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表6 電池箔的力學(xué)性能

●電池箔市場

由于全球新能源車輛行業(yè)的高速發(fā)展，對鋰電池的需求旺盛拉動(dòng)了電池鋁箔需求快速上升。筆者認(rèn)為，在2010年—2030年期間，沒有哪種鋁產(chǎn)品的產(chǎn)量增長速度能比電池鋁箔高。2015年—2025年，鋰電池鋁箔產(chǎn)量的復(fù)合增長率可能達(dá)25%，如以2015年的產(chǎn)量30kt為基數(shù)，那么2025年的產(chǎn)量可能突破280kt，這是非常驚人的數(shù)字。1GWh鋰電池用鋁箔約750t。

●電池箔品質(zhì)

2017年，我國動(dòng)力電池生產(chǎn)廠家有約160家，生產(chǎn)鋰電池箔的約有70多家。電池箔是一種高技術(shù)產(chǎn)品，而且對其品質(zhì)要求越來越高，我國普通級(jí)箔（抗拉強(qiáng)度Rm=150N/mm2～180N/mm2）方面沒有問題，但在生產(chǎn)高強(qiáng)度、高精厚度偏差、高表面品質(zhì)方面還與發(fā)達(dá)國家有相當(dāng)大的差距。

電池箔的力學(xué)性能見表6。生產(chǎn)普通電池箔的技術(shù)與生產(chǎn)通用0.1mm箔的等同，很平常，但要生產(chǎn)高強(qiáng)度箔卻絕非易事，特別是生產(chǎn)厚度小于0.015mm的箔需要采用特殊工藝，同時(shí)需在設(shè)備與潤滑方面作一些改進(jìn)。

310N/mm2這個(gè)值是當(dāng)前1XXX系及8XXX系（AI-Li合金除外）合金箔材能夠達(dá)到的最高強(qiáng)度。電池箔的進(jìn)展不但要求其抗拉強(qiáng)度Rm越來越高，而且其厚度卻反其道而行，已從最初的20μm減薄到8μm，這個(gè)減薄過程是一步一步的，歷時(shí)20余年，20μm—16μm—15μm—13μm—12μm—10μm—9μm—8μm。再減薄的空間不太大了，因?yàn)樵跍p薄的同時(shí)，必須同步提高其抗拉強(qiáng)度Rm，否則耐破度不能滿足要求。

不斷地提高對電池箔抗拉強(qiáng)度Rm的要求，是為了減薄箔的厚度，以提高電池的能量密度。目前我國生產(chǎn)的電池箔的抗拉強(qiáng)度Rm都能達(dá)到160N/mm2，但要生產(chǎn)Rm≥200N/mm2則需要克服一些困難。

目前，電池箔的最薄厚度已達(dá)8μm，再減薄的空間不是太大。另外，有些電池企業(yè)要求厚度偏差＜±2%，實(shí)際很難達(dá)到，因?yàn)楫?dāng)前箔軋機(jī)的AGC控制系統(tǒng)無法達(dá)到這種控制精度。當(dāng)然，如若對現(xiàn)有的AGC系統(tǒng)加以改造有可能生產(chǎn)出厚差更精細(xì)的電池箔。

電池箔對表面品質(zhì)與切邊品質(zhì)的要求也比普通箔高。電池箔表面上不允許有直徑＞1mm的麻點(diǎn)，0.5mm～1mm的麻點(diǎn)應(yīng)＜3個(gè)/m2，0.5mm的麻點(diǎn)不允許成片出現(xiàn)＞1mm；暗面不允許有凸點(diǎn)，對于單面光箔，暗面不得有亮點(diǎn)；表面上允許有長度＜5mm的黑油線，但應(yīng)≤3條/m2；打底起皺長度應(yīng)≤10m。

