Avec le développement rapide des véhicules à énergie nouvelle dans le monde, la production de batteries de puissance a considérablement augmenté. En tant que l’un des matériaux clés utilisés dans les batteries de puissance, la demande de papier d’aluminium pour batteries augmente en conséquence.
Les piles au lithium font partie des piles rechargeables les plus utilisées aujourd’hui. Ils sont largement utilisés dans les appareils électroniques mobiles, les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie. La feuille d’aluminium pour batteries au lithium joue un rôle essentiel dans la conduction électronique et la collecte de courant, et ses perspectives de marché sont étroitement liées au développement de l’industrie des batteries au lithium.
Qu'est-ce que le papier d'aluminium pour batterie au lithium ?
Feuille d'aluminium pour batterie au lithiumfait généralement référence à une feuille d'aluminium haute performance utilisée comme collecteur de courant cathodique dans les batteries lithium-ion. Il est également connu sous le nom de feuille d'aluminium pour batterie, feuille de batterie au lithium ou feuille d'aluminium pour collecteur de courant cathodique.
Dans une batterie lithium-ion, les matériaux des électrodes sont responsables du stockage et de la libération des ions lithium, tandis que le transfert des électrons repose sur des collecteurs de courant. La fonction principale de la feuille d'aluminium est de collecter et de conduire rapidement les électrons générés ou reçus par le matériau actif de la cathode vers le circuit externe.
Une batterie de puissance peut être globalement comprise comme composée des composants suivants :
Matériau cathodique : tels que le phosphate de fer et de lithium (LFP) et les matériaux au lithium ternaire, qui fournissent des sites pour l'insertion et l'extraction du lithium-ion.
Matériau de l'anode : généralement du graphite, des matériaux silicium-carbone ou des matériaux similaires.
Électrolyte et séparateur : permettent aux ions lithium de se déplacer entre la cathode et l'anode.
Collecteurs de courant : une feuille d'aluminium est généralement utilisée pour la cathode, tandis qu'une feuille de cuivre est généralement utilisée pour l'anode.
Le papier d’aluminium n’est donc pas un matériau d’emballage ordinaire. Il s’agit d’un matériau fonctionnel essentiel à l’intérieur d’une cellule de batterie.
Pourquoi le papier d’aluminium est-il couramment utilisé pour les cathodes de batteries électriques ?
1. Bonne conductivité électrique
L'aluminium a une bonne conductivité électrique et peut répondre aux exigences de transport rapide des électrons à la cathode. Bien que le cuivre ait une conductivité électrique plus élevée que l'aluminium, l'aluminium offre un excellent équilibre entre conductivité, poids, coût et stabilité électrochimique pour les applications cathodiques.
2. Faible densité
L'aluminium a une densité bien inférieure à celle du cuivre. À surface et épaisseur égales, la feuille d'aluminium pèse moins, ce qui contribue à réduire la proportion de matériaux inactifs dans la batterie.
Cet avantage en matière de légèreté contribue à améliorer la densité d’énergie gravimétrique des batteries de puissance, permettant ainsi d’allouer une plus grande partie de la masse totale de la batterie aux matériaux actifs de stockage d’énergie.
3. Stabilité électrochimique
Dans la plage de tension de fonctionnement des cathodes des batteries lithium-ion, l'aluminium peut former une couche d'oxyde relativement stable. Il offre une bonne résistance à la corrosion et une bonne stabilité électrochimique dans des conditions normales de fonctionnement de la cathode.
En comparaison, le cuivre est sujet à l’oxydation aux potentiels élevés présents du côté cathodique, c’est pourquoi il est généralement utilisé comme collecteur de courant anodique.
4. Bonne traitabilité
La feuille d'aluminium offre une résistance et une ductilité suffisantes pour résister aux contraintes et à la déformation lors de la fabrication des électrodes de batterie, de l'assemblage des cellules et de l'entretien.
Il peut être traité par des opérations de revêtement, de calandrage, de refendage, d’enroulement et d’empilage à grande vitesse, ce qui le rend adapté à la production de batteries à grande échelle.
5. Haute pureté
La feuille d'aluminium de qualité batterie est d'une grande pureté, ce qui permet de minimiser l'impact des impuretés sur les performances, la cohérence et la fiabilité à long terme de la batterie.
Matériaux courants pour le papier d’aluminium de batterie
1. Feuille d'aluminium pure série 1xxx
La série 1xxx est la catégorie de matériaux dominante pour la feuille d'aluminium pour batteries. Les qualités courantes incluent 1060, 1070, 1235, 1145, 1050 et 1100. Leurs principales différences résident dans la pureté de l'aluminium et la teneur en impuretés.
Feuille d'aluminium 1235
La feuille d’aluminium 1235 est l’une des qualités les plus utilisées pour les collecteurs de courant de batteries lithium-ion. Sa teneur en aluminium ne doit généralement pas être inférieure à 99,35 %.
