Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiefahrzeuge weltweit ist die Produktion von Energiebatterien erheblich gestiegen. Als eines der Schlüsselmaterialien für Energiebatterien wächst die Nachfrage nach Batteriealuminiumfolie entsprechend.
Lithiumbatterien gehören heute zu den am häufigsten verwendeten wiederaufladbaren Batterien. Sie werden häufig in mobilen elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen eingesetzt. Aluminiumfolie für Lithiumbatterien spielt eine wesentliche Rolle bei der Elektronenleitung und Stromsammlung und ihre Marktaussichten sind eng mit der Entwicklung der Lithiumbatterieindustrie verbunden.
Was ist Aluminiumfolie für Lithiumbatterien?
Aluminiumfolie für LithiumbatterienBezieht sich im Allgemeinen auf Hochleistungsaluminiumfolie, die als Kathodenstromkollektor in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Sie ist auch als Batteriealuminiumfolie, Lithiumbatteriefolie oder Kathodenstromkollektor-Aluminiumfolie bekannt.
In einer Lithium-Ionen-Batterie sind Elektrodenmaterialien für die Speicherung und Freisetzung von Lithiumionen verantwortlich, während die Übertragung von Elektronen auf Stromkollektoren beruht. Die Hauptfunktion von Aluminiumfolie besteht darin, vom Kathodenaktivmaterial erzeugte oder empfangene Elektronen schnell zu sammeln und zum externen Stromkreis zu leiten.
Unter einer Power-Batterie versteht man im weitesten Sinne die folgenden Komponenten:
Kathodenmaterial: Zum Beispiel Lithiumeisenphosphat (LFP) und ternäre Lithiummaterialien, die Stellen für die Insertion und Extraktion von Lithiumionen bieten.
Anodenmaterial: Normalerweise Graphit, Silizium-Kohlenstoff-Materialien oder ähnliche Materialien.
Elektrolyt und Separator: Ermöglichen die Bewegung von Lithiumionen zwischen Kathode und Anode.
Stromabnehmer: Für die Kathode wird typischerweise Aluminiumfolie verwendet, während für die Anode im Allgemeinen Kupferfolie verwendet wird.
Daher ist Aluminiumfolie kein gewöhnliches Verpackungsmaterial. Es ist ein wichtiges Funktionsmaterial im Inneren einer Batteriezelle.
Warum wird Aluminiumfolie häufig für Kathoden von Leistungsbatterien verwendet?
1. Gute elektrische Leitfähigkeit
Aluminium verfügt über eine gute elektrische Leitfähigkeit und kann die Anforderungen an einen schnellen Elektronentransport an der Kathode erfüllen. Obwohl Kupfer eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Aluminium aufweist, bietet Aluminium ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit, Gewicht, Kosten und elektrochemischer Stabilität für Kathodenanwendungen.
2. Geringe Dichte
Aluminium hat eine viel geringere Dichte als Kupfer. Bei gleicher Fläche und Dicke wiegt Aluminiumfolie weniger und trägt so dazu bei, den Anteil inaktiver Materialien in der Batterie zu reduzieren.
Dieser Leichtgewichtsvorteil trägt dazu bei, die gravimetrische Energiedichte von Leistungsbatterien zu verbessern, sodass ein größerer Teil der Gesamtmasse der Batterie energiespeichernden aktiven Materialien zugewiesen werden kann.
3. Elektrochemische Stabilität
Im Betriebsspannungsbereich von Lithium-Ionen-Batteriekathoden kann Aluminium eine relativ stabile Oxidschicht bilden. Es bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit und elektrochemische Stabilität unter normalen Kathodenbetriebsbedingungen.
Im Vergleich dazu neigt Kupfer bei den hohen Potentialen auf der Kathodenseite zur Oxidation, weshalb es im Allgemeinen stattdessen als Anodenstromkollektor verwendet wird.
4. Gute Verarbeitbarkeit
Aluminiumfolie bietet ausreichende Festigkeit und Duktilität, um Belastungen und Verformungen bei der Herstellung von Batterieelektroden, der Zellmontage und der Wartung standzuhalten.
