其中包括铝电解电容器用箔产能8万吨/年。

  昆山铝业8000吨/年电容器箔

  昆山铝业成立于2004年,主要生产厚度4.5-12μm、宽度110-1900mm的双零铝箔,产品广泛应用于包装、电容器等领域。2017年铝箔产销量3.54万吨。

  公司注重精耕细分市场,凭借国内的表面质量控制技术和超宽超薄铝箔生产技术,生产的铝箔大宽度1900mm、薄至4.5μm,产品质量好、性能稳定。

  中基复合材料电力电器及4万吨/年电池箔

  江苏中基复合材料股份有限公司创办于2004年,是由汕头万顺股份有限公司控股的化铝箔生产企业。公司产品以包装铝箔为主,涵盖电力电容器用铝箔、锂离子电池用铝箔、无菌包装铝箔等,明年中基复合材料股份有限公司铝板带及铝箔生产能力将分别达22万吨及21万吨,其中电子、电池箔大于2万吨/年。

  佛山高科基础公司2万吨/年电子箔

  南山铝业压延公司2.1万吨/年铝箔生产线

  南山铝业控股子公司铝压延公司已投资建设的2.1万吨/年铝箔生产线项目预计将于2022年初投产。

  南南铝箔公司2万吨/年双光电池箔

  今年4月26日,12μm热轧1100双光锂电池箔在南南铝集团子公司——广西南南铝箔有限责任公司量产。日前,该公司已实现多批次供货12μm热轧1100双光电池箔给多家国内锂电池制造上市公司,均反馈良好。

  酒钢东兴批量供应1235合金电池箔带坯卷

  今年5月,酒钢东兴铝业天成彩铝公司生产的1235电池铝箔成功供货。1235电池铝箔产品具有质轻、包覆性好、密闭、耐腐蚀、无毒无味等一系列优点,主要应用领域有包装、日用、机电、建筑等。

  江苏沛县丰源有限公司1.5万吨/年电子铝箔

  丰源铝业成立于2016年,主要生产厚度0.005-0.009mm烟草、食品、药品包装、电力电容器铝箔。公司现有铝箔轧机5台、合卷机2台、铝箔分卷机6台、铝箔倒卷剪切机8台、轧辊磨床2台,配套铝箔退火炉24台、全油回收系统2套。

  云南浩鑫铝箔有限公司3.5万吨/年电池箔

  2019年7月4日,云南浩鑫铝箔有限公司依托的超薄铝箔生产技术,投资4.91亿元的年产3.5万吨新能源动力电池用铝箔项目开工建设。浩鑫铝箔前身是云南新美铝铝箔有限公司,由云南冶金集团、美国铝业和云南中烟物资集团共同投资兴建,2015年成为云南铝业股份有限公司的全资子公司。超薄铝箔产品高度契合欧美发达国家对电容器小型化、轻量化的需求,美国GE(通用电气)、瑞士ABB等企业均长期向浩鑫铝箔采购。

  2016年1月,浩鑫铝箔就布局成立了电池集流体用铝箔开发项目组,目标是研发新型铝合金配方等,探索一套能够生产新型锂离子电池集流体用铝箔的技术,实现该产品的国产化。基于良好的市场前景,浩鑫铝箔的这一产品已吸引了具有较强优势的合作者共同参与开发生产。随着该产品产业化工作的推进,0.009mm双面光锂离子电池集流体用铝箔成为继超薄铝箔之后的又一核心产品。