切邊品質(zhì)應(yīng)高，不得有裂邊與毛刺。在無張力情況下，邊部波峰應(yīng)≤2mm，斷面鋁粉膠帶法檢測≤25個(gè)/（10cm）。

總之，電池箔要求的六要素缺一不可，即：最薄的厚度、最高的強(qiáng)度、最大的表面達(dá)因值、最小的厚度偏差、最優(yōu)的板形、最潔凈的表面。

電池及其鋁箔的新進(jìn)展

●5分鐘可充滿電的汽車電池

中國億緯鋰能股份有限公司與其合作伙伴以色列斯托多特公司（StoreDot）研制出一種只需5分鐘就能充滿電的鋰電池，這是鋰電池發(fā)展歷程上的一次小革命。1月19日，斯托多特公司為新電池的面世舉行推介會(huì)，這對電動(dòng)汽車的發(fā)展來說可不是一件小事，電動(dòng)汽車的充電時(shí)間將從目前的幾小時(shí)縮短到傳統(tǒng)汽車加油所需的短短幾分鐘。不過目前該電池還不能用于現(xiàn)有的汽車上，還需要一段改進(jìn)與完善時(shí)間，可能要到2025年后才能大規(guī)模地生產(chǎn)與應(yīng)用，因?yàn)檫€有許多工作要做，包括基礎(chǔ)設(shè)施方面的建設(shè)。

●軋制電池鋁箔的OPTIMILLR軋機(jī)

德國阿申巴赫公司（Achenbach）設(shè)計(jì)制造了一種名為“OPTIMILLR”的4輥不可逆軋機(jī)，是一種專用于軋制電池箔的“精準(zhǔn)軋機(jī)”，其附屬設(shè)備如剪切機(jī)、厚度控制儀、吹干系統(tǒng)、冷卻潤滑劑噴灑系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)，都是精心設(shè)計(jì)制造的，達(dá)到了前所未有的靈敏度和精確度。冷卻潤滑噴灑系統(tǒng)為阿申巴赫勻速噴灑系統(tǒng)R（Achenbach UniSprayR），帶材軋制時(shí)的邊部加熱系統(tǒng)為該公司特有的“熱邊系統(tǒng)”（Hot Edge System，HES），裝有特有的平整度監(jiān)控器 UniFlatR和自動(dòng)帶材平整度測量儀OPTIROLL MillFlat，還裝有支撐輥動(dòng)力可變凸度（DVC，DynamicVariable Crown）監(jiān)測儀。

為了軋制出完全能滿足六要素的電池箔，應(yīng)特別注意的是，箔材表面應(yīng)干干凈凈，不得有殘留軋制油，以確保箔材有良好的可焊性和足夠的達(dá)因值。高效的阿申巴赫吹干系統(tǒng)Achenbach UniDryR 能完全做到這一點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生任何帶邊滴油現(xiàn)象。高精縱剪線能確保所切帶材沒有毛刺（bur）、皺紋（wrinkle），有非常好的卷取質(zhì)量，卷材端面整整齊齊，猶如一層。

制取電池箔的車間應(yīng)非常潔凈，不但箔材本身應(yīng)潔凈，車間環(huán)境也應(yīng)無塵。阿申巴赫剪切機(jī)之上設(shè)有吸塵罩，可達(dá)到一級(jí)吸塵效果，保證剪切在無塵環(huán)境下進(jìn)行，吸氣氣流均勻無阻，氣流大小適當(dāng)，確保周圍環(huán)境保持最大的潔凈度。

另一個(gè)必須進(jìn)行的工作是應(yīng)對電池箔質(zhì)量進(jìn)行專門的檢查、測量和分析。該項(xiàng)工作不但能保證箔的質(zhì)量透明度，同時(shí)，對生產(chǎn)方與用戶都是非常有益的。該公司為進(jìn)行此項(xiàng)工作提供了一切工具與檢查手段。

