我国引领全球电动汽车电池铝箔产业奋进新征程(下)

2022年06月06日 11:4 66495次浏览 来源:   分类: 铝应用   作者:

表6 电池箔的力学性能

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●电池箔市场

由于全球新能源车辆行业的高速发展,对锂电池的需求旺盛拉动了电池铝箔需求快速上升。笔者认为,在2010年—2030年期间,没有哪种铝产品的产量增长速度能比电池铝箔高。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30kt为基数,那么2025年的产量可能突破280kt,这是非常惊人的数字。1GWh锂电池用铝箔约750t。

●电池箔品质

2017年,我国动力电池生产厂家有约160家,生产锂电池箔的约有70多家。电池箔是一种高技术产品,而且对其品质要求越来越高,我国普通级箔(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。

电池箔的力学性能见表6。生产普通电池箔的技术与生产通用0.1mm箔的等同,很平常,但要生产高强度箔却绝非易事,特别是生产厚度小于0.015mm的箔需要采用特殊工艺,同时需在设备与润滑方面作一些改进。

310N/mm2这个值是当前1XXX系及8XXX系(AI-Li合金除外)合金箔材能够达到的最高强度。电池箔的进展不但要求其抗拉强度Rm越来越高,而且其厚度却反其道而行,已从最初的20μm减薄到8μm,这个减薄过程是一步一步的,历时20余年,20μm—16μm—15μm—13μm—12μm—10μm—9μm—8μm。再减薄的空间不太大了,因为在减薄的同时,必须同步提高其抗拉强度Rm,否则耐破度不能满足要求。

不断地提高对电池箔抗拉强度Rm的要求,是为了减薄箔的厚度,以提高电池的能量密度。目前我国生产的电池箔的抗拉强度Rm都能达到160N/mm2,但要生产Rm≥200N/mm2则需要克服一些困难。

目前,电池箔的最薄厚度已达8μm,再减薄的空间不是太大。另外,有些电池企业要求厚度偏差<±2%,实际很难达到,因为当前箔轧机的AGC控制系统无法达到这种控制精度。当然,如若对现有的AGC系统加以改造有可能生产出厚差更精细的电池箔。

电池箔对表面品质与切边品质的要求也比普通箔高。电池箔表面上不允许有直径>1mm的麻点,0.5mm~1mm的麻点应<3个/m2,0.5mm的麻点不允许成片出现>1mm;暗面不允许有凸点,对于单面光箔,暗面不得有亮点;表面上允许有长度<5mm的黑油线,但应≤3条/m2;打底起皱长度应≤10m。

切边品质应高,不得有裂边与毛刺。在无张力情况下,边部波峰应≤2mm,断面铝粉胶带法检测≤25个/(10cm)。

总之,电池箔要求的六要素缺一不可,即:最薄的厚度、最高的强度、最大的表面达因值、最小的厚度偏差、最优的板形、最洁净的表面。

电池及其铝箔的新进展

●5分钟可充满电的汽车电池

中国亿纬锂能股份有限公司与其合作伙伴以色列斯托多特公司(StoreDot)研制出一种只需5分钟就能充满电的锂电池,这是锂电池发展历程上的一次小革命。1月19日,斯托多特公司为新电池的面世举行推介会,这对电动汽车的发展来说可不是一件小事,电动汽车的充电时间将从目前的几小时缩短到传统汽车加油所需的短短几分钟。不过目前该电池还不能用于现有的汽车上,还需要一段改进与完善时间,可能要到2025年后才能大规模地生产与应用,因为还有许多工作要做,包括基础设施方面的建设。

