8021鋁合金電池軟包箔生產(chǎn)工藝研究

李金文,張?zhí)煊?/p>

(天津忠旺鋁業(yè)股份有限公司,天津 301700)

隨著新能源市場(chǎng)的迅猛發(fā)展,動(dòng)力電池領(lǐng)域呈現(xiàn)出高速發(fā)展趨勢(shì)。在動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,相對(duì)于鋼殼和鋁殼電池而言,軟包鋁箔電池具有安全性能好、重量輕、電池容量大、循環(huán)功能好、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為動(dòng)力電池技術(shù)路線的一個(gè)重要選擇,廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品、無人機(jī)、智能機(jī)器人、新能源汽車等領(lǐng)域[1]?？梢灶A(yù)見未來幾年內(nèi)軟包鋰離子電池的市場(chǎng)份額及占比還將繼續(xù)擴(kuò)大,應(yīng)用范圍也將更加廣闊。目前高端電池軟包鋁箔主要被昭和電工、DNP、T&T 等日韓企業(yè)壟斷[2],國產(chǎn)鋁箔因深沖成形性能較差,與國外鋁箔產(chǎn)品質(zhì)量相比還有一定差距。而隨著高容量電池的發(fā)展,對(duì)電池軟包箔的成形性提出了更高的要求。目前國產(chǎn)電池軟包箔伸長(zhǎng)率大多在13%～18%,杯凸值在6.5 mm,還處于較低水平。在增大杯凸值和伸長(zhǎng)率方面,國內(nèi)多數(shù)研究主要從箔軋工藝方面進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[3,5-6],有一定的改善,還沒有達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。本實(shí)驗(yàn)采用不同的冷軋生產(chǎn)工藝生產(chǎn)8021鋁合金電池軟包箔,研究不同工藝對(duì)最終成品性能和成形性的影響,比較不同工藝的組織和性能差異,為生產(chǎn)高質(zhì)量電池軟包鋁箔提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用8021鋁合金熱軋坯料,該熱軋坯料來源于DC鑄造生產(chǎn)的板錠,經(jīng)銑面、均勻化退火后,經(jīng)1+5熱連軋軋制而成,化學(xué)成分見表1。選取不同的熱軋坯料厚度,冷軋至厚度0.24 mm,再箔軋到成品厚度0.04 mm。

采用四種不同的冷軋生產(chǎn)方案,每種方案選取2卷熱軋坯料生產(chǎn)電池軟包箔。通過微觀組織觀察和性能檢測(cè),比較不同方案對(duì)最終成形性的影響,從而獲得最佳的電池軟包箔生產(chǎn)工藝。

1.2 試驗(yàn)方案

方案1:熱軋坯料厚3.5 mm→冷軋到0.5 mm厚→中間退火(金屬410 ℃4 h)→冷軋到0.24 mm厚→箔軋到0.04 mm厚→成品退火。

方案2:熱軋坯料厚5.0 mm→冷軋到0.5 mm厚→中間退火(金屬410 ℃4 h)→冷軋到0.24 mm厚→箔軋到0.04 mm厚→成品退火。

方案 3:熱軋坯料厚5.0 mm→冷軋到2.0 mm厚→中間退火(金屬420 ℃4 h)→冷軋到0.5 mm→中間退火(金屬410 ℃4 h)→冷軋到0.24 mm厚→箔軋到0.04 mm厚→成品退火。

方案4:熱軋坯料厚5.0 mm→冷軋到0.5 mm厚→中間退火(金屬410 ℃4 h)→冷軋到0.24 mm厚→箔軋到0.04 mm厚→成品退火。

1.3 主要檢測(cè)項(xiàng)目

對(duì)上述試驗(yàn)的成品進(jìn)行縱向、橫向和45°方向力學(xué)性能及杯突測(cè)試,并對(duì)退火后0.5 mm厚的冷軋帶材的微觀組織進(jìn)行對(duì)比分析。力學(xué)性能在Z100型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試,杯突值試驗(yàn)在GBS--60B型數(shù)顯自動(dòng)杯凸試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn),微觀組織使用AxioVert.A1型ZEISS光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 室溫力學(xué)性能

