AA8021合金軟包鋰離子電池膜鋁箔組織和力學性能演變研究

宋 盼，萬澤全，賀有為，周 然，陳 健

（永杰新材料股份有限公司，杭州 311222）

0 前言

近幾年鋰電行業飛速發展，其中目前最常見的鋰電池包裝方式主要分鋼殼鋰離子電池、鋁殼鋰離子電池、軟包裝鋰離子電池三種。而軟包鋰離子電池具有安全性能好、重量輕、容量大、內阻小、設計靈活等優點，廣泛應用于數碼產品，目前也逐漸在手機、筆記本電腦、藍牙耳機、電子煙等電子市場中發展。可以預見未來幾年內軟包鋰離子電池的市場份額及占比還將繼續穩定擴大，應用范圍也將更加廣泛。由于鋰離子用鋁箔生產技術難度較大，有較高技術壁壘，目前主要被日韓企業壟斷。本文對國內某鋁企的8021鋁塑膜用鋁箔的生產工藝進行跟進，進行了組織結構和力學性能研究，并對比了國產和進口鋁箔的差距，為該產品國產化提供借鑒和參考。

作為電池包裝用材，軟包鋰離子電池用鋁箔需先進行復合。復合表層為尼龍層，既有裝飾性同時又保證中間Al層不被刮傷；中間鋁箔層主要起到成型及阻水、阻光作用；內層的CPP層為耐電解液層。因此，中間鋁箔層的質量高低直接影響到整個電池的質量好壞和使用壽命。而國產鋁箔深沖成型性能較差，國內原箔深沖大多在5.5 mm左右，而國外原箔深沖能達到7 mm以上，與國外鋁箔產品有一定差距。主要原因在于國產鋁箔的針孔較進口的不止多一個數量級，且對材料組織的控制存在差距。因此，國產鋁箔深沖成型性能提升成為國產鋁箔是否能被廣泛應用的基礎。

日本早在1985年就研究了鐵含量對鋁箔拉伸可成型性的影響，發現熱軋鋁箔中鐵含量在1.25%左右時具有優良的深沖性能，后來注冊了8021合金[1]。國內外多數專利[2-5]介紹了8021的生產工藝，但是對其組織和力學性能的研究卻幾乎為空白。鑒于此，本文對一款與進口鋁箔相當的8021合金箔的生產加工進行了組織演變跟蹤與研究，以探尋其中的關系與規律，為該鋁箔的國產化研究提供借鑒，彌補該領域的空白。

1 試驗過程

軟包鋰離子電池的結構如圖1所示。其中的鋁塑包裝膜采用8021鋁合金箔制成。

圖1 軟包鋰離子電池結構圖

1.1 工藝路線

8021合金為Al-Fe合金，其中Fe元素控制在1.2%～1.7%范圍內，在合金中形成Al3Fe第二相；Cu、Mn元素會提高再結晶溫度，影響后續退火，因此成分控制在＜0.01%。廈門廈順提出在8021中配加0.02%～0.03%的錳，但是經過重復試驗，發現其再結晶溫度比未加錳的溫度高10～20℃，存在粘卷的風險。而Ti元素在鑄造流程中以鋁鈦硼絲形式連續加入，以達到細化扁錠原始晶粒度的目的。該合金的化學成分見表1。

本試驗采用DC鑄造工藝，熔鑄工藝流程為：配料→投料→熔煉→成分配比→倒爐→精煉→靜置→在線除氣→過濾→鑄造，熔體溫度控制在730～750℃內。

本試驗壓延部分的生產工藝流程為：鋸切→銑面→均勻化→熱連軋→冷軋→中間退火→冷軋→切邊→鋁箔粗軋→鋁箔雙合軋制→分切→成品退火，最終得到0.04 mm×500 mm×4000 m的鋁箔卷。均勻化工藝采用560℃/10 h，中間退火工藝為310℃×2 h，鋁箔成品退火工藝240℃×10 h。

1.2 樣品制備

對鑄錠切頭約500 mm后進行橫截面取樣，試樣厚度為15 mm。將制成的金相鑲嵌樣拋光后進行陽極覆膜，并在金相顯微鏡和掃描電鏡下觀察其晶粒尺寸及形貌。

2 試驗結果

2.1 鑄錠組織

試驗合金的典型鑄態組織形貌見圖2。從圖中可知，合金的晶粒粗大，晶粒直徑為150 μm，第二相形貌為長條狀及塊狀，主要由Al3Fe以及Al-Al3Fe共晶組織組成。

圖2 鑄錠組織

從圖中可知，合金的晶粒粗大，第二相以Al3Fe為主，且其大小極不均勻，多數呈狗骨狀。

2.2 軋制組織

在馬弗爐內采用不同的溫度對試樣進行均勻化處理，觀察組織中第二相隨均熱溫度變化產生相變的演變過程。試驗結果如圖3所示。

圖3 不同均勻化溫度下第二相變化

在爐中采用不同溫度進行均勻化處理，使用SEM檢測第二相結果。發現在溫度大于560℃后，第二相組分完全轉化為Al-Fe合金相。

用SEM檢測每道次第二相尺寸、形貌及組分，觀察第二相的變化情況，結果如圖4～圖6所示。

圖4 熱軋卷的顯微組織

圖6 最大第二相尺寸

圖5 中間退火前后的顯微組織

結合金相數據以及電鏡數據可以發現8021合金的Al-Fe合金相組成為Al3Fe相，但是隨著加工率增大，第二相變得細小而彌散；中間退火前為纖維狀晶粒，中間退火后變為細小的等軸晶。

本試驗箔軋生產工藝流程為箔粗軋→箔精軋→分切→成品退火，成品厚度為40 μm。使用微型電子式萬能試驗機及微機控制全自動杯突試驗機對鋁箔成品的拉伸性能及杯突進行對比測試，每項測試3組，使用顯微鏡對金相組織進行對比，結果見圖7和表2。

圖7 成品鋁箔第二相形貌及尺寸

2.3 冷軋箔力學性能演變

本實驗各道次的力學性能變化如圖8所示。從圖中可以看出經過90左右%的冷加工后，箔材的抗拉強度達到180 MPa以上，但是延伸率非常差。經過中間退火和成品退火后，抗拉強度降低到90 MPa左右，延伸率則得到極大提升，提高了20%～25%。

圖8 8021每道次力學性能變化（沿軋制方向測試）

2.4 國產鋁箔和進口鋁箔對比

國產與進口鋁箔成品的力學性能對比結果見表2。

表2 國產鋁箔與進口鋁箔成品力學性能對比

從鋁箔成品第二相及力學性能對比分析結果可以看出，目前國產試驗鋁箔各方面數據與進口鋁箔接近。

采用精度為20 μm的針孔檢測儀進行在線檢查，結果發現，進口鋁箔針孔個數為0.00005個/m2，國產鋁箔針孔數為0.00152個/m2，二者相差近30倍，國產鋁箔還有較大改進空間。

3 結論

（1）8021合金以Fe為主要合金化元素，鑄錠中第二相主要由針狀Al-Fe相和Al-Fe共晶相組成。

（2）8021合金第二相隨均勻化退火溫度發生變化，當溫度超過560℃時，Al-Fe中間合金相完全相變為Al3Fe相。

（3）Al3Fe相在8021合金中以條狀及塊狀形貌存在，在后續軋制加工中難以破碎。

（4）國產AA8021合金軟包鋰離子電池膜鋁箔與進口鋁箔的組織和力學性能相當，可以替代進口鋁箔。同時國產鋁箔還存在進一步優化的空間。