  2018年,浩鑫铝箔的生产能力为1.5万吨,铝箔生产线全部建设完成后年产能力为3.6万吨,能源动力电池用铝箔项目建成后,整个铝箔的产能可达到7万吨/年。

  浩鑫公司生产的铸轧带坯0.0045mm级箔与国外生产的0.005mm箔的性能比较见表。

  浩鑫公司铸轧坯料箔与国外热轧坯料箔的性能比较

锂离子电池铝箔的新进展

  山东威海海鑫新材2万吨/年电子箔

  2018年11月25日,威海海鑫新材料有限公司为了进一步延伸产业链,赋能企业发展,2018年启动建设双零铝箔项目,2020年进入试产阶段。

  该项目是全球一条全部采用德国阿亨巴赫公司设备的生产线,也是上非常的铝箔生产线,主要生产0.005-0.026mm的铝箔产品,从试产情况看,其生产的铝箔厚度实现了双零,仅有0.006mm,暗室检验针孔(30-50)个/m2,远低于(50-100)个/m2的行业标准,项目达产后,可生产双零铝箔7万吨/年,其中电池、电子箔约2万吨/年。

  厦顺铝箔有限公司电池箔产能2万吨/年

  厦顺铝箔创建于1988年,拥有湖里铝箔厂、海沧铝箔厂和海沧板带厂三个生产基地,建有从铝合金熔铸至热轧、冷轧、箔轧的完整铝板带箔产业链。公司拥有全球、装机水平高的铝箔生产线,具备年产铝板带22万吨、铝箔12万吨的生产能力,其中,铝板带产品主要包括高精铝箔坯料和CTP版基,铝箔产品主要为6-7μm铝箔。厦顺铝箔有限公司电子箔与电池箔产量可达2万吨/年。

  安徽徽智电动传动科技公司8000吨/年电子箔

  安徽徽智电动传动科技有限公司投建的安徽传动设备及配件和电子铝箔项目总投资1亿元,在濉溪经济开发区,建设8000吨/年电子箔项目。

  江苏亚明铝业1万吨/年电子箔

  江苏亚明铝业有限公司投资2亿元,在淮北市铝基金属材料基地年产1万吨电子铝箔项目,已于2019年3月开工。

  神隆宝鼎新材料有限公司1万吨/年电池箔

  神隆宝鼎公司由河南神火集团有限公司等投建,是我国当前装备的一次性建成大的铝箔企业,总生产能力10.5万吨/年。分切机加装自动针孔检查系统、自动表面缺陷监测系统、轧机上料采用全自动行车上料系统,在铝箔行业属于。

  兰州西北绿色工业园1万吨/年电池箔

  兰州新区西北绿色新型铝加工产业园项目主要生产以空调箔、家用箔、药用箔、电池箔为主的单零箔、双零箔等产品,于今年8月投产。其中,空调箔6.5万吨/年,家用箔7万吨/年,药用箔1.3万吨/年,电池箔1万吨/年,包装用双零铝箔2万吨/年,其它用途的宽幅单零箔2万吨/年。

  明泰铝业1.5万吨/年电子电池箔

  明泰铝业有限公司具备年产10万吨高精铝箔和100万吨板带生产能力。2019年平轧铝产品85.6万吨,力争2021年度产销量突破120万吨/年,成为全球平轧铝产销量超100 万吨/年的大单一铝加工厂。

  贵州中铝铝业有限公司8000吨/年电子箔

  贵州中铝铝业有限公司8000吨/年电子箔项目于2014年6月总体基本建成,十条铸轧生产线、两条冷轧生产线先后投入使用。该项目总投资约8.5亿元,总建筑面积8.6万m2,分二期建设完成。一期建设12万吨铸轧铝卷,二期建设10.8万吨冷轧铝箔坯料、4万吨/年铝箔产品。

  晟通2万吨/年电子电池箔

  晟通铝箔有限公司是全球一次性建成的大的双零铝箔企业,铝箔产能20万吨/年,2万吨/年电子电池箔产能,有国产铝箔4辊轧机16台,其中1850mm的2台、2000mm的14台。晟通铝箔公司的分切机、轧辊磨床及轧制工艺过程参数自动监控设备全部从德国引进。

  南通昭和电工铝箔有限公司1.2万吨/年电池箔

  该公司位于江苏省南通市,是日本昭和电工有限公司(Show Denko KK工业公司,SDK)的独资企业,生产高纯电池箔,起初生产能力4800吨/年,2013年开始扩建7800吨/年项目,2015年5月投产,当前产能1.2万吨/年。

