鋰離子電池用電解銅箔生產工藝技術及市場淺析

鄧 可

(中色科技股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215125)

近年來，世界新能源市場進入快速擴張通道，新型基礎材料如銅箔的需求也隨之迅速增長。鋰離子電池廣泛應用于新能源領域，在其結構設計中，負極集流體(負極活性物質的載體)與活性物質充分接觸，為電化學反應提供電子通道，具有收集和傳導負極電子相關的特性和優勢。而電解銅箔本身具有良好的導電性、撓性、耐腐蝕性，功能涂層附著力佳，且制造工藝技術也已經非常成熟，因此成為鋰離子電池負極集流體的優選材料。

1 生產工藝和技術要求

鋰離子電池用電解銅箔生產工藝分三道工序，溶銅、生箔和剪切(圖1)。

1.1 溶銅

溶銅制液包括原料預處理、溶銅、調整成分和過濾等。原料銅的預處理包括剪切和清洗，剪切有利于原料的溶解；清洗去除了油污、雜質，保證了溶液的純度。銅料(銅線等)在硫酸、空氣的作用下在溶銅罐內進行反應生成硫酸銅溶液，反應式為，2Cu+O2+2H2SO4=2CuSO4+2H2O。再經加料、過濾、調溫等處理，使電解液達到后續生產工藝需求，最后送至生箔機進行生箔。

硫酸中的氯離子和鉛離子含量對產品和工藝過程有影響，其濃度要求嚴格。過濾可分為粗濾和精濾，作用是去除新制溶液和返回溶液中的有機物雜質(膠質、油脂等)。而金屬離子雜質只能在溶銅過程中控制，一旦超標則需更換溶液。要生產出高品質的銅箔，銅離子濃度、硫酸濃度、溶液溫度及流速、添加劑等工藝參數的選擇十分重要。

圖1 鋰離子電池用電解銅箔的主要生產工藝流程Fig.1 Main production process of electrolytic copper foil for lithium-ion batteries

1.2 生箔

在直流電作用下，生箔機電解槽內溶液中的陽離子向陰極移動，在鈦質陰極輥表面還原成金屬銅，這一過程的反應式為，陰極：Cu2++2e→Cu，2H++2e→H2；陽極：4OH--4e→2H2O+O2，2SO42-+2H2O-4e→2H2SO4+O2。經過成核、生長，逐漸形成箔。這一層箔隨著陰極輥的轉動，剝離后經過表面處理(防氧化處理)，卷取成卷材。而槽液經過電解后，濃度發生變化，Cu2+含量下降，H2SO4含量升高，返回到污液槽調整成分。通過電解和溶液制備兩個過程，電解液中的Cu2+和H2SO4含量保持平衡。

根據法拉第第一電解定律公式，通過電化當量、電解槽中通過的電流強度和時間，可以計算出電極上反應產物的質量，然后通過調整電流大小、陰極輥轉速來控制銅箔的厚度。如陰極輥直徑為2700mm，輥面寬度為1380mm，再配合陰極輥轉速(5.5m/min為例)，可計算出生箔的厚度153g/m2(18μm)。

1.3 剪切

卷取的銅箔在分切機上剪切成客戶需要的寬度、重量，最后經檢查合格后包裝、入庫。

2 主要生產裝備

2.1 溶銅

(1)原材料處理設備。主要包括輥剪機、清洗槽組。根據原材料情況確定，一般原材料選用電解銅，也可采用銅米或光亮銅線。電解銅的剪切在輥剪機上進行，設備結構簡單，而且能利用剪切產生的應力使銅板微微卷曲。清洗裝置分為堿洗、清洗、酸洗、清洗，堿洗去除金屬表面的油污，清洗除去堿洗后表面附帶的堿性物質或酸性物質，酸洗槽除去表面的氧化物。

(2)溶銅設備。溶銅設備溶銅罐、污液槽、凈液槽(高位槽)、儲液槽等，要求溶銅罐以及儲液罐具有一定的防氧化、防酸、防碰撞能力，一般選用不銹鋼(316L)。溶液凈化過程分為粗過濾與精過濾，粗過濾器通常采用活性炭、硅藻土作為過濾介質，精過濾一般選用濾芯過濾。板式換熱器主要用于溶液的加熱與冷卻。生箔過程的添加劑基本上在精過濾之后通過添加設備注入溶液中。

