一種鋰離子電池用高強度鋁箔的製備方法與流程
2023-06-06 17:28:26
本發明屬於鋁箔加工技術領域，尤其是一種鋰離子電池用高強度鋁箔的製備方法。
背景技術：
通常意義上把鋁或鋁合金帶卷經軋制後形成的厚度小於或等於0.2mm的鋁帶材稱之為鋁箔。鋁箔因其質量輕、密閉性好、包覆性好、環保等特點，廣泛應用於包裝、電器、散熱器和建築等國民經濟各領域。
鋰離子電池用鋁箔目前使用較多的是1060、1070等合金，常用厚度在12～25μm並以h18狀態交貨，以1070合金製備鋰離子電池用鋁箔為例其常規工藝流程是：熔煉→鑄軋→冷軋→縱剪切邊→高溫中間退火→箔軋→成品分切→檢查包裝，該常規工藝製備的鋁箔其抗拉強度只能達到160mpa左右，由於其材料較軟且在成品軋制力較小時其鋁箔表面帶油量較大，表面潤溼張力一般只能保持在31達因值內。而客戶對鋰離子電池用鋁箔的要求不僅是具有高的導電率，還要求有很高的機械性能，尤其是對抗拉強度的要求很高，通常抗拉強度要求≥175mpa且以≥200mpa為最佳，表面潤溼張力≥32達因值，因此改變1070合金中的某些組分並改變常規工藝是提高鋰離子電池用鋁箔的重要研究課題。
1070合金生產鋰離子電池用鋁箔的常規工藝中各工序簡述如下：
一、熔煉：
將含量99.7％以上的鋁錠放入熔煉爐內進行熔煉，熔煉爐溫控制在750±5℃範圍內，氫含量控制在0.13ml/100g·al以下，採用旋轉吹氣法進行在線除氣並經三級過慮以保證熔體質量，熔體的化學成分經檢測應符合國標gb/t3190-2008中1070合金之要求。
1070合金的化學成分構成見下表：
二、鑄軋：
鑄軋時採用旋轉吹氣法進行在線除氣，過濾採用30ppi+50ppi雙級過濾，變質劑採用al-5ti-0.2b絲並嚴格控制變質劑加入量。鑄軋厚度控制在7.0±0.1mm，為後續軋制工序分配合理的軋制道次及安排適當的退火厚度做準備。
三、冷軋：
經多道次冷軋將7.0±0.1mm軋制到1.0～2.0mm厚度之間，然後高溫退火，冷卻後繼續冷軋到切邊厚度時轉縱剪切邊。
四、縱剪切邊：
縱剪切邊時必須清擦導路中的各個導輥，用酒精或丙酮清擦各個導輥，確保鋁卷表面不能有印痕、粘鋁、擦傷、劃傷，端面不允許有毛刺、塔形、荷葉邊、邊部小碎浪等，中間切邊錯層必須小於2mm，塔形小於5mm。
五、高溫中間退火：
高溫中間退火的工藝是：在560～580℃條件下保溫20～25小時。
六、箔軋：
經過數個道次軋制到精軋道次，鋁箔表面不允許有殘留油汙；表面不允許有通長或間斷性擦傷、劃傷、周期行印痕、亮條及亮帶、隱條、白條等任何影響使用的表面缺陷。
七、成品分切：
分切時必須清擦導路中的各個導輥，用酒精或丙酮清擦各個導輥；確保鋁卷表面不能有印痕、粘鋁、擦傷、劃傷。分切的鋁卷放在地板必須墊上一塊大紙板，不允許直接落地。分切時不允許有毛刺、塔形、荷葉邊、邊部小碎浪等，分切錯層必須小於0.5mm。分切後的小卷端面必須乾淨、整潔；分切好的小卷批號和規格必須用記號筆寫在鋁卷的表面。
八、檢查和包裝；
成品檢查時主要檢查鋁箔厚度、寬度不得超過公差範圍，端面不得有毛刺、翻邊，撞傷，錯層不得超過0.5mm。套筒規格、材質必須符合客戶要求，套筒兩邊伸出鋁箔端面各為5mm。要求做到抗拉強度達到160mpa左右，表面潤溼張力達儘量保持在31達因值內，合格後按照鋰離子電池用鋁箔的包裝要求包裝。