Avec un contrôle approprié du fer (Fe), du silicium (Si) et d'autres éléments, la feuille 1235 peut atteindre des propriétés mécaniques améliorées. Sa résistance à la traction peut généralement atteindre 110 à 150 MPa, avec une bonne résistance à la chaleur et une bonne formabilité à l'emboutissage.
Feuille d'aluminium 1060
La feuille d'aluminium 1060 a une teneur en aluminium d'au moins 99,60 %. Sa pureté supérieure offre une meilleure conductivité électrique et une meilleure résistance à la corrosion que la feuille d'aluminium 1235.
Il possède également des propriétés chimiques plus stables, ce qui le rend adapté aux applications nécessitant des exigences de durabilité et de performance plus élevées.
Feuille d'aluminium 1070
La feuille d'aluminium 1070 a une teneur en aluminium d'au moins 99,70 %, ce qui en fait l'une des qualités les plus pures couramment utilisées sur le marché.
Sa très haute pureté contribue à une résistivité électrique plus faible et à une excellente conductivité, ce qui la rend adaptée aux applications de batteries hautes performances.
Feuille d'aluminium 1050
La feuille d'aluminium 1050 contient au moins 99,00 % d'aluminium. Il s’agit d’une qualité de papier d’aluminium de haute pureté d’entrée de gamme à un coût relativement faible.
1100 feuilles d'aluminium
1100 est également une nuance d'aluminium pur de la série 1xxx. Dans la norme industrielle Feuille d'aluminium et d'alliage d'aluminium pour batteries au lithium-ion (T/ZZB 1203—2019), 1100 est répertorié comme qualité applicable avec 1060 et 1070.
2. Feuille d'aluminium recouverte de carbone
Ces dernières années, les feuilles d’aluminium recouvertes de carbone sont devenues un élément important de l’industrie.
La feuille d'aluminium recouverte de carbone est produite en appliquant un revêtement de carbone conducteur sur la surface de la feuille d'aluminium. Ce revêtement peut améliorer le contact d'interface entre la feuille d'aluminium et le matériau de cathode, réduire la résistance de contact et améliorer l'adhérence du revêtement.
Cela peut également améliorer dans une certaine mesure les performances de débit et la stabilité du cycle de la batterie. Alors que la demande de batteries haute puissance, de charge et de décharge élevées et de batteries à longue durée de vie continue de croître, les feuilles d'aluminium recouvertes de carbone devraient voir une application plus large.
3. Feuille d'aluminium composite
La feuille d’aluminium composite est un nouveau matériau doté d’une structure « sandwich » à trois couches. Il est généralement constitué d'un film polymère, tel que du PET, au milieu, avec une couche d'aluminium ultra fine déposée sur les deux faces.
Par rapport à la feuille d’aluminium pur conventionnelle, la feuille d’aluminium composite offre plusieurs avantages potentiels :
Un poids réduit, ce qui peut encore améliorer la densité énergétique de la batterie ;
Sécurité améliorée en cas de pénétration de clous ou de conditions de court-circuit interne ;
La couche de polymère peut fondre ou se déconnecter dans des conditions extrêmes, contribuant ainsi à réduire le risque de conduction continue en court-circuit.
La feuille d’aluminium composite est considérée comme une direction prometteuse pour les collecteurs de courant de batterie légers et de haute sécurité de nouvelle génération.
Conditions d'humeur courantes
L’état de trempe du papier d’aluminium est également important. Les tempéraments courants comprennent :
O trempe : état recuit doux ;
État H : état écroui ;
H18 : Condition complètement dure ;
H24 : Etat mi-dur.
À l'heure actuelle, la trempe dure H18 est l'une des conditions principales pour la feuille d'aluminium pour batteries de puissance, car elle offre une résistance et une stabilité de traitement appropriées.
Position et fonction de la feuille d'aluminium dans la structure de la batterie
Dans une batterie lithium-ion, une feuille d’aluminium est généralement utilisée comme collecteur de courant cathodique. Il est situé sous le revêtement du matériau cathodique et est étroitement lié aux matériaux actifs cathodiques, tels que le phosphate de fer et de lithium et les matériaux cathodiques ternaires.
Les principales fonctions du papier d’aluminium comprennent :
Collection actuelle
La feuille d'aluminium collecte efficacement le courant du matériau actif de la cathode et conduit les électrons vers le circuit externe.
Assistance mécanique
Il fournit un support structurel au revêtement cathodique et aide à prévenir la déformation ou l’endommagement de l’électrode pendant les cycles de charge et de décharge.
Interface électrochimique
Une interface stable entre la feuille d'aluminium et le revêtement cathodique favorise le transport des électrons et prend en charge des réactions électrochimiques efficaces.
Gestion thermique
La feuille d'aluminium peut faciliter le transfert et la dissipation de la chaleur au sein de la structure de l'électrode, contribuant ainsi à améliorer la sécurité et la stabilité thermique de la batterie.
Processus de production de papier d’aluminium pour batteries au lithium
La production de papier d’aluminium de qualité batterie implique un contrôle strict de la pureté, de l’épaisseur, de la qualité de la surface, de la planéité, de la résistance et de la propreté.
