リチウムイオン電池の正極集電体にとって重要な材料であるアルミニウム箔は、電子を伝導するだけでなく、電池の内部抵抗、エネルギー密度、サイクル性能、製造効率に直接影響します。
MCアルミニウムは、高純度、良好な導電性、優れた延性、安定した加工性能を備えた1050、1060、1070、1235アルミニウム箔を供給しています。利用可能な厚さは通常 10 ～ 50μm の範囲であり、さまざまな電池の化学的性質や製造プロセスの要件を満たします。
リチウムイオン電池にはなぜ高性能アルミ箔が必要なのでしょうか?
典型的なリチウムイオン電池構造では、カソード材料はアルミニウム箔上にコーティングされ、アノード材料は一般に銅箔上にコーティングされます。アルミニウム箔はカソード活物質と外部回路の間に配置され、主に集電体および電子伝導媒体として機能します。
したがって、バッテリーのアルミホイル通常の工業用アルミ箔ではありません。複数の厳しい性能要件を満たす必要がある機能性素材です。
1. 良好な導電性
アルミニウムは導電性に優れており、電子伝達時の抵抗を軽減します。動力電池やエネルギー貯蔵電池では、安定した電気伝導性が効率的な充放電に貢献します。
2. 優れた延性
電池用アルミニウム箔は通常、コーティング、カレンダー加工、スリット、巻き取り、または積層のプロセスを経ます。フォイルの可塑性が不十分な場合、加工中にストリップの破損や亀裂が発生する可能性があります。
したがって、良好な伸びと均一な機械的特性は、バッテリーグレードのアルミニウム箔の重要な指標となります。
3. 安定した表面品質
正極スラリーはアルミ箔表面に均一に塗布する必要があります。傷、ピンホール、油汚れ、酸化斑点などの表面欠陥は、コーティングの均一性に影響を与え、その後バッテリーの製造品質に影響を与える可能性があります。
したがって、バッテリーグレードのアルミニウム箔には通常、明らかな欠陥のない清潔で滑らかな表面が必要です。
4. 正確な厚みと平面度の制御
厚さ 10 ～ 50μm の範囲は、比較的薄いアルミニウム箔仕様を表します。製造には、厚さの公差、平坦度、張力、コイルの品質を厳密に管理する必要があります。
特に電力およびエネルギー貯蔵電池では、アルミニウム箔の厚さは集電体の重量と電池全体のエネルギー密度に直接影響します。
バッテリー用アルミ箔合金: 1050、1060、1070、1235
1050アルミ箔
1050 アルミニウムには 99.50% 以上の Al が含まれています。 4 つのグレードの中でアルミニウム純度が最も低く、不純物制限が比較的緩いです。適度な導電性と耐食性を備えています。
コスト面での利点があるため、コスト重視のエネルギー貯蔵用途や、極度に低い内部抵抗が主な要件ではない特定の家庭用電化製品のバッテリー用途に適しています。より高性能なグレードがより広く採用されるにつれて、一部のバッテリー用途におけるそのシェアは徐々に減少しています。
1060アルミ箔
1060 アルミニウムには 99.60% 以上の Al が含まれており、非常に汎用性の高い材種と考えられています。
純度、導電性、耐電解質腐食性、圧延加工安定性のバランスが優れています。魅力的なコストパフォーマンス比を備えた 1060 は、性能とコストのバランスが必要なエネルギー貯蔵バッテリーや汎用パワーバッテリー用途に広く検討されています。
1070アルミ箔
1070 アルミニウムは、Al が 99.70% 以上含まれており、高純度のアルミニウム箔です。
不純物管理がより厳しく、導電性も優れています。電気抵抗率が比較的低いため、バッテリーの内部抵抗が低減され、高速かつ高エネルギー密度のアプリケーションに適しています。
1070 アルミニウム ホイルは、一般に、極めて低い内部抵抗が重要なハイエンドの民生用バッテリーや特殊な電源用として考慮されています。超薄型 10 ～ 12μm の仕様は、特に高エネルギー密度のアプリケーションに関連します。
1235 アルミ箔
1235 アルミニウムには 99.35% 以上の Al が含まれています。
一部の顧客は、公称アルミニウム純度が 1060 よりも低いにもかかわらず、なぜ 1235 が大規模電池生産に広く使用されているのか疑問に思うかもしれません。
1235 の目的は、単にアルミニウムの純度を最大化することではありません。その代わりに、合金は不純物レベルが制御され、圧延特性と伸び特性が最適化されるように設計されています。良好な引張強度、耐折損性、安定した溶接性が得られるため、動力電池の巻線工程に適しています。
1235アルミホイル新エネルギー車の動力バッテリーに広く使用されており、さまざまなナトリウムイオンバッテリー用途にも使用されています。
焼き戻し条件: O、H18、H24
O 焼き戻し - 焼きなまし
最も柔らかい状態で、最高の延性と成形性を提供します。
H18 — フルハード
これらの焼き戻し条件の中で最高の強度を提供しますが、伸びは低くなります。
H22 / H24 — セミハード
強度と伸びのバランスを実現します。
パワーバッテリーフォイルは通常、特定のバッテリー設計および製造要件に応じて、H18 またはその他の高強度条件で供給されます。
10～50μmから適切な厚さを選択するにはどうすればよいですか?