Es kann durch Hochgeschwindigkeitsbeschichtung, Kalandrieren, Schlitzen, Wickeln und Stapeln verarbeitet werden und eignet sich daher für die Batterieproduktion in großem Maßstab.
5. Hohe Reinheit
Aluminiumfolie in Batteriequalität weist einen hohen Reinheitsgrad auf, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Verunreinigungen auf die Batterieleistung, Konsistenz und langfristige Zuverlässigkeit zu minimieren.
Gängige Materialien für Batteriealuminiumfolie
1. Reine Aluminiumfolie der Serie 1xxx
Die 1xxx-Serie ist die dominierende Materialkategorie für Batterie-Aluminiumfolie. Zu den gängigen Qualitäten gehören 1060, 1070, 1235, 1145, 1050 und 1100. Ihre Hauptunterschiede liegen in der Reinheit des Aluminiums und dem Gehalt an Verunreinigungen.
1235 Aluminiumfolie
1235-Aluminiumfolie ist eine der am häufigsten verwendeten Qualitäten für Stromabnehmer von Lithium-Ionen-Batterien. Der Aluminiumgehalt muss im Allgemeinen mindestens 99,35 % betragen.
Bei entsprechender Kontrolle von Eisen (Fe), Silizium (Si) und anderen Elementen können mit 1235-Folien verbesserte mechanische Eigenschaften erzielt werden. Seine Zugfestigkeit kann typischerweise 110–150 MPa erreichen, bei guter Hitzebeständigkeit und Stanzformbarkeit.
1060 Aluminiumfolie
1060er Aluminiumfolie hat einen Aluminiumanteil von mindestens 99,60 %. Seine höhere Reinheit sorgt für eine bessere elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit als 1235-Aluminiumfolie.
Darüber hinaus verfügt es über stabilere chemische Eigenschaften und eignet sich daher für Anwendungen mit höheren Anforderungen an Haltbarkeit und Leistung.
1070 Aluminiumfolie
1070-Aluminiumfolie hat einen Aluminiumgehalt von mindestens 99,70 % und ist damit einer der reinsten Qualitäten, die üblicherweise auf dem Markt verwendet werden.
Seine sehr hohe Reinheit trägt zu einem geringeren spezifischen elektrischen Widerstand und einer hervorragenden Leitfähigkeit bei und macht es für Hochleistungsbatterieanwendungen geeignet.
1050 Aluminiumfolie
1050er Aluminiumfolie enthält mindestens 99,00 % Aluminium. Es handelt sich um eine hochreine Aluminiumfoliensorte der Einstiegsklasse mit relativ geringen Kosten.
1100 Aluminiumfolie
1100 ist ebenfalls eine reine Aluminiumsorte der 1xxx-Serie. Im Industriestandard Aluminium und Aluminiumlegierungsfolie für Lithium-Ionen-Batterien (T/ZZB 1203 – 2019) ist 1100 zusammen mit 1060 und 1070 als anwendbare Güteklasse aufgeführt.
2. Kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie
Carbonbeschichtete Aluminiumfolien haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Branchenschwerpunkt entwickelt.
Kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie wird durch Aufbringen einer leitfähigen Kohlenstoffbeschichtung auf die Oberfläche der Aluminiumfolie hergestellt. Diese Beschichtung kann den Grenzflächenkontakt zwischen der Aluminiumfolie und dem Kathodenmaterial verbessern, den Kontaktwiderstand verringern und die Beschichtungshaftung verbessern.
Es kann in gewissem Maße auch die Ladeleistung und die Zyklenstabilität des Akkus verbessern. Da die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien mit hoher Lade- und Entladegeschwindigkeit und langer Zyklenlebensdauer weiter wächst, wird erwartet, dass kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie eine breitere Anwendung finden wird.
3. Verbundaluminiumfolie
Verbundaluminiumfolie ist ein neues Material mit einer dreischichtigen „Sandwich“-Struktur. Es besteht in der Regel aus einer Polymerfolie, beispielsweise PET, in der Mitte, auf der auf beiden Seiten eine hauchdünne Aluminiumschicht aufgebracht ist.