電池外殼

不管是汽車電池還是其它電池都要有個(gè)堅(jiān)實(shí)的外殼，以保護(hù)電池本身不受損害，維持電池工作正常，這種外殼雖有種種形狀，但是都是用鋁合金1070-O圓片或其它形狀片沖制的。圓片Φ6～220mm，Φ偏差±0.05mm，厚度偏差-0.5～+0.10mm，產(chǎn)品厚度2～25mm，也可以更薄些。1070-O合金有良好的冷沖壓成形性能，實(shí)際上是一種常用的工業(yè)純鋁，其成分（質(zhì)量%）：Si0.20、F0.25、Cu0.04、Mn0.03、Mg0.03、Zn0.04、Ti0.03、V0.05，其它雜質(zhì)單個(gè)0.03，Al≥99.70。還可以用3003-O、H14或1050-O、H14合金冷沖制。也有一些公司研制出特殊的外殼合金，如日本聯(lián)合鋁業(yè)公司的MG212合金，其力學(xué)性能比3003、1050合金高得多。

鋰電池的封口鋁材為8021-O、H14、H16、3003-O、H14、1050-O合金。

新電池研發(fā)

新電池研發(fā)可從兩個(gè)方面進(jìn)行：一是對現(xiàn)行鋰電池進(jìn)行改進(jìn)，提高其壽命與續(xù)航里程，縮短充電時(shí)間，提高鋰的提取效率與降低生產(chǎn)成本；二是研發(fā)全新的高效新電池?，F(xiàn)在在這兩個(gè)方面都取得了非凡的成就。

●寧德時(shí)代公司的超級(jí)電池可行駛200萬公里

寧德時(shí)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車鋰電池研發(fā)與生產(chǎn)者。該公司研制出一種可持續(xù)使用16年、行駛總里程可達(dá)200萬公里的動(dòng)力電池，而目前電動(dòng)汽車電池的使用壽命約8年。該公司還在擴(kuò)展國際業(yè)務(wù)，在德國開設(shè)的首家國外工廠已于2021年運(yùn)營。

●日本的低成本高安全電池

如何降低鋰離子電池成本并提高其安全性，是研究人員一直追求的目標(biāo)。日本科學(xué)家堀江英明（Hidiaki Horie）發(fā)明出一種比鋰離子電池量產(chǎn)成本低90%的新型電池，同時(shí)具有高度的安全性。該研究是用樹脂結(jié)構(gòu)代替電池的金屬內(nèi)襯電極和液態(tài)電解質(zhì)，從而提高電池安全性并降低生產(chǎn)成本，因此大大簡化與加快了生產(chǎn)進(jìn)程。

●充電速度比鋰離子電池快60倍的石墨烯電池

澳大利亞布里斯班市的石墨烯制造集團(tuán)研發(fā)出新型的石墨烯鋁離子電池，其充電速度比鋰離子電池快60倍，儲(chǔ)能能力是最佳鋁基電池的3倍。石墨烯具有一系列優(yōu)異特性：硬度比鉆石還大、韌性比鋼更高、密度僅為鋼的1/200、有較高的導(dǎo)熱率和極佳的導(dǎo)電性、可進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成新的化合物、資源豐富。該公司稱，今年已開始生產(chǎn)用于個(gè)人電子產(chǎn)品等較小設(shè)備的紐扣式石墨烯鋁離子電池，2024年將生產(chǎn)電動(dòng)汽車用電池。

●物美價(jià)廉的鈉電池

俄羅斯和德國的研究人員發(fā)現(xiàn)，可用特殊結(jié)構(gòu)的鈉替代昂貴的稀有金屬鋰制造汽車電池。采用新技術(shù)制造的鈉電池比鋰電池的造價(jià)低得多，但容量不差分毫。目前，用鈉和石墨烯制成的多層結(jié)構(gòu)電池還處在測試階段，鈉離子電池的成本僅約為鋰離子電池的1/100，因?yàn)殁c本身價(jià)格低廉、儲(chǔ)量豐富，而其化學(xué)性質(zhì)又表明，可用質(zhì)輕又低價(jià)的鋁代替銅作為電池輔料。鈉電池的缺點(diǎn)是壽命短、放電快，科學(xué)家們正在研究針對性的解決方案。