1070合金製備鋰離子電池用鋁箔因其對材料的化學成分、表面及板型質量，以及材料的內部晶粒組織都有著較為嚴格的要求，故其生產難度較大，成品率極低。再加上國內傳統鋁箔加工企業更多的注重量的突破，所生產的產品也多數以家庭用鋁箔、電纜包覆用鋁箔等低附加值產品諸位，而對部分高端技術產品的研發缺乏投入，因此，近兩年以來，有關鋰電池用鋁箔的研發工作幾乎處於停滯狀態，鋰電池用鋁箔的產能也未見明顯增長。
綜上，有關鋰離子電池用鋁箔的製備研發過程幾乎處於停滯狀態，也未見到相關報導。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供了一種鋰離子電池用高強度鋁箔的製備方法，先將電解鋁液和鋁錠熔煉成鋁熔體並直接鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷，再通過冷軋、低溫中間退火以及箔軋等技術參數的合理設置，從而實現鋁熔體直接製備出鑄軋卷，大大縮短了工藝流程，減少了退火爐的電耗，製備出的鋰離子電池用高強度鋁箔其抗拉強度≥175mpa，表面潤溼張力≥32達因值。
為了實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案：
一種鋰離子電池用高強度鋁箔的製備方法，該製備方法先將電解鋁液和鋁錠熔煉成鋁熔體並直接鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷，然後經過冷軋→縱剪切邊→低溫中間退火→箔軋→成品分切→檢查包裝工藝製備出鋰離子電池用高強度鋁箔，其中縱剪切邊、成品分切和檢查包裝按常規工藝進行，其特徵是：
1)將電解鋁液和鋁錠熔煉成鋁熔體並直接鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷：
將50％重量份的電解鋁液和50％重量份且鋁含量≥99.7％的鋁錠一同放入熔煉爐中進行熔煉製備出鋁熔體，熔煉爐溫控制在750±5℃範圍內，熔煉時鋁熔體的化學成分經檢測應符合下表要求，並要求進行除氣、除渣乾淨且充分攪拌均勻以保證鋁熔體的質量。
將熔煉爐熔煉出的鋁熔體直接進行鑄軋，鋁熔體的鑄軋溫度控制在680～710℃，通過鑄軋機將鋁熔體鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷，鑄軋速度控制在690～710mm/min，鑄軋時要求鑄軋卷端面不得有錯層、缺鋁、冷邊現象，鑄軋機導路中的導輥不能有傷而造成鑄軋卷表面劃傷、擦傷，鑄軋後的鑄軋卷必須放在託盤上面，不允許直接放在地面上；
2)冷軋：
將6.95mm厚鑄軋卷冷軋成0.38～0.45mm厚冷軋卷，0.38～0.45mm厚冷軋卷的各冷軋道次軋制過程是：6.95mm→3.5～4.0mm→1.9～2.2mm→1.2～1.5mm→冷卻24h→0.6～0.9mm→0.38～0.45mm，要求冷軋開坯時必須更換工作輥並清擦導路中的每一個輥子，各道次冷軋時鋁卷表面不允許有亮條、亮帶及色差，表面吹掃一定要乾淨，不允許有殘留油汙，冷軋速度按常規技術要求執行；
3)低溫中間退火：
將0.38～0.45mm厚冷軋卷進行低溫中間退火，低溫中間退火在240～280℃條件下保溫4～6小時，退火時要求用耐高溫鋁箔膠帶對0.38～0.45mm厚冷軋卷封口，以確保其不能松層後方可上料架裝爐退火，退火出爐後不能下料架且完全冷透後才能進行箔軋；
4)箔軋：