8021鋁合金電池軟包箔室溫力學(xué)性要求:抗拉強(qiáng)度85 MPa～100 MPa,伸長(zhǎng)率大于17.5%,杯凸值大于6.8 mm。圖1、圖2、圖3為采用不同方案產(chǎn)出0.04 mm厚度電池軟包箔成品的室溫抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和杯凸值。結(jié)果表明,方案1使用3.5 mm厚的熱軋坯料軋制電池軟包箔的抗拉強(qiáng)度為90 MPa～93 MPa,伸長(zhǎng)率小于17%,杯凸值6.5 mm,無法滿足電池軟包要求。方案2使用5.0 mm厚的熱軋坯料生產(chǎn)電池軟包箔,各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求,其抗拉強(qiáng)度為91 MPa～95 MPa,伸長(zhǎng)率達(dá)到18.7%～24.8%,杯凸值為7.2 mm。這是因?yàn)樘岣邿彳埮髁虾穸?增大軋制變形量,有利于晶粒破碎,進(jìn)一步細(xì)化晶粒,增大了伸長(zhǎng)率及杯凸值。方案3在方案2的基礎(chǔ)上增加一次中間退火,并不能進(jìn)一步提高最終成品的伸長(zhǎng)率和杯凸值,反而略有降低,但是可適當(dāng)降低材料縱、橫向的力學(xué)性能差異。兩次退火有利于不平衡共晶的溶解,降低了材料的各向異性[3]。方案4在方案2的基礎(chǔ)上,w(Ti)增加0.02%,抗拉強(qiáng)度為95 MPa～99 MPa,伸長(zhǎng)率達(dá)到20%～26%,杯凸值為7.6 mm,產(chǎn)品綜合性能進(jìn)一步提高,達(dá)到國外同行業(yè)水平。

圖1 電池軟包箔抗拉強(qiáng)度

圖2 電池軟包箔伸長(zhǎng)率

圖3 電池軟包箔杯突值

從圖1、圖2、圖3可以看出,采用方案2和方案4生產(chǎn)的電池軟包箔的力學(xué)性能和杯突值完全滿足客戶的使用要求。另外,兩種方案生產(chǎn)的電池軟包箔的力學(xué)性能均為45°方向抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率最大,縱方向次之,橫向抗拉強(qiáng)度最小。三個(gè)方向力學(xué)性能的差異間接反映了材料的各向異性。方案3生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度略低于方案2生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度。這主要是因?yàn)榉桨?采用兩次退火消除了板材中的枝晶偏析,使晶界處聚集的過剩相溶解,使合金中組織和成分更加均勻,從而減小了變形過程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,使其抗拉強(qiáng)度有所下降。

2.2 微觀組織

圖4為采用不同方案生產(chǎn)到0.5 mm厚度,經(jīng)410 ℃4 h退火后帶材的微觀形貌。由圖4可以看出,經(jīng)退火后四種方案生產(chǎn)的帶材均為等軸晶,第二相主要為條狀的FeAl3相[1,4]。對(duì)比四種方案,方案1的晶粒尺寸和第二相化合物粗大不均勻,晶粒尺寸平均28 μm,化合物最大可達(dá)10 μm,這也是方案1生產(chǎn)的電池軟包鋁箔伸長(zhǎng)率和杯凸值偏低的原因。方案2與方案1對(duì)比,晶粒尺寸平均25 μm,略有減小,但化合物細(xì)小彌散,尺寸小于5 μm。方案3經(jīng)過兩次中間退火,晶粒變?yōu)楦泳鶆虻牡容S晶,化合物分布均勻但尺寸較方案2略粗大,這也是導(dǎo)致方案3伸長(zhǎng)率和杯凸略有下降的原因[7-8]。方案4適當(dāng)增加鈦含量,晶粒尺寸減小到21 μm,化合物均勻細(xì)小與方案2相當(dāng)。

圖4 不同方案0.5 mm厚的8021鋁合金帶材退火后的金相組織

熱軋坯料在冷壓延過程中,晶粒組織和第二相化合物得到破碎。當(dāng)變形量達(dá)到85%以上,破碎效果將不再明顯。這也是方案1、2、3化合物尺寸相當(dāng)?shù)脑?。而在鑄造過程中適當(dāng)提高細(xì)化劑用量,可進(jìn)一步細(xì)化晶粒,對(duì)電池軟包箔綜合性能提升有明顯效果。

影響8021鋁合金電池軟包箔伸長(zhǎng)率和杯凸值的主要因素是晶粒尺寸和化合物分布。晶粒越細(xì),在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多,則在同樣塑性變形條件下,變形將分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行,塑性變形較均勻,且每個(gè)晶粒中塞積的位錯(cuò)少,因應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會(huì)較少,可在斷裂之前承受較大的變形量;此外,晶粒越細(xì),晶界面積越大,晶界越曲折,越不利于裂紋的擴(kuò)展,從而提高了材料的成形性。8021鋁合金中第二相主要為條狀的FeAl3相,該化合物硬而脆幾乎無變形能力,加工成形過程中在粗大的第二相處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,使得粗大第二相會(huì)斷裂或界面脫粘形成微裂紋,影響材料成形。因此化合物越細(xì)小均勻越有利于8021鋁合金電池軟包箔伸長(zhǎng)率和杯凸值提升。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際及產(chǎn)品需求,方案4采用5.0 mm熱軋坯料厚度,同時(shí)鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.035%～0.045%,可使8021鋁合金電池軟包箔成品綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

2)采用兩次中間退火生產(chǎn)8021鋁合金電池軟包箔并不能有效提高成品的伸長(zhǎng)率和杯突值,但可適當(dāng)降低材料的各向異性。