  江苏大亚铝业公司4.5μm电容器箔

  江苏大亚铝业有限公司位于丹阳市,采用铸轧-冷轧带坯批量生产4.5 μm电力电容器箔,2014年开始在国内大量应用,2015年开始出口欧洲ABB公司。2016年销量达300吨,成为公司创新产品,开拓市场主打产品之一。所产4.5μm电力电容器箔的厚度偏差为±3%,针孔数<5000个/m2。该公司与带坯卷供应企业共同制定了三定工艺:定重熔用原铝锭渠道,定熔炼铸造工艺,定铸轨机及其工艺,保证了带坯的质量及其稳定性、一致性及可追溯性。

  安徽中基电池箔科技有限公司 11.2万吨/年高精电子箔

  该公司是江苏中基复合材料有限公司的子公司,于今年6月17日起开始筹建7.2万吨/年高精电子铝箔项目。产品主要用于制造电池电极及软包装电池、电容器电极、印刷电路板基片等新型电子元器件。全部建成后将形成11.2万吨/年电子箔产能。

  新纶科技锂电铝塑膜一期投产

  2018年9月26日,新纶科技常州锂电池铝塑膜项目一期工程投产,2019年3月实现二期工程投产,届时日本三重和常州两大铝塑膜基地月产能将达800万m2,全年产能1亿m2以上。新纶科技将成为全球软包电池材料大综合服务商。

  安徽亚明铝业科技有限公司

  该公司由江苏南通亚光电子有限公司投资,主要生产电解电容器用电极箔,目前拥有12条生产线,每个月可生产160万m2电极箔,计划在2年内分期建设40条生产线,达到1500万m2/a的总产能。

  大庆豫港龙泉铝合金加工材2万吨/年电子电池箔项目

  该项目计划投资约330亿元,一期项目产能达到20万吨/年。项目总体分为板带材、挤压型材和精深加工三个部分。项目二期已于2020年4月开工建设,挤压材产能50万吨/年,三期板带材生产能力120万吨/年,电子/电池箔产能2万吨/年。板带箔项目计划于2023年陆续投产。

  中铝集团约有8万吨/年电子/电池铝箔产能

  中铝集团旗下东北轻合金有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、西北铝业有限责任公司、中铝河南铝加工有限公司、中铝瑞闽铝业有限公司等,已建成和在建的平轧铝产品总匡算产能达310万吨/年。

  中铝瑞闽铝业有限公司现正在福州新区闽台(福州)蓝色经济产业园的新厂区建设中铝东南沿海铝精深加工基地项目,重点发展交通轻量化、汽车板和电子用铝材等项目。

  忠旺营口板带公司和天津忠旺铝业公司估算5万吨/年电子/电池箔产能

  忠旺营口公司的板带生产能力可达130万-150万吨/年,已于2020年10月以后陆续进行热试中,有10台当今的不可逆式2350mm冷轧机。天津忠旺铝业有限公司成立于2011年,位于天津市武清区,一期占地6km2,板带生产能力180万吨/年,2019年产量48.8万吨。

  常铝铝业有限公司3万吨/年电子/电池箔

  常铝铝业有限公司位于江苏省常熟市,现有板带箔生产能力约22万吨/年,其中铝箔生产能力约18万吨/年,电子/电池铝箔估计约3万吨/年。

  电解电容器

  电解电容器是电子元器件的重要产品之一,铝电解电容器的主要优点:比电容高、体积小、质量轻、成本合理,作为电解电容器正负电极约占电容器生产成本的70%。电解电容器的结构由电极引线、铝壳、芯部组成,芯部为关键元件,由阳极箔、电解纸、阴极箔交叠卷成,电解液包裹于中间。近年来,电解电容器铝箔领域取得了长足进展,在纯铝、AI-Mn合金,AI-Cu合金、AI-Mg合金等研发方面成果累累,推出了一系列适应不同市场的产品。

