李金文,張?zhí)煊?/p>

(天津忠旺鋁業(yè)股份有限公司,天津 301700)

隨著新能源市場的迅猛發(fā)展,動力電池領(lǐng)域呈現(xiàn)出高速發(fā)展趨勢。在動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,相對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)計靈活等優(yōu)點,已經(jīng)成為動力電池技術(shù)路線的一個重要選擇,廣泛應用于數(shù)碼產(chǎn)品、無人機、智能機器人、新能源汽車等領(lǐng)域[1]。可以預見未來幾年內(nèi)軟包鋰離子電池的市場份額及占比還將繼續(xù)擴大,應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率方面,國內(nèi)多數(shù)研究主要從箔軋工藝方面進行調(diào)整優(yōu)化[3,5-6],有一定的改善,還沒有達到行業(yè)先進水平。本實驗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 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用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,比較不同方案對最終成形性的影響,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 主要檢測項目

對上述試驗的成品進行縱向、橫向和45°方向力學性能及杯突測試,并對退火后0.5 mm厚的冷軋帶材的微觀組織進行對比分析。力學性能在Z100型萬能材料試驗機上進行室溫拉伸測試,杯突值試驗在GBS--60B型數(shù)顯自動杯凸試驗機上試驗,微觀組織使用AxioVert.A1型ZEISS光學顯微鏡進行觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 室溫力學性能

8021鋁合金電池軟包箔室溫力學性要求:抗拉強度85 MPa～100 MPa,伸長率大于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度、伸長率和杯凸值。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度為90 MPa～93 MPa,伸長率小于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,各項性能指標滿足要求,其抗拉強度為91 MPa～95 MPa,伸長率達到18.7%～24.8%,杯凸值為7.2 mm。這是因為提高熱軋坯料厚度,增大軋制變形量,有利于晶粒破碎,進一步細化晶粒,增大了伸長率及杯凸值。方案3在方案2的基礎(chǔ)上增加一次中間退火,并不能進一步提高最終成品的伸長率和杯凸值,反而略有降低,但是可適當降低材料縱、橫向的力學性能差異。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%,抗拉強度為95 MPa～99 MPa,伸長率達到20%～26%,杯凸值為7.6 mm,產(chǎn)品綜合性能進一步提高,達到國外同行業(yè)水平。

圖1 電池軟包箔抗拉強度

圖2 電池軟包箔伸長率

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性能均為45°方向抗拉強度和伸長率最大,縱方向次之,橫向抗拉強度最小。三個方向力學性能的差異間接反映了材料的各向異性。方案3生產(chǎn)的抗拉強度略低于方案2生產(chǎn)的抗拉強度。這主要是因為方案3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運動的阻力,使其抗拉強度有所下降。

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10 μm,這也是方案1生產(chǎn)的電池軟包鋁箔伸長率和杯凸值偏低的原因。方案2與方案1對比,晶粒尺寸平均25 μm,略有減小,但化合物細小彌散,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,這也是導致方案3伸長率和杯凸略有下降的原因[7-8]。方案4適當增加鈦含量,晶粒尺寸減小到21 μm,化合物均勻細小與方案2相當。

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。當變形量達到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?shù)脑颉６阼T造過程中適當提高細化劑用量,可進一步細化晶粒,對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,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)進行,塑性變形較均勻,且每個晶粒中塞積的位錯少,因應力集中引起的開裂機會較少,可在斷裂之前承受較大的變形量;此外,晶粒越細,晶界面積越大,晶界越曲折,越不利于裂紋的擴展,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)生應力集中,使得粗大第二相會斷裂或界面脫粘形成微裂紋,影響材料成形。因此化合物越細小均勻越有利于8021鋁合金電池軟包箔伸長率和杯凸值提升。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合生產(chǎn)實際及產(chǎn)品需求,方案4采用5.0 mm熱軋坯料厚度,同時鈦質(zhì)量分數(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率和杯突值,但可適當降低材料的各向異性。