鋰離子電池用銅箔的質(zhì)量管理

劉榮

摘 要：車(chē)用鋰離子電池的迅速發(fā)展使得電池行業(yè)對(duì)銅箔的質(zhì)量要求越來(lái)越高。銅箔作為鋰離子電池的關(guān)鍵原材料，其質(zhì)量水平嚴(yán)重影響著鋰離子電池的加工工藝和鋰離子電池的質(zhì)量。文章對(duì)銅箔質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)產(chǎn)生原因和質(zhì)量管控方法進(jìn)行了分析和研究，為優(yōu)化鋰離子電池的加工工藝、提升銅箔的質(zhì)量和成品率提供了強(qiáng)有力的保障。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；銅箔；質(zhì)量管理

經(jīng)過(guò)近20年的技術(shù)儲(chǔ)備，中國(guó)的鋰離子電池工藝已經(jīng)完全成熟，鋰離子電池不僅應(yīng)用于手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品，更是廣泛的用于私家車(chē)和大巴車(chē)系統(tǒng)，使得電動(dòng)汽車(chē)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。中國(guó)自主品牌的電動(dòng)汽車(chē)代表比亞迪，更是隨著國(guó)家主席的出訪(fǎng)，走出國(guó)門(mén)，走向世界。銅箔作為鋰離子電池的重要原材料，在鋰離子電池中作為負(fù)極集流體，充當(dāng)負(fù)極電子流的收集與傳輸[1-3]，在2013年之前基本依賴(lài)于日韓進(jìn)口，進(jìn)口銅箔價(jià)格高，交期不確定，嚴(yán)重制約了鋰離子電池的發(fā)展。車(chē)用鋰離子電池的迅猛發(fā)展，推動(dòng)了銅箔國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)度，國(guó)產(chǎn)銅箔化可以大幅降低鋰離子電池的成本，使其更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但是國(guó)產(chǎn)銅箔在生產(chǎn)工藝和制造過(guò)程控制上，尚待完善，成品率較低，銅箔的行業(yè)成品率水平在80%左右，所以提升國(guó)產(chǎn)電解銅箔的質(zhì)量迫在眉睫。

1 電解銅箔的外觀(guān)不良及其管控方法

電解銅箔在制造過(guò)程和存儲(chǔ)過(guò)程由于加工工藝和存儲(chǔ)環(huán)境的不同，往往會(huì)出現(xiàn)外觀(guān)花紋和色差，以及外觀(guān)凹凸點(diǎn)的質(zhì)量問(wèn)題。下面逐個(gè)闡述外觀(guān)的影響因素、失效模式及管控方法。

1.1 外觀(guān)花紋和色差

銅箔的外觀(guān)花紋有多種表現(xiàn)形式，有條紋狀花紋、人字形花紋、邊緣局部條狀花紋，這些不良品的產(chǎn)生和銅箔的多個(gè)制造工序有關(guān)。生箔過(guò)程的防氧化后的水洗能力不足或者噴嘴堵塞，防氧化電流不穩(wěn)定，防氧化液濃度低等都會(huì)造成外觀(guān)花紋以及外觀(guān)色差問(wèn)題。銅箔分切設(shè)備的輥表面臟污、設(shè)備漏油、員工用手直接觸摸銅箔都會(huì)造成銅箔外觀(guān)臟污。這類(lèi)不良電解銅箔會(huì)造成鋰離子電池的極片粘結(jié)力不均勻，影響鋰離子電池的循環(huán)性能。因此，要解決這類(lèi)外觀(guān)問(wèn)題，需要做下面幾項(xiàng)控制：控制生箔工序的電流，使電流值穩(wěn)定在工藝范圍內(nèi)；控制防氧化液的配比，使得濃度在合格范圍；生產(chǎn)過(guò)程中每隔1小時(shí)對(duì)水洗噴嘴進(jìn)行巡檢，發(fā)現(xiàn)噴嘴堵塞，立即維修設(shè)備，并對(duì)不良銅箔進(jìn)行標(biāo)示，在分切時(shí)將不良品去除，防止不良銅箔流出到客戶(hù)手里。

1.2 外觀(guān)凹凸點(diǎn)

銅箔制造工藝的生箔和分切工序?qū)Νh(huán)境潔凈度要求較高，鋰離子電池用銅箔，非常薄，硫酸銅溶液中的異物和空氣中的粉塵，以及收卷軸上的異物都能造成銅箔表面出現(xiàn)凹凸點(diǎn)。這類(lèi)銅箔在制作鋰離子電池時(shí)，會(huì)發(fā)生涂布機(jī)的噴頭剮蹭到凹凸點(diǎn)致使涂覆工序斷帶，生產(chǎn)停產(chǎn)，輕微的凹凸點(diǎn)，不容易被員工識(shí)別，涂覆極片后存在導(dǎo)電性不一致的問(wèn)題，做成鋰離子電池后，會(huì)造成電池內(nèi)阻高。所以銅箔的制造過(guò)程要嚴(yán)格控制粉塵，具體做法為：在溶銅工序增加3道精密過(guò)濾控制，徹底濾掉電解液中的雜質(zhì)；在生箔和分切工序安裝粉塵測(cè)試儀，使得車(chē)間粉塵度在十萬(wàn)級(jí)以?xún)?nèi)；規(guī)范車(chē)間員工通道和物流通道，將兩種通道分開(kāi)管控。以上方法的執(zhí)行，可以有效降低異物造成的銅箔凹凸點(diǎn)，提升銅箔的成品率。