  在电解电容器中,阴极箔是引出极,它的比表面积越大,电容器的比电容就越高,在3003铝合金箔基体中散布着大量的Al6Mn、AI(Fe,Mn)Si、Mg2Si质点,它们的腐蚀电位不同于铝基体,构成了微小的腐蚀原位电池,因而会形成大量海绵体状的腐蚀坑,增加比表面积,成为一种被广泛采用的阴极箔材料。

  3003合金阴极箔杂质的控制

  在电化学腐蚀时,铝箔表面积的提升量对提升铝箔比电容有很大影响,因此,微量杂质元素的种类与分布状态都对铝箔的腐蚀过程及比电容大小产生重大影响。对3003合金阴极箔来说,应控制的杂质元素及合金元素Mn都应加以合理控制,杂质元素有Cu、Fe、Si、Mg、Ti等。

  Mn:提高铝的再结晶温度,形成的Al6Mn可以细化合金的再结晶晶粒,Al6Mn的电极电位与纯铝的几乎相等,所以对铝箔的抗蚀性可认为没有影响。Mn在铝中的固溶度很低,室温时几乎为零,主要以Al6Mn相形式分布于基体中,形成腐蚀核心。Mn还具有的强化作用,所以随着Mn含量的增加,箔的强度上升,但若Mn含量过高,会析出粗大的AI6Mn相,造成不均匀腐蚀。

  Cu:铜的电极电位比铝基体的高,固溶的Cu以及析出的Al2Cu化合物会成为腐蚀中心,同时Cu还有的强化作用。但是Cu元素在合金中的含量仍需要控制,如果Cu含量过高,很容易在基体中产生较为粗大的腐蚀坑,造成过量腐蚀,反而会对产品的比电容造成不良影响。在Cu含量适中(0.05%-0.2%wt),其产生的点腐蚀非常均匀,Cu元素会降低晶内与晶界的电位差,可以抑制沿晶开裂趋势,改善合金抗应力腐蚀性能。

  Fe:在基体中生成Al6(Fe,Mn)相,在程度上可以减轻Mn元素偏析导致的晶粒分布大小不均匀现象,但是Fe元素由于会产生FeAl3阴极相,会影响腐蚀性能,导致腐蚀不均匀。

  Mg:Mg有利于提升腐蚀速度,但是过高的含量会导致铝筒开裂,因此也需要控制含量。此外,B、Tl、Cr、Zr、Zn、Sc等元素会提高合金的抗腐蚀性能,会影响阴极铜的腐蚀,所以应该严格控制含量。

  铸造

  传统阴极箔及国外生产的阴极箔是用铸锭-冷轧带坯生产的,但目前中国生产的>75%阴极箔是用铸轧带坯生产的,铸轧卷生产工艺流程:熔炉准备→炉料准备→装炉→熔化→搅拌与扒渣→调整成分→炉内处理(次精炼)→转炉及静置(第二次精炼)→除气箱除气扒渣→过滤箱双通道双级陶瓷过滤板过滤除渣→铸扎。

  在铸轧过程中,熔体的含氢量、夹杂、化合物及成分偏析等是阴极箔产生缺陷的重要因素,直接影响铸轧坯料产生针孔的数量与大小,因此,采取合适有效的铝熔体净化,过滤等措施,是减少此类缺陷的关键。

  除气还应严格控制转子速度,转速不小于200r/min以避免除气不到位,除气除渣后氢含量不应超过0.12mL/100gAl,且≥20μm的夹杂物滤去率应大于60%,在铸轧过程中常用的晶粒细化剂为铝钛硼丝(AITi5B),但是当Ti含量高于0.05%时,容易产生粗大且坚硬的化合物Ti2B,很容易形成针孔,所以减少Ti的含量非常重要。因为铝钛硼丝具有时效性,加入后10min左右的熔体结晶细化效果较好,若超过半个小时则会大大减弱晶粒细化效果。