將經過低溫中間退火的0.38～0.45mm厚冷軋卷箔軋成0.012～0.016mm厚鋁箔卷，0.012～0.016mm厚鋁箔卷的各箔軋道次軋制過程是：0.38～0.45mm→0.18～0.21mm→0.09～0.12mm→0.048～0.062mm→0.022～0.031mm→0.012～0.016mm，要求箔軋時必須更換工作輥並清擦導路中的每一個輥子，軋制油必須乾淨，至0.015mm厚鋁箔卷時須對其表面吹掃乾淨且不允許有殘留油汙，箔軋速度按常規技術要求執行；
經箔軋後的0.012～0.016mm厚鋁箔，經檢測其抗拉強度≥175mpa，表面潤溼張力≥32達因值。
由於採用如上所述技術方案，本發明產生如下積極效果：
1、本發明熔煉時採用50％重量份的電解鋁液和50％重量份且鋁含量≥99.7％的鋁錠一同放入熔煉爐中進行熔煉，利用高溫電解鋁液的成分特點為鋁熔體的化學成分提供調整空間，同時通過高溫電解鋁液的胎包精煉技術以及改進熔煉爐內的精煉工藝，如增加靜置時間、短時間多次精煉等工藝，保證了鋁熔體質量，從而實現鋁熔體直接鑄軋成鑄軋卷，縮短了生產工藝流程。
2、常規鋰離子電池用鋁箔是將7.0mm厚的鑄軋坯料軋制到1.0～2.0mm厚之間，然後高溫退火併軋制到基材厚度時切邊轉箔軋軋制。而本發明的鋰離子電池用高強度鋁箔電池箔生產工藝為：鑄軋坯料6.95mm厚軋制到1.2～1.5mm厚，冷卻24h後再軋制到0.38～0.45mm厚度切邊，然後低溫中間退火轉箔軋軋制，較低的低溫中間退火溫度，大大的減少了退火爐的電耗。
具體實施方式
本發明是一種鋰離子電池用高強度鋁箔的製備方法，本發明先將電解鋁液和鋁錠熔煉成鋁熔體並直接鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷，再通過本發明的冷軋、低溫中間退火以及箔軋等技術參數的合理設置，從而實現鋁熔體直接製備鑄軋卷，大大縮短了工藝流程，減少了退火爐的電耗。
本發明的製備方法先將電解鋁液和鋁錠熔煉成鋁熔體並直接鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷，然後經過冷軋→縱剪切邊→低溫中間退火→箔軋→成品分切→檢查包裝工藝製備出鋰離子電池用高強度鋁箔，其中縱剪切邊、成品分切和檢查包裝按常規工藝進行。
通過下面的實施例可以更詳細的解釋本發明，未述部分參考背景技術相關內容。本發明並不局限於下面的實施例，公開本發明的目的旨在保護本發明範圍內的一切變化和改進。
一、將電解鋁液和鋁錠熔煉成鋁熔體並直接鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷：
將10噸的電解鋁液和10噸且鋁含量≥99.7％的鋁錠一同放入熔煉爐中進行熔煉製備出鋁熔體，熔煉爐溫控制在750±5℃範圍內，熔煉時鋁熔體的化學成分經檢測應符合下表要求，並要求進行除氣、除渣乾淨且充分攪拌均勻以保證鋁熔體的質量，氫含量控制在0.13ml/100g·al以下，採用旋轉吹氣法進行在線除氣並經三級過慮以保證鋁熔體質量。
本發明是在1070合金基礎上的一種改進配方，通過上表可以明顯看出本發明鋁熔體的化學成分構成與1070合金化學成分的微量改變之處。
將熔煉爐熔煉出的鋁熔體直接進行鑄軋，鋁熔體的鑄軋溫度控制在680～710℃，通過鑄軋機將鋁熔體鑄軋成6.95mm厚鑄軋卷，鑄軋速度控制在700mm/min，該鑄軋速度可以有效消除和控制鑄軋坯料中的含氫量、夾渣、組織疏鬆等冶金缺陷，注意合適的鑄軋區和嘴輥間隙可以保證其具有良好的鑄軋表面質量及內部晶粒組織。鑄軋時要求鑄軋卷端面不得有錯層、缺鋁、冷邊現象，鑄軋機導路中的導輥不能有傷而造成鑄軋卷表面劃傷、擦傷，鑄軋後的鑄軋卷必須放在託盤上面，不允許直接放在地面上。