●轧制电池铝箔的OPTIMILLR轧机

德国阿申巴赫公司(Achenbach)设计制造了一种名为“OPTIMILLR”的4辊不可逆轧机,是一种专用于轧制电池箔的“精准轧机”,其附属设备如剪切机、厚度控制仪、吹干系统、冷却润滑剂喷洒系统、张力控制系统,都是精心设计制造的,达到了前所未有的灵敏度和精确度。冷却润滑喷洒系统为阿申巴赫匀速喷洒系统R(Achenbach UniSprayR),带材轧制时的边部加热系统为该公司特有的“热边系统”(Hot Edge System,HES),装有特有的平整度监控器 UniFlatR和自动带材平整度测量仪OPTIROLL MillFlat,还装有支撑辊动力可变凸度(DVC,DynamicVariable Crown)监测仪。

为了轧制出完全能满足六要素的电池箔,应特别注意的是,箔材表面应干干净净,不得有残留轧制油,以确保箔材有良好的可焊性和足够的达因值。高效的阿申巴赫吹干系统Achenbach UniDryR 能完全做到这一点,不会产生任何带边滴油现象。高精纵剪线能确保所切带材没有毛刺(bur)、皱纹(wrinkle),有非常好的卷取质量,卷材端面整整齐齐,犹如一层。

制取电池箔的车间应非常洁净,不但箔材本身应洁净,车间环境也应无尘。阿申巴赫剪切机之上设有吸尘罩,可达到一级吸尘效果,保证剪切在无尘环境下进行,吸气气流均匀无阻,气流大小适当,确保周围环境保持最大的洁净度。

另一个必须进行的工作是应对电池箔质量进行专门的检查、测量和分析。该项工作不但能保证箔的质量透明度,同时,对生产方与用户都是非常有益的。该公司为进行此项工作提供了一切工具与检查手段。

电池外壳

不管是汽车电池还是其它电池都要有个坚实的外壳,以保护电池本身不受损害,维持电池工作正常,这种外壳虽有种种形状,但是都是用铝合金1070-O圆片或其它形状片冲制的。圆片Φ6~220mm,Φ偏差±0.05mm,厚度偏差-0.5~+0.10mm,产品厚度2~25mm,也可以更薄些。1070-O合金有良好的冷冲压成形性能,实际上是一种常用的工业纯铝,其成分(质量%):Si0.20、F0.25、Cu0.04、Mn0.03、Mg0.03、Zn0.04、Ti0.03、V0.05,其它杂质单个0.03,Al≥99.70。还可以用3003-O、H14或1050-O、H14合金冷冲制。也有一些公司研制出特殊的外壳合金,如日本联合铝业公司的MG212合金,其力学性能比3003、1050合金高得多。

锂电池的封口铝材为8021-O、H14、H16、3003-O、H14、1050-O合金。

新电池研发

新电池研发可从两个方面进行:一是对现行锂电池进行改进,提高其寿命与续航里程,缩短充电时间,提高锂的提取效率与降低生产成本;二是研发全新的高效新电池。现在在这两个方面都取得了非凡的成就。

●宁德时代公司的超级电池可行驶200万公里

宁德时代新能源股份有限公司成立于2010年,是世界最大的新能源汽车锂电池研发与生产者。该公司研制出一种可持续使用16年、行驶总里程可达200万公里的动力电池,而目前电动汽车电池的使用寿命约8年。该公司还在扩展国际业务,在德国开设的首家国外工厂已于2021年运营。

●日本的低成本高安全电池

如何降低锂离子电池成本并提高其安全性,是研究人员一直追求的目标。日本科学家堀江英明(Hidiaki Horie)发明出一种比锂离子电池量产成本低90%的新型电池,同时具有高度的安全性。该研究是用树脂结构代替电池的金属内衬电极和液态电解质,从而提高电池安全性并降低生产成本,因此大大简化与加快了生产进程。