1. Fonte des lingots d’aluminium
Les matières premières en aluminium de haute pureté sont fondues et raffinées pour réduire la teneur en hydrogène et contrôler les niveaux d'impuretés, garantissant ainsi la pureté et la cohérence des matériaux.
2. Coulée et laminage continus
L'aluminium fondu est traité par coulée continue et laminage pour former une bande d'aluminium, qui sert de matériau de base pour les processus de laminage ultérieurs.
3. Laminage à froid et laminage de feuilles
La bande d'aluminium subit de multiples opérations de laminage à froid et de laminage de feuilles pour réduire l'épaisseur tout en améliorant la planéité, la structure des grains, la qualité de surface et les propriétés mécaniques.
Par exemple, une feuille d'aluminium pour batterie au lithium de 12 µm nécessite un contrôle de roulement très précis pour garantir une épaisseur uniforme et des performances stables.
4. Traitement de surface
Un traitement de surface peut être utilisé pour améliorer l'adhérence du revêtement, la résistance à la corrosion, la mouillabilité et la stabilité électrochimique. En fonction des exigences du client, la surface de la feuille peut également être optimisée pour le revêtement en suspension cathodique.
5. Défendage et emballage
La feuille d'aluminium finie est découpée en fonction de la largeur, du diamètre et du poids de la bobine requis. Un emballage approprié est essentiel pour garantir la compatibilité avec les lignes de production automatisées de batteries et pour éviter les dommages, l'exposition à l'humidité ou la contamination des surfaces pendant le transport.
Comparaison entre la feuille d'aluminium et la feuille de cuivre
Dans les batteries lithium-ion, la feuille d’aluminium est généralement utilisée comme collecteur de courant cathodique, tandis que la feuille de cuivre est normalement utilisée comme collecteur de courant anodique. L’utilisation d’une feuille d’aluminium côté cathode repose sur ses propriétés physiques et électrochimiques spécifiques.
Stabilité électrochimique
La feuille d'aluminium a une bonne stabilité dans l'environnement cathodique à haut potentiel des batteries lithium-ion. Le cuivre, en revanche, convient mieux au côté anode à potentiel inférieur.
Conductivité électrique
Le cuivre a une conductivité électrique plus élevée que l'aluminium. Cependant, l'aluminium offre une conductivité suffisamment élevée pour la collecte du courant cathodique tout en offrant des avantages importants en termes de poids, de coût et de compatibilité électrochimique haute tension.
Rentabilité
La feuille d'aluminium a généralement un coût de matériau inférieur à celui de la feuille de cuivre, ce qui la rend plus adaptée à la fabrication de batteries à grande échelle.
Avantage léger
L'aluminium est nettement plus léger que le cuivre. L’utilisation d’une feuille d’aluminium du côté cathodique contribue à réduire le poids de la batterie et prend en charge une densité énergétique plus élevée.
Perspectives d'application de la feuille d'aluminium pour les batteries à énergie nouvelle
Piles lithium-ion
Les batteries lithium-ion font partie des technologies de batteries rechargeables les plus utilisées. Ils sont couramment utilisés dans l’électronique grand public, les véhicules électriques, les bus électriques, les systèmes de stockage d’énergie, les outils électriques et d’autres applications.
En tant que matériau clé de collecteur de courant cathodique, la feuille d’aluminium pour batteries est étroitement liée à la croissance de l’industrie des batteries lithium-ion.
Piles au lithium polymère
Les batteries au lithium polymère sont des batteries à haute densité énergétique connues pour leur facteur de forme flexible et leur bon potentiel de sécurité. La feuille d'aluminium utilisée dans les batteries au lithium polymère est souvent plus fine pour s'adapter aux conceptions de batteries légères et flexibles.
Demande croissante de véhicules à énergies nouvelles et de stockage d’énergie
Alors que les marchés des véhicules électriques, des systèmes d’énergie renouvelable, du stockage d’énergie à l’échelle du réseau et des appareils électroniques portables continuent de se développer, l’industrie des batteries au lithium devrait maintenir sa croissance à long terme.
En conséquence, la demande de papier d’aluminium de qualité batterie continuera d’augmenter. Dans le même temps, les progrès en matière de technologie de laminage, de traitement de surface, de revêtement de carbone, de collecteurs de courant composites et de contrôle qualité amélioreront encore les performances de la feuille d'aluminium des batteries au lithium.
Les futures feuilles d’aluminium pour batteries continueront à évoluer vers :
Épaisseur plus fine ;
Pureté supérieure ;
Meilleure qualité de surface ;
Résistance améliorée et stabilité de traitement ;
Résistance interne inférieure ;
Adhérence améliorée du revêtement ;
Meilleure compatibilité avec les systèmes de batterie à charge rapide et à longue durée de vie ;
Une fabrication à faible émission de carbone et plus durable.
La feuille d'aluminium de qualité batterie est peut-être mince, mais il s'agit d'un matériau essentiel qui soutient les performances, la sécurité, la conception légère et la production à grande échelle de batteries de véhicules à énergie nouvelle.