Im Vergleich zu herkömmlicher reiner Aluminiumfolie bietet Verbundaluminiumfolie mehrere potenzielle Vorteile:
Geringeres Gewicht, was die Energiedichte der Batterie weiter verbessern kann;
Verbesserte Sicherheit bei Nageldurchdringung oder internen Kurzschlüssen;
Die Polymerschicht kann unter extremen Bedingungen schmelzen oder sich lösen, wodurch das Risiko einer dauerhaften Kurzschlussleitung verringert wird.
Verbundaluminiumfolie gilt als vielversprechende Richtung für leichte und hochsichere Batteriestromkollektoren der nächsten Generation.
Gemeinsame Temperamentsbedingungen
Auch der Härtezustand der Aluminiumfolie ist wichtig. Zu den üblichen Temperamenten gehören:
O-Temper: Weichgeglühter Zustand;
H-Temper: Kaltverfestigter Zustand;
H18: Vollharter Zustand;
H24: Halbharter Zustand.
Derzeit ist H18-Härtehärte eine der gängigen Bedingungen für Aluminiumfolien für Power-Batterien, da sie eine geeignete Festigkeit und Verarbeitungsstabilität bieten.
Position und Funktion von Aluminiumfolie in der Batteriestruktur
In einer Lithium-Ionen-Batterie wird typischerweise Aluminiumfolie als Kathodenstromkollektor verwendet. Es befindet sich unter der Kathodenmaterialbeschichtung und ist eng mit aktiven Kathodenmaterialien wie Lithiumeisenphosphat und ternären Kathodenmaterialien verbunden.
Zu den Hauptfunktionen von Aluminiumfolie gehören:
Aktuelle Sammlung
Aluminiumfolie sammelt effizient den Strom vom Kathodenaktivmaterial und leitet Elektronen zum externen Stromkreis.
Mechanische Unterstützung
Es bietet strukturelle Unterstützung für die Kathodenbeschichtung und hilft, Verformungen oder Schäden an der Elektrode während der Lade- und Entladezyklen zu verhindern.
Elektrochemische Schnittstelle
Eine stabile Grenzfläche zwischen Aluminiumfolie und Kathodenbeschichtung fördert den Elektronentransport und unterstützt effiziente elektrochemische Reaktionen.
Wärmemanagement
Aluminiumfolie kann die Wärmeübertragung und Wärmeableitung innerhalb der Elektrodenstruktur unterstützen und so zu einer verbesserten Batteriesicherheit und thermischen Stabilität beitragen.
Produktionsprozess von Lithiumbatterie-Aluminiumfolie
Die Herstellung von Aluminiumfolie in Batteriequalität erfordert eine strenge Kontrolle von Reinheit, Dicke, Oberflächenqualität, Ebenheit, Festigkeit und Sauberkeit.
1. Schmelzen von Aluminiumbarren
Hochreine Aluminiumrohstoffe werden geschmolzen und raffiniert, um den Wasserstoffgehalt zu reduzieren und den Grad der Verunreinigung zu kontrollieren und so die Reinheit und Konsistenz des Materials sicherzustellen.
2. Stranggießen und Walzen
Das geschmolzene Aluminium wird durch Stranggießen und Walzen zu Aluminiumband verarbeitet, das als Ausgangsmaterial für nachfolgende Walzprozesse dient.
3. Kaltwalzen und Folienwalzen
Das Aluminiumband wird mehreren Kaltwalz- und Folienwalzvorgängen unterzogen, um die Dicke zu reduzieren und gleichzeitig die Ebenheit, Kornstruktur, Oberflächenqualität und mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
Beispielsweise erfordert 12-μm-Lithiumbatterie-Aluminiumfolie eine hochpräzise Walzkontrolle, um eine gleichmäßige Dicke und stabile Leistung zu gewährleisten.
4. Oberflächenbehandlung
Eine Oberflächenbehandlung kann zur Verbesserung der Beschichtungshaftung, Korrosionsbeständigkeit, Benetzbarkeit und elektrochemischen Stabilität eingesetzt werden. Je nach Kundenwunsch kann die Folienoberfläche auch für die Kathoden-Slurry-Beschichtung optimiert werden.
