鋰離子電池用銅箔的質量管理

劉榮

摘 要：車用鋰離子電池的迅速發展使得電池行業對銅箔的質量要求越來越高。銅箔作為鋰離子電池的關鍵原材料，其質量水平嚴重影響著鋰離子電池的加工工藝和鋰離子電池的質量。文章對銅箔質量問題進行了詳細說明，對產生原因和質量管控方法進行了分析和研究，為優化鋰離子電池的加工工藝、提升銅箔的質量和成品率提供了強有力的保障。

關鍵詞：鋰離子電池；銅箔；質量管理

經過近20年的技術儲備，中國的鋰離子電池工藝已經完全成熟，鋰離子電池不僅應用于手機等數碼產品，更是廣泛的用于私家車和大巴車系統，使得電動汽車走進了千家萬戶。中國自主品牌的電動汽車代表比亞迪，更是隨著國家主席的出訪，走出國門，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極集流體，充當負極電子流的收集與傳輸[1-3]，在2013年之前基本依賴于日韓進口，進口銅箔價格高，交期不確定，嚴重制約了鋰離子電池的發展。車用鋰離子電池的迅猛發展，推動了銅箔國產化的進度，國產銅箔化可以大幅降低鋰離子電池的成本，使其更具市場競爭力。但是國產銅箔在生產工藝和制造過程控制上，尚待完善，成品率較低，銅箔的行業成品率水平在80%左右，所以提升國產電解銅箔的質量迫在眉睫。

1 電解銅箔的外觀不良及其管控方法

電解銅箔在制造過程和存儲過程由于加工工藝和存儲環境的不同，往往會出現外觀花紋和色差，以及外觀凹凸點的質量問題。下面逐個闡述外觀的影響因素、失效模式及管控方法。

1.1 外觀花紋和色差

銅箔的外觀花紋有多種表現形式，有條紋狀花紋、人字形花紋、邊緣局部條狀花紋，這些不良品的產生和銅箔的多個制造工序有關。生箔過程的防氧化后的水洗能力不足或者噴嘴堵塞，防氧化電流不穩定，防氧化液濃度低等都會造成外觀花紋以及外觀色差問題。銅箔分切設備的輥表面臟污、設備漏油、員工用手直接觸摸銅箔都會造成銅箔外觀臟污。這類不良電解銅箔會造成鋰離子電池的極片粘結力不均勻，影響鋰離子電池的循環性能。因此，要解決這類外觀問題，需要做下面幾項控制：控制生箔工序的電流，使電流值穩定在工藝范圍內；控制防氧化液的配比，使得濃度在合格范圍；生產過程中每隔1小時對水洗噴嘴進行巡檢，發現噴嘴堵塞，立即維修設備，并對不良銅箔進行標示，在分切時將不良品去除，防止不良銅箔流出到客戶手里。

1.2 外觀凹凸點

銅箔制造工藝的生箔和分切工序對環境潔凈度要求較高，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凹凸點。這類銅箔在制作鋰離子電池時，會發生涂布機的噴頭剮蹭到凹凸點致使涂覆工序斷帶，生產停產，輕微的凹凸點，不容易被員工識別，涂覆極片后存在導電性不一致的問題，做成鋰離子電池后，會造成電池內阻高。所以銅箔的制造過程要嚴格控制粉塵，具體做法為：在溶銅工序增加3道精密過濾控制，徹底濾掉電解液中的雜質；在生箔和分切工序安裝粉塵測試儀，使得車間粉塵度在十萬級以內；規范車間員工通道和物流通道，將兩種通道分開管控。以上方法的執行，可以有效降低異物造成的銅箔凹凸點，提升銅箔的成品率。

銅箔在制造過程中，除了外觀問題，還存在著基重、粗糙度等性能不良。下面分別詳細講述兩種性能不良的質量管控方法。

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，沒有一種既精密又穩定的測試設備對銅箔的厚度進行測試，所以行業內普遍采用基重來表征銅箔的厚度。銅箔行業的基重水平在±3%波動，如果銅箔基重波動大，會使鋰離子電池制造工序的涂覆厚度出現波動，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小時對銅離子濃度巡檢一次，根據巡檢結果，及時對銅離子濃度進行優化；安排檢驗人員巡檢生箔工序的電流并進行記錄，當生箔電流出現波動時，對銅箔基重進行檢驗，檢驗合格后方可轉入下工序；對員工進行檢驗工作的培訓，每生產一卷銅箔，安排檢驗員對銅箔的基重進行檢測，將檢測結果記錄在案。

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幾何形狀特性。國家標準要求動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準，會造成鋰離子電池的涂覆工藝異常，表現為：涂覆后的極片外觀有凹坑。對粗糙度1.4um和2.1um的銅箔進行SEM檢測，從SEM圖片可以看出，不同粗糙度的銅箔的表面狀態存在明顯差異，粗糙度為1.4um的銅箔（圖1），SEM圖片顯示出銅箔外觀平整；粗糙度為2.1um的銅箔（圖2），SEM圖片顯示出銅箔外觀有明顯凹坑點，經過涂覆工藝加工后，涂覆后的極片外觀凹坑問題更加嚴重。表面凹坑的極片做成的鋰離子電池存在一致性差，內阻高等問題[3]。所以銅箔制造過程應控制粗糙度≤2um。控制粗糙度的措施主要有：每3個月對銅箔的陰極輥進行離線打磨，打磨后用粗糙度儀器測試陰極輥的粗糙度，當陰極輥的粗糙度達到出廠要求時，方可投入生產。除了對陰極輥進行離線打磨，還需要增加在線打磨砂輪，在線打磨的砂輪的轉速和功率等參數都納入檢驗員的檢驗范圍，并如實記錄。此外還需對產出的銅箔進行粗糙度的測試，測試頻次為一卷測試一次，一旦發現有不良品，立即進行降級處理。

3 結束語

本文對銅箔質量問題進行了詳細說明，對質量問題的產生原因和失效模式以及管控方法進行了分析和研究，為銅箔制造業降低銅箔的質量問題，提升銅箔的成品率，優化鋰離子電池的加工工藝提供了強有力的保障。

參考文獻

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

[2]牛慧賢.銅箔在鋰離子電池中的應用與發展現狀[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用與發展[J].中國有色金屬學報，2012（12）：3504-3510.