AA8021合金軟包鋰離子電池膜鋁箔組織和力學(xué)性能演變研究

宋 盼，萬(wàn)澤全，賀有為，周 然，陳 健

（永杰新材料股份有限公司，杭州 311222）

0 前言

近幾年鋰電行業(yè)飛速發(fā)展，其中目前最常見的鋰電池包裝方式主要分鋼殼鋰離子電池、鋁殼鋰離子電池、軟包裝鋰離子電池三種。而軟包鋰離子電池具有安全性能好、重量輕、容量大、內(nèi)阻小、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品，目前也逐漸在手機(jī)、筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、電子煙等電子市場(chǎng)中發(fā)展。可以預(yù)見未來(lái)幾年內(nèi)軟包鋰離子電池的市場(chǎng)份額及占比還將繼續(xù)穩(wěn)定擴(kuò)大，應(yīng)用范圍也將更加廣泛。由于鋰離子用鋁箔生產(chǎn)技術(shù)難度較大，有較高技術(shù)壁壘，目前主要被日韓企業(yè)壟斷。本文對(duì)國(guó)內(nèi)某鋁企的8021鋁塑膜用鋁箔的生產(chǎn)工藝進(jìn)行跟進(jìn)，進(jìn)行了組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能研究，并對(duì)比了國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口鋁箔的差距，為該產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化提供借鑒和參考。

作為電池包裝用材，軟包鋰離子電池用鋁箔需先進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合表層為尼龍層，既有裝飾性同時(shí)又保證中間Al層不被刮傷；中間鋁箔層主要起到成型及阻水、阻光作用；內(nèi)層的CPP層為耐電解液層。因此，中間鋁箔層的質(zhì)量高低直接影響到整個(gè)電池的質(zhì)量好壞和使用壽命。而國(guó)產(chǎn)鋁箔深沖成型性能較差，國(guó)內(nèi)原箔深沖大多在5.5 mm左右，而國(guó)外原箔深沖能達(dá)到7 mm以上，與國(guó)外鋁箔產(chǎn)品有一定差距。主要原因在于國(guó)產(chǎn)鋁箔的針孔較進(jìn)口的不止多一個(gè)數(shù)量級(jí)，且對(duì)材料組織的控制存在差距。因此，國(guó)產(chǎn)鋁箔深沖成型性能提升成為國(guó)產(chǎn)鋁箔是否能被廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

日本早在1985年就研究了鐵含量對(duì)鋁箔拉伸可成型性的影響，發(fā)現(xiàn)熱軋鋁箔中鐵含量在1.25%左右時(shí)具有優(yōu)良的深沖性能，后來(lái)注冊(cè)了8021合金[1]。國(guó)內(nèi)外多數(shù)專利[2-5]介紹了8021的生產(chǎn)工藝，但是對(duì)其組織和力學(xué)性能的研究卻幾乎為空白。鑒于此，本文對(duì)一款與進(jìn)口鋁箔相當(dāng)?shù)?021合金箔的生產(chǎn)加工進(jìn)行了組織演變跟蹤與研究，以探尋其中的關(guān)系與規(guī)律，為該鋁箔的國(guó)產(chǎn)化研究提供借鑒，彌補(bǔ)該領(lǐng)域的空白。

1 試驗(yàn)過(guò)程

軟包鋰離子電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中的鋁塑包裝膜采用8021鋁合金箔制成。

圖1 軟包鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖

1.1 工藝路線

8021合金為Al-Fe合金，其中Fe元素控制在1.2%～1.7%范圍內(nèi)，在合金中形成Al3Fe第二相；Cu、Mn元素會(huì)提高再結(jié)晶溫度，影響后續(xù)退火，因此成分控制在＜0.01%。廈門廈順提出在8021中配加0.02%～0.03%的錳，但是經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其再結(jié)晶溫度比未加錳的溫度高10～20℃，存在粘卷的風(fēng)險(xiǎn)。而Ti元素在鑄造流程中以鋁鈦硼絲形式連續(xù)加入，以達(dá)到細(xì)化扁錠原始晶粒度的目的。該合金的化學(xué)成分見表1。

本試驗(yàn)采用DC鑄造工藝，熔鑄工藝流程為：配料→投料→熔煉→成分配比→倒?fàn)t→精煉→靜置→在線除氣→過(guò)濾→鑄造，熔體溫度控制在730～750℃內(nèi)。

本試驗(yàn)壓延部分的生產(chǎn)工藝流程為：鋸切→銑面→均勻化→熱連軋→冷軋→中間退火→冷軋→切邊→鋁箔粗軋→鋁箔雙合軋制→分切→成品退火，最終得到0.04 mm×500 mm×4000 m的鋁箔卷。均勻化工藝采用560℃/10 h，中間退火工藝為310℃×2 h，鋁箔成品退火工藝240℃×10 h。