5. Schneiden und Verpacken
Die fertige Aluminiumfolie wird je nach gewünschter Breite, Spulendurchmesser und Spulengewicht geschnitten. Eine ordnungsgemäße Verpackung ist unerlässlich, um die Kompatibilität mit automatisierten Batterieproduktionslinien sicherzustellen und Schäden, Feuchtigkeitseinwirkung oder Oberflächenverunreinigungen während des Transports zu verhindern.
Vergleich zwischen Aluminiumfolie und Kupferfolie
In Lithium-Ionen-Batterien wird typischerweise Aluminiumfolie als Kathodenstromkollektor verwendet, während normalerweise Kupferfolie als Anodenstromkollektor verwendet wird. Der Einsatz von Aluminiumfolie auf der Kathodenseite basiert auf ihren spezifischen physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften.
Elektrochemische Stabilität
Aluminiumfolie weist in der Hochpotential-Kathodenumgebung von Lithium-Ionen-Batterien eine gute Stabilität auf. Kupfer hingegen eignet sich besser für die Anodenseite mit niedrigerem Potential.
Elektrische Leitfähigkeit
Kupfer hat eine höhere elektrische Leitfähigkeit als Aluminium. Aluminium bietet jedoch eine ausreichend hohe Leitfähigkeit für die Kathodenstromsammlung und bietet gleichzeitig wichtige Vorteile in Bezug auf Gewicht, Kosten und elektrochemische Hochspannungskompatibilität.
Kosteneffizienz
Aluminiumfolie hat im Allgemeinen geringere Materialkosten als Kupferfolie und eignet sich daher besser für die Herstellung von Batterien in großem Maßstab.
Leichter Vorteil
Aluminium ist deutlich leichter als Kupfer. Die Verwendung von Aluminiumfolie auf der Kathodenseite trägt zur Reduzierung des Batteriegewichts bei und unterstützt eine höhere Energiedichte.
Anwendungsaussichten von Aluminiumfolie für neue Energiebatterien
Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien gehören zu den am weitesten verbreiteten wiederaufladbaren Batterietechnologien. Sie werden häufig in Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeugen, Elektrobussen, Energiespeichersystemen, Elektrowerkzeugen und anderen Anwendungen eingesetzt.
Als wichtiges Kathodenstromkollektormaterial ist Batteriealuminiumfolie eng mit dem Wachstum der Lithium-Ionen-Batterieindustrie verbunden.
Lithium-Polymer-Batterien
Lithium-Polymer-Batterien sind Batterien mit hoher Energiedichte, die für ihren flexiblen Formfaktor und ihr gutes Sicherheitspotenzial bekannt sind. In Lithium-Polymer-Batterien verwendete Aluminiumfolie ist häufig dünner, um leichte und flexible Batteriedesigns zu ermöglichen.
Wachsende Nachfrage durch New Energy Vehicles und Energiespeicher
Da die Märkte für Elektrofahrzeuge, Systeme für erneuerbare Energien, Energiespeicher im Netzmaßstab und tragbare elektronische Geräte weiter wachsen, wird erwartet, dass die Lithiumbatterieindustrie ihr langfristiges Wachstum fortsetzt.
Infolgedessen wird die Nachfrage nach Aluminiumfolie in Batteriequalität weiter steigen. Gleichzeitig werden Fortschritte in der Walztechnologie, der Oberflächenbehandlung, der Kohlenstoffbeschichtung, den Verbundstromkollektoren und der Qualitätskontrolle die Leistung der Aluminiumfolie für Lithiumbatterien weiter verbessern.
Zukünftige Batteriealuminiumfolien werden sich weiterentwickeln in Richtung:
Dünnere Dicke;
Höhere Reinheit;
Bessere Oberflächenqualität;
Verbesserte Festigkeit und Verarbeitungsstabilität;
Geringerer Innenwiderstand;
Verbesserte Beschichtungshaftung;
Größere Kompatibilität mit Schnellladesystemen und langlebigen Batteriesystemen;
CO2-ärmere und nachhaltigere Herstellung.
Aluminiumfolie in Batteriequalität ist zwar dünn, aber sie ist ein entscheidendes Material, das die Leistung, Sicherheit, das Leichtbaudesign und die Massenproduktion von Energiebatterien für neue Energiefahrzeuge unterstützt.