●充电速度比锂离子电池快60倍的石墨烯电池

澳大利亚布里斯班市的石墨烯制造集团研发出新型的石墨烯铝离子电池,其充电速度比锂离子电池快60倍,储能能力是最佳铝基电池的3倍。石墨烯具有一系列优异特性:硬度比钻石还大、韧性比钢更高、密度仅为钢的1/200、有较高的导热率和极佳的导电性、可进行化学反应,形成新的化合物、资源丰富。该公司称,今年已开始生产用于个人电子产品等较小设备的纽扣式石墨烯铝离子电池,2024年将生产电动汽车用电池。

●物美价廉的钠电池

俄罗斯和德国的研究人员发现,可用特殊结构的钠替代昂贵的稀有金属锂制造汽车电池。采用新技术制造的钠电池比锂电池的造价低得多,但容量不差分毫。目前,用钠和石墨烯制成的多层结构电池还处在测试阶段,钠离子电池的成本仅约为锂离子电池的1/100,因为钠本身价格低廉、储量丰富,而其化学性质又表明,可用质轻又低价的铝代替铜作为电池辅料。钠电池的缺点是寿命短、放电快,科学家们正在研究针对性的解决方案。

●固态电池

可能在不久的将来,汽车工业还会投入巨资和大量科技力量研发固态电池。因为它的制造成本比锂电池低60%,而且充电时间短,奉命也长。中国蔚来技术公司已将固态电池的生产安排在今年,全球产销量最大的日本丰田汽车公司和德国大众汽车公司把固态电池在其车上的应用计划安排在2025年,预计其他汽车公司在未来几年内也会陆续采用此种电池,因为制造和应用固态电池的障碍和技术难点几乎都已解决。

●室温液态金属电池

目前,所有的液态金属电池的工作温度都≥240℃,美国德克萨斯大学奥斯汀分校科学家开发出一种可在室温下工作的新型液态电池,兼具固态金属电池和液态金属电池优点:能储存更多的电量、更稳定、更节能、更环保。

●“秒充”电动汽车的量子电池

目前,在用电池的能量密度比碳氢化合物的低得多,所以导致电池续航时间短、充电时间长。韩国基础科学研究所复杂系统理论物理中心的科学家的研究表明,采用全局操作的量子电池可以实现充电速率成百倍地上升,从而可以实现充电时间缩短到约3min,实现“秒充”。

●美国和欧盟斥巨资研发车载电池

欧盟于早些时候设立30亿欧元研究基金推动车载电池项目研发,比利时、芬兰、法国、德国、意大利、波兰和瑞典等国家将为这个定于2031年前完成的计划提供多达32亿欧元资金。欧盟委员会称,预计该项目还将获得50亿欧元的私人投资,共计约将投入112亿多欧元用于研发车载电池。

结束语

我国是世界上最大的汽车产销国,2021年,汽车产销2608.2万辆和2627.5万辆;新能源汽车产销分别达到354.5万辆和352.1万辆,分别约占全球产销量的60%。我国已成为名副其实的电动汽车“世界工厂”。在世界10大车载电池生产公司中,我国占半数之多,也已成为车载电池“老大”。宁德时代新能源科技有限公司是世界第一大电池制造企业。我国在电动汽车及电池出口方面也是世界领军者。2021年,我国电动汽车出口量远远超过排名第二的德国。我国电动汽车品种多、价格合理、设计时尚,并且拥有产业聚集优势,在全球的影响力正在迅速扩大,正在欧洲、亚洲市场迅速打开销路,并准备拓展美洲市场。

另外,美国也在斥巨资发展电池生产。据外媒报道,美国政府将拨30多亿美元资助电动汽车动力电池制造,特别是大容量电池制造与废电池回收。近日,美国总统拜登对媒体宣布,美国将在2030年销售的汽车要有一半是电动汽车。此外,美国基础设施法还为政府划拨了数十亿美元资金用于购买电动公交车和安装电动汽车充电装置。

可见,全球电动汽车电池铝箔产业庞大的市场正在加速形成,我国企业也将引领全球电动汽车电池铝箔产业奋进新征程。

责任编辑:李开颜

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