1.2 樣品制備

對(duì)鑄錠切頭約500 mm后進(jìn)行橫截面取樣，試樣厚度為15 mm。將制成的金相鑲嵌樣拋光后進(jìn)行陽(yáng)極覆膜，并在金相顯微鏡和掃描電鏡下觀察其晶粒尺寸及形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鑄錠組織

試驗(yàn)合金的典型鑄態(tài)組織形貌見圖2。從圖中可知，合金的晶粒粗大，晶粒直徑為150 μm，第二相形貌為長(zhǎng)條狀及塊狀，主要由Al3Fe以及Al-Al3Fe共晶組織組成。

圖2 鑄錠組織

從圖中可知，合金的晶粒粗大，第二相以Al3Fe為主，且其大小極不均勻，多數(shù)呈狗骨狀。

2.2 軋制組織

在馬弗爐內(nèi)采用不同的溫度對(duì)試樣進(jìn)行均勻化處理，觀察組織中第二相隨均熱溫度變化產(chǎn)生相變的演變過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同均勻化溫度下第二相變化

在爐中采用不同溫度進(jìn)行均勻化處理，使用SEM檢測(cè)第二相結(jié)果。發(fā)現(xiàn)在溫度大于560℃后，第二相組分完全轉(zhuǎn)化為Al-Fe合金相。

用SEM檢測(cè)每道次第二相尺寸、形貌及組分，觀察第二相的變化情況，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 熱軋卷的顯微組織

圖6 最大第二相尺寸

圖5 中間退火前后的顯微組織

結(jié)合金相數(shù)據(jù)以及電鏡數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)8021合金的Al-Fe合金相組成為Al3Fe相，但是隨著加工率增大，第二相變得細(xì)小而彌散；中間退火前為纖維狀晶粒，中間退火后變?yōu)榧?xì)小的等軸晶。

本試驗(yàn)箔軋生產(chǎn)工藝流程為箔粗軋→箔精軋→分切→成品退火，成品厚度為40 μm。使用微型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及微機(jī)控制全自動(dòng)杯突試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁箔成品的拉伸性能及杯突進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，每項(xiàng)測(cè)試3組，使用顯微鏡對(duì)金相組織進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖7和表2。

圖7 成品鋁箔第二相形貌及尺寸

2.3 冷軋箔力學(xué)性能演變

本實(shí)驗(yàn)各道次的力學(xué)性能變化如圖8所示。從圖中可以看出經(jīng)過(guò)90左右%的冷加工后，箔材的抗拉強(qiáng)度達(dá)到180 MPa以上，但是延伸率非常差。經(jīng)過(guò)中間退火和成品退火后，抗拉強(qiáng)度降低到90 MPa左右，延伸率則得到極大提升，提高了20%～25%。

圖8 8021每道次力學(xué)性能變化（沿軋制方向測(cè)試）

2.4 國(guó)產(chǎn)鋁箔和進(jìn)口鋁箔對(duì)比

國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口鋁箔成品的力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 國(guó)產(chǎn)鋁箔與進(jìn)口鋁箔成品力學(xué)性能對(duì)比

從鋁箔成品第二相及力學(xué)性能對(duì)比分析結(jié)果可以看出，目前國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)鋁箔各方面數(shù)據(jù)與進(jìn)口鋁箔接近。

采用精度為20 μm的針孔檢測(cè)儀進(jìn)行在線檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口鋁箔針孔個(gè)數(shù)為0.00005個(gè)/m2，國(guó)產(chǎn)鋁箔針孔數(shù)為0.00152個(gè)/m2，二者相差近30倍，國(guó)產(chǎn)鋁箔還有較大改進(jìn)空間。

3 結(jié)論

（1）8021合金以Fe為主要合金化元素，鑄錠中第二相主要由針狀A(yù)l-Fe相和Al-Fe共晶相組成。

（2）8021合金第二相隨均勻化退火溫度發(fā)生變化，當(dāng)溫度超過(guò)560℃時(shí)，Al-Fe中間合金相完全相變?yōu)锳l3Fe相。

（3）Al3Fe相在8021合金中以條狀及塊狀形貌存在，在后續(xù)軋制加工中難以破碎。

（4）國(guó)產(chǎn)AA8021合金軟包鋰離子電池膜鋁箔與進(jìn)口鋁箔的組織和力學(xué)性能相當(dāng)，可以替代進(jìn)口鋁箔。同時(shí)國(guó)產(chǎn)鋁箔還存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。