銅箔在制造過(guò)程中，除了外觀(guān)問(wèn)題，還存在著基重、粗糙度等性能不良。下面分別詳細(xì)講述兩種性能不良的質(zhì)量管控方法。

2 銅箔的性能不良及管控方法

2.1 基重不均

由于鋰離子電池用的銅箔都比較薄，沒(méi)有一種既精密又穩(wěn)定的測(cè)試設(shè)備對(duì)銅箔的厚度進(jìn)行測(cè)試，所以行業(yè)內(nèi)普遍采用基重來(lái)表征銅箔的厚度。銅箔行業(yè)的基重水平在±3%波動(dòng)，如果銅箔基重波動(dòng)大，會(huì)使鋰離子電池制造工序的涂覆厚度出現(xiàn)波動(dòng)，造成極片厚度不均，影響電池之間的一致性。銅箔基重管控方法為：每日安排巡檢，每4小時(shí)對(duì)銅離子濃度巡檢一次，根據(jù)巡檢結(jié)果，及時(shí)對(duì)銅離子濃度進(jìn)行優(yōu)化；安排檢驗(yàn)人員巡檢生箔工序的電流并進(jìn)行記錄，當(dāng)生箔電流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，對(duì)銅箔基重進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可轉(zhuǎn)入下工序；對(duì)員工進(jìn)行檢驗(yàn)工作的培訓(xùn)，每生產(chǎn)一卷銅箔，安排檢驗(yàn)員對(duì)銅箔的基重進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果記錄在案。

2.2 表面粗糙度不均

表面粗糙度是指加工表面上具有較小的間距和峰谷所組成的微觀(guān)幾何形狀特性。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求動(dòng)力電池使用的銅箔的粗糙度RZ值≤2um。如果銅箔的粗糙度超出標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)造成鋰離子電池的涂覆工藝異常，表現(xiàn)為：涂覆后的極片外觀(guān)有凹坑。對(duì)粗糙度1.4um和2.1um的銅箔進(jìn)行SEM檢測(cè)，從SEM圖片可以看出，不同粗糙度的銅箔的表面狀態(tài)存在明顯差異，粗糙度為1.4um的銅箔（圖1），SEM圖片顯示出銅箔外觀(guān)平整；粗糙度為2.1um的銅箔（圖2），SEM圖片顯示出銅箔外觀(guān)有明顯凹坑點(diǎn)，經(jīng)過(guò)涂覆工藝加工后，涂覆后的極片外觀(guān)凹坑問(wèn)題更加嚴(yán)重。表面凹坑的極片做成的鋰離子電池存在一致性差，內(nèi)阻高等問(wèn)題[3]。所以銅箔制造過(guò)程應(yīng)控制粗糙度≤2um。控制粗糙度的措施主要有：每3個(gè)月對(duì)銅箔的陰極輥進(jìn)行離線(xiàn)打磨，打磨后用粗糙度儀器測(cè)試陰極輥的粗糙度，當(dāng)陰極輥的粗糙度達(dá)到出廠(chǎng)要求時(shí)，方可投入生產(chǎn)。除了對(duì)陰極輥進(jìn)行離線(xiàn)打磨，還需要增加在線(xiàn)打磨砂輪，在線(xiàn)打磨的砂輪的轉(zhuǎn)速和功率等參數(shù)都納入檢驗(yàn)員的檢驗(yàn)范圍，并如實(shí)記錄。此外還需對(duì)產(chǎn)出的銅箔進(jìn)行粗糙度的測(cè)試，測(cè)試頻次為一卷測(cè)試一次，一旦發(fā)現(xiàn)有不良品，立即進(jìn)行降級(jí)處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)銅箔質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生原因和失效模式以及管控方法進(jìn)行了分析和研究，為銅箔制造業(yè)降低銅箔的質(zhì)量問(wèn)題，提升銅箔的成品率，優(yōu)化鋰離子電池的加工工藝提供了強(qiáng)有力的保障。

參考文獻(xiàn)

[1]趙玲艷.鋰離子電池用銅箔的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].有色金屬加工，2008（01）：8-10.

[2]?；圪t.銅箔在鋰離子電池中的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].稀有金屬，2005（06）：898-902.

[3]江鵬，于彥東.銅箔在鋰離子二次電池中的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012（12）：3504-3510.