  热处理

  若3003合金中的微量杂质元素含量高,会促进表面缺陷附近的铝原子被腐蚀,产生密集的腐蚀小孔。当微量元素分布均匀时,小孔也会均匀分布,从而使铝箔的比电容明显增加。而合适的退火工艺可以促使材料中的微量元素迅速向平衡浓度靠拢,并使这些元素均匀分布。可以明显铸轧坯料中Mn的偏析,而且能够地使第二相粒子细小弥散分布,提高阴极箔的比电容。

  均匀化退火对其组织的影响也会“遗传”到退火箔材的组织和性能,所以均匀化退火处理是提高阴极箔终产品质量的关键工艺。

  再结晶退火也是有效提高阴极箔的重要手段。在箔轧阶段,大晶粒很容易形成较为粗大的纤维状组织,这种组织很容易导致分层腐蚀,使得材料减薄。这会让海绵状腐蚀层中的部分被分层腐蚀溶解,导致材料的比电容降低,影响材料的性能。生产阴极箔宜选用快速再结晶退火,这样可以增加再结晶形核数量,防止产生粗大晶粒,促进比电容提升等。此外,中间退火后的冷加工率与比电容的关系是非线性的,当加工率>90%时,材料的比电容明显提高。

  国外电池铝箔进展

  同中国一样,国外发达国家电池铝箔产销量均进入高速猛升阶段。

  今年上半年全球电动汽车销量同比猛升160%

  西班牙卡纳利斯咨询公司的数据显示,今年上半年,全球电动汽车销量同比增长160%,达到260万辆。电动汽车销量的增幅超过了全球汽车市场总体销量的增幅,后者为26%。挪威仍是电动汽车在新车销量中占比高的国家,比例超过80%。汽车企业正在扩大电动汽车生产线,为消费者提供更多选择。欧盟为汽车制造商设定了碳排放目标。欧洲各国都推出了消费激励措施,并制定了禁止销售内燃机汽车的目标。汽车制造商面临的挑战是,要在零部件短缺危机中跟上电动汽车的需求。

  中国仍是上大的电动汽车市场,上半年售出110万辆,占总销量的12%。2020年中国内地售出的汽车中只有6%是电动汽车,2021年全年这个比例将翻一番以上。特斯拉在中国项目的成功落地促使中国汽车制造商扩大了电动汽车业务规模。埃安、比亚迪、理想、蔚来和小鹏等品牌电动汽车。

  日本丰田公司大力发展车载电池

  日本丰田汽车公司近日宣布,到2030年将投资1.5万亿日元开发和增产车载电池。车载电池是电动汽车(EV)和混合动力汽车(HV)等电动车型的核心零部件。当前,汽车产业为实现“脱碳”正在加快电动化转型进程。将电池的稳定供应和低成本化视为关键的因素,丰田正在加快相关体制的构建。

  根据新计划,占丰田总投资额三分之二的1万亿日元将用于扩大电池产能。丰田打算将锂电池等EV所需的电池生产线数量阶段性扩增至70条左右,是目前的35倍。电池在每辆EV的生产成本中约占30%,丰田的目标是让电池成本到2025年以后减半。为此,丰田将推动电池和EV的一体化发展,具体项目包括开发廉价电池材料,减少电流损耗等。

  丰田计划2030年将包括HV和插电式混合动力车(PHV)在内的电动汽车总销量提升至800万辆,约为现在的4倍,其中还包括200万辆EV和燃料电池车(FCV),与纯电动车相比,HV需要更大容量的电池。电池决定着电动汽车的性能,如果无法凭借自身力量确保电池技术和产能,电池将越来越难获取。因此丰田决心自制电池,提高研发能力,并加紧开发不以金属为原料的新型电池。