●固態(tài)電池

可能在不久的將來，汽車工業(yè)還會(huì)投入巨資和大量科技力量研發(fā)固態(tài)電池。因?yàn)樗闹圃斐杀颈蠕囯姵氐?0%，而且充電時(shí)間短，奉命也長。中國蔚來技術(shù)公司已將固態(tài)電池的生產(chǎn)安排在今年，全球產(chǎn)銷量最大的日本豐田汽車公司和德國大眾汽車公司把固態(tài)電池在其車上的應(yīng)用計(jì)劃安排在2025年，預(yù)計(jì)其他汽車公司在未來幾年內(nèi)也會(huì)陸續(xù)采用此種電池，因?yàn)橹圃旌蛻?yīng)用固態(tài)電池的障礙和技術(shù)難點(diǎn)幾乎都已解決。

●室溫液態(tài)金屬電池

目前，所有的液態(tài)金屬電池的工作溫度都≥240℃，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分?？茖W(xué)家開發(fā)出一種可在室溫下工作的新型液態(tài)電池，兼具固態(tài)金屬電池和液態(tài)金屬電池優(yōu)點(diǎn)：能儲(chǔ)存更多的電量、更穩(wěn)定、更節(jié)能、更環(huán)保。

●“秒充”電動(dòng)汽車的量子電池

目前，在用電池的能量密度比碳?xì)浠衔锏牡偷枚?，所以?dǎo)致電池續(xù)航時(shí)間短、充電時(shí)間長。韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所復(fù)雜系統(tǒng)理論物理中心的科學(xué)家的研究表明，采用全局操作的量子電池可以實(shí)現(xiàn)充電速率成百倍地上升，從而可以實(shí)現(xiàn)充電時(shí)間縮短到約3min，實(shí)現(xiàn)“秒充”。

●美國和歐盟斥巨資研發(fā)車載電池

歐盟于早些時(shí)候設(shè)立30億歐元研究基金推動(dòng)車載電池項(xiàng)目研發(fā)，比利時(shí)、芬蘭、法國、德國、意大利、波蘭和瑞典等國家將為這個(gè)定于2031年前完成的計(jì)劃提供多達(dá)32億歐元資金。歐盟委員會(huì)稱，預(yù)計(jì)該項(xiàng)目還將獲得50億歐元的私人投資，共計(jì)約將投入112億多歐元用于研發(fā)車載電池。

結(jié)束語

我國是世界上最大的汽車產(chǎn)銷國，2021年，汽車產(chǎn)銷2608.2萬輛和2627.5萬輛；新能源汽車產(chǎn)銷分別達(dá)到354.5萬輛和352.1萬輛，分別約占全球產(chǎn)銷量的60%。我國已成為名副其實(shí)的電動(dòng)汽車“世界工廠”。在世界10大車載電池生產(chǎn)公司中，我國占半數(shù)之多，也已成為車載電池“老大”。寧德時(shí)代新能源科技有限公司是世界第一大電池制造企業(yè)。我國在電動(dòng)汽車及電池出口方面也是世界領(lǐng)軍者。2021年，我國電動(dòng)汽車出口量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過排名第二的德國。我國電動(dòng)汽車品種多、價(jià)格合理、設(shè)計(jì)時(shí)尚，并且擁有產(chǎn)業(yè)聚集優(yōu)勢，在全球的影響力正在迅速擴(kuò)大，正在歐洲、亞洲市場迅速打開銷路，并準(zhǔn)備拓展美洲市場。

另外，美國也在斥巨資發(fā)展電池生產(chǎn)。據(jù)外媒報(bào)道，美國政府將撥30多億美元資助電動(dòng)汽車動(dòng)力電池制造，特別是大容量電池制造與廢電池回收。近日，美國總統(tǒng)拜登對媒體宣布，美國將在2030年銷售的汽車要有一半是電動(dòng)汽車。此外，美國基礎(chǔ)設(shè)施法還為政府劃撥了數(shù)十億美元資金用于購買電動(dòng)公交車和安裝電動(dòng)汽車充電裝置。

可見，全球電動(dòng)汽車電池鋁箔產(chǎn)業(yè)龐大的市場正在加速形成，我國企業(yè)也將引領(lǐng)全球電動(dòng)汽車電池鋁箔產(chǎn)業(yè)奮進(jìn)新征程。