cu含量的微量調整有利於提高高強度鋁箔的抗拉強度指標，而fe和si含量的微量調整有利於降低高強度鋁箔的脆性、熱裂傾向，mn、mg、cr、zn可以增強高強度鋁箔的導電率且提高其加工性能。
用電解鋁液+鋁錠進行熔煉並直接進行鑄軋與常規工藝相比，省去了鋁錠的鑄造和二次重熔過程，經測算：可以減少鋁液鑄成鋁錠過程中0.4～0.5％的鋁損和鋁錠二次重熔過程中2～4％的鋁的燒損，節約了能源，提高了生產效率和成品率。
二、冷軋：
將6.95mm厚鑄軋卷冷軋成0.4mm厚冷軋卷，0.4mm厚冷軋卷的各冷軋道次軋制過程是：6.95mm→3.8mm→2.1mm→1.35mm→冷卻24h→0.7mm→0.4mm，要求冷軋開坯時必須更換工作輥並清擦導路中的每一個輥子，各道次冷軋時鋁卷表面不允許有亮條、亮帶及色差，表面吹掃一定要乾淨，不允許有殘留油汙，冷軋速度按常規技術要求執行。
三、縱剪切邊的參考常規工藝過程：
縱剪切邊時必須清擦導路中的各個導輥，用酒精或丙酮清擦各個導輥，確保鋁卷表面不能有印痕、粘鋁、擦傷、劃傷，端面不允許有毛刺、塔形、荷葉邊、邊部小碎浪等，中間切邊錯層必須小於2mm，塔形小於5mm。
四、低溫中間退火：
將0.4mm厚冷軋卷進行低溫中間退火，在260℃時保溫4～6小時，退火時要求用耐高溫鋁箔膠帶對0.4mm厚冷軋卷封口，以確保其不能松層後方可上料架裝爐退火，退火出爐後不能下料架且完全冷透後才能進行箔軋。
低溫中間退火可以保證箔軋時具有較慢的軋制速度和較小的張力，並防止箔軋時鋁箔表面產生印痕、粘傷、厚差波動性大等缺陷，較低的低溫中間退火溫度可以大大減少退火爐的電耗。
五、箔軋：
將經過低溫中間退火的0.4mm厚冷軋卷箔軋成0.015mm厚鋁箔卷，0.015mm厚鋁箔卷的各箔軋道次軋制過程是：0.4mm→0.2mm→0.1mm→0.055mm→0.028mm→0.015mm，要求箔軋時必須更換工作輥並清擦導路中的每一個輥子，軋制油必須乾淨，至0.015mm厚鋁箔卷時須對其表面吹掃乾淨且不允許有殘留油汙，箔軋速度按常規技術要求執行。
箔軋後的0.015mm厚鋁箔，經檢測其抗拉強度達到≥175mpa，最佳抗拉強度甚至可以達到203～207mpa，表面潤溼張力達到≥32達因值，最佳表面潤溼張力甚至可以達到34達因值，檢測參考方法如下：
按照國家標準gb/t228.1-2010《金屬材料拉伸試驗》加工成5倍標準拉伸試樣，電子拉伸在日本島津ags-x1kn精密拉力實驗機上進行，拉伸速度參考值為1mm/min。達因值檢測採用標準達因液對比檢測。
六、成品分切的參考常規工藝過程：
分切時必須清擦導路中的各個導輥，用酒精或丙酮清擦各個導輥；確保鋁卷表面不能有印痕、粘鋁、擦傷、劃傷。分切的鋁卷放在地板必須墊上一塊大紙板，不允許直接落地。分切時注意查看鋁箔表面有無油汙，表面帶有油汙的不得發往下工序。分切時不允許有毛刺、塔形、荷葉邊、邊部小碎浪等，分切錯層必須小於0.5mm。分切後的小卷端面必須乾淨、整潔；分切好的小卷批號和規格必須用記號筆寫在鋁卷的表面。
七、檢查包裝的參考常規工藝過程：
成品檢查時主要檢查鋁箔厚度、寬度不得超過公差範圍，端面不得有毛刺、翻邊，撞傷，錯層不得超過0.5mm。套筒規格、材質必須符合客戶要求，套筒兩邊伸出鋁箔端面各為5mm，合格後按照鋰離子電池用鋁箔的包裝要求包裝。
為了公開本發明的目的而在本文中選用的技術方案或是實施例，當前認為是適宜的，但是應了解的是：本發明旨在包括一切屬於本構思和本發明範圍內的實施例的所有變化和改進。