  欧盟2035年禁售燃油车

  欧盟表示将于2035年禁售燃油车等车型。同其他地区相比,欧洲先行一步推动燃油车的电动化转型,希望以此确立自身在汽车产业的优势地位。大众汽车将向EV转型,大众在欧洲停止生产燃油车的时间在2033年至2035年之间。大众发布的小型EV“ID.LIFE”,价格比其现有主力车型低三成以上。奔驰已确定向EV转型,目前要做的是加速付诸行动。大众和戴姆勒为推动汽车电动化转型开始在工厂进行人员调整。德国政府也成立了总额约为10亿欧元的“未来基金”,用以支持汽车产业的结构转型。欧盟委员会2021年7月出台了2035年禁售燃油车和混动车的法案。2030年的二氧化碳排放量也将受到更加严格的限制。欧盟的目的不仅在于“脱碳”,还在于在EV这一未来主力车型的开发竞争中占据优势。

  电池的回收

  为了达到“双碳”目标,全球都在加大新能源电动汽车的使用力度,但其报废车电池的回收却是一个亟待解决的环境和经济大问题。欧盟希望2030年欧洲公路上能有3000万辆电动汽车。届时如何处理淘汰的电动汽车电池将是一个巨大挑战,因为一个全新的产品以如此快的速度和规模发展旷古未有,10-15年后,一大批电动汽车电池将淘汰,如何拆解和回收其有用物质相当重要和紧迫。

  虽然大多数电动汽车与传统汽车结构件大同小异,但大的区别是电池。传统的铅酸电池可以广泛而全部地回收利用,但新能源电动汽车使用的锂离子电池却不方便这么做。电动汽车的电池比普通石化燃料汽车的更大、更重,由几百个单独的锂离子电池组成,小心翼翼地一个个地拆解,以防爆炸。欧盟近期提出,希望电动汽车供应企业负责确保他们的产品不会在淘汰后被简单地丢弃,一些汽车制造公司已经开始响应,如日产聆风公司将其旧电池重新用于自动导引车,在车间运送零部件。大众汽车公司也在这样做,在德国萨尔茨吉特建成了家回收工厂,并计划在试点工厂每年回收3600套电动汽车电池系统。

  不过目前的回收效率并不高,电池中的大部分物质在回收过程中被还原成所谓的“黑色物质”,即Li、Mn、Co、Ni的混合物,需要进一步高能耗地加工才能将有关材料回收为可用的形态。英国法拉第研究所等正在研发电池回收利用新工艺,优化回收流程,未来会有一个更、更具成本效益的电动汽车电池回收行业出现。

  手工拆解电池可以让更多材料得到有效回收,但会产生许多新问题,如环保方面、劳动力成本高等经济问题在经济发达国家很难形成有很好经济效益的市场。解决此问题的佳方案是自动化和机器人技术。如果能实现自动化,就能减少电动汽车电池回收的大部分危害,并提高经济效益。

  新电池材料研发

  目前使用的车载锂电池中的主要原材料除作为电极的铝外还有锂和钴等金属。今年,碳酸锂的价格已上升到10万元/吨,与一年前相比翻了一番多。为了替代锂电池,电池界的科技人员都在寻找锂的替身,首当其冲的是钠,因为钠的物理化学性能与锂的接近。中国宁德时代新能源科技有限公司计划2023年实现钠电池商业化。以钠取代锂的大优点,是钠的资源丰富,海水中有的是钠,取之不尽,用之不竭,另外纳电池的性也比锂电池高。

  结束语

  中国汽车用锂离子电池自2016年起进入高速发展期,至少要延续到2035年以后,现已投产和在建的动力电池铝箔生产能力足以满足新能源汽车电池制造所需铝箔的需求。今后铝工业的主要任务除对现有电池铝箔生产线的不足处进行填平补齐与增建必要的项目外,主要是加强研发力度,开发新的电池铝箔合金,目前用的合金都是传统的合金,没有什么新的,当然在化学成分控制方面也做了不少工作,成就。

  另外,从统计数据看,中国关于锂离子电池及材料的知识产权很多,但原则性发明少,大多是“改良性”的发明,特别是电池材料方面,要在这些方面多下功夫,努力在各方面成为动力电池的引 领者。

(责任编辑:静水)