2.2 生箔

(1)陰極輥。鈦輥是電子生箔機回路的最終陰極元件。銅離子直接沉積在外層鈦圈的表面上，形成原箔。在保證生箔電流密度一定的條件下，通過增大電流強度和提高沉積面面積，達到提高產量的目的。陰極輥直徑由原來的1m、1.5m、2.0m增加到2.2m、2.5m、2.7m，輥面寬度由1150mm增加到1400mm、2500mm。

(2)陽極板。由鈦基和涂層組成的陽極板目前得到廣泛應用。涂層是金屬Ir和Ta的混合物，采用這種陽極材料，降低槽電壓的效果十分理想，生成的箔材厚度均勻性好。

(3)生箔機。生箔機組的用途主要用于原箔的生產。酸性電解液從通電的陰極輥和陽極板之間通過，銅離子被還原并結晶于陰極輥表面。

(4)鈦輥磨床。鈦輥磨床是用來將輥子鈦層表面上的材料去除，修正受損部分，并在邊部重新鋪上一層材料，這是常規維修的一部分。

2.3 剪切

分切機用于將生箔機卷取得到的大卷銅箔剪切成供貨寬度、重量規格。

3 產品應用及市場需求

3.1 產品應用

鋰離子電池研究始于20世紀80年代，90年代進入產業化階段，近年得到快速發展。其具有比能量高、體積小、循環性能好、維護費用低等優點。廣泛用作交通動力電源、電力儲能電源、移動通信電源、新能源儲能動力電源、航天軍工電源等。隨著科學技術的進步和新能源行業的發展，研究更高性能及附加值的鋰離子電池用銅箔，對銅箔制造業、電子、通訊、能源、交通、航空、軍工等行業的發展具有十分重要的價值。

3.2 電解銅箔市場需求

根據CCFA統計，2020年我國電解銅箔的總產能達到60.52萬t，比2019年增加了7.16萬t，年增長率達到13.4%；其中電子電路銅箔37.62萬t，鋰電池銅箔22.90萬t。2020年我國電解銅箔的產量為48.88萬t，比2019年增加了5.82萬t，年增長率大約為13.5%；其中，電子電路銅箔33.54萬t，同比上升14.8%；鋰電池銅箔15.34萬t，同比上一年度增長10.8%。電子電路銅箔中內資企業總產量17.17萬t，占比51.2%；鋰電池銅箔內資企業總產量14.60萬t，占比95.2%。

電解銅箔產品應用仍以電路板為主流，但鋰電銅箔占比不斷提升，已由2018年占比15%迅速增長至2020年近40%。在鋰電銅箔中，動力電池用銅箔占比超過50%，是需求增長最大的應用領域。預計全球鋰電銅箔的需求量于2023年將達到58萬t/a。國內電解銅箔生產企業有：龍電華鑫集團、建滔銅箔集團、安徽銅冠銅箔集團、江銅-耶茲銅箔等。近兩年鋰電銅箔擴產積極，但產能兌現周期長。2021年即將實現新增電解銅箔的13.7萬t產能中，瞄準鋰電銅箔市場的產能約11.5萬t，占比83.9%，成為近年來鋰電銅箔新增年產能最多的一年。

4 結論

新能源汽車的發展，對鋰電池提出了高能量密度、輕量化和高安全性的極致化要求。鋰電池用銅箔必須向超薄、高強度方向發展，這就要求銅箔生產企業迅速提高科研生產水平，以匹配應用端的發展需求。而國內動力電池龍頭企業的技術布局引領著鋰離子電池乃至整個鋰離子電池行業的技術走向，影響著上游鋰電池銅箔行業的競爭態勢和發展。2020年是新能源汽車全球化元年，預計未來，由于國內外碳排放法規更加嚴格，新能源汽車補貼政策更加完善，鋰電池需求將持續增加，這將加速輕量化銅箔的普及，鋰離子電池銅箔的需求增速態勢將持續。