動力電池用の主流のアルミニウム箔は約 10 ～ 20μm に集中していますが、工業用の厚さの範囲は 10 ～ 50μm となります。厚さが異なると、エネルギー密度、機械的強度、安全性、コスト間のトレードオフが発生します。
10～15μm（極薄領域）
重量と非活物質の含有量を減らしてバッテリーのエネルギー密度を高めることが、動力用リチウムイオンバッテリーの一般的な傾向です。箔が薄くなるにつれて、引張強度、伸び、ピンホール制御に関する要件はますます厳しくなります。 10 μm クラスの箔に過度のピンホールがあると、局所的な微小短絡や熱暴走の危険が生じる可能性があります。さらに、箔はコーティングや巻き取り中に破損しやすいため、装置の能力と基板の品質の両方に高い要求が課せられます。
合金の選択: 主に 1070 と 1235。内部抵抗を低くするには 1070 を、優れた加工信頼性を求めるには 1235 を選択してください。
15～25μm（標準主流範囲）
強度とエネルギー密度のバランスを保ちます。これは、エネルギー貯蔵電池およびほとんどの中小型リチウム電池の厚さの「スイートスポット」です。箔破損のリスクが大幅に軽減され、この材料はコーティングやカレンダー加工に対する高いプロセス耐性を備えているため、高歩留まりの確保が容易になります。 1060 合金は、この厚さの範囲で最も広く使用されています。
25～50μm（アルミ箔厚め）
厚さが増すと箔自体の重量が増加し、活物質を配置するスペースが失われ、エネルギー密度が犠牲になります。ただし、優れた引張耐性と耐穿刺耐性、大電流条件下での発熱の低減、優れた耐振動性と耐衝撃性などの利点があります。これは、高出力特殊電源、特定の大型バッテリーセルのタブ基板、および機械的信頼性が最優先される用途で一般的に使用されます。
注記: 厚みが増すとバッテリーセルの総重量が増加し、エネルギー密度が低下します。したがって、必要な場合を除き、むやみに厚いアルミ箔を選択しないでください。
バッテリー用アルミ箔の品質要件
バッテリー用アルミ箔には非常に厳しい品質要件があり、従来の包装用アルミ箔よりもはるかに厳しい品質が要求されます。
厚さの許容差: 薄い箔の場合、±0.3 ～ 0.5 μm の許容差が必要です。厚さが大きく変動すると、コーティング後の電極シートの重量が不均一になり、セルの一貫性が損なわれる可能性があります。
表面品質: 均一な色、きれいな外観、平坦なプロファイル。明らかなロールマーク、孔食、ピンホール、または腐食の痕跡がないこと。しわ、斑点、輝線などの巻き欠陥がないこと。カラーバリエーションもありません。
清潔さ: 表面に油、強い油臭、目に見える油汚れがあってはなりません。
湿潤性: スラリーの良好な付着を確保するには、表面張力が少なくとも 32 ダイン (ダインペンテストで検証) である必要があります。
機械的特性: 高い引張強度と高い伸びが主要な要件です。標準グレードの箔には 160 ～ 180 MPa 以上の引張強さが必要ですが、動力電池用のアルミ箔には通常 180 MPa 以上が必要ですが、一部の用途では 200 MPa 以上、さらには 300 MPa 以上が要求されます。
電池用アルミ箔の応用シナリオ
家庭用電化製品のバッテリー (携帯電話、Bluetooth ヘッドセット、ラップトップなど): 高い導電性と低い内部抵抗を優先するため、1070 アルミニウム ホイルが推奨されます。エネルギー密度を高めるために、約0.03mmの極薄仕様も選択可能です。
動力バッテリー (新エネルギー車): 1235 アルミニウム ホイルが推奨されます。その強度と溶接の安定性は、充電および放電中に発生する機械的ストレスによく耐えます。一般的な厚さは 12 ～ 15 μm の範囲です。
エネルギー貯蔵電池: 1060 アルミニウム ホイルが推奨されており、厚さは 18 ～ 20 μm で、性能と費用対効果のバランスが取れています。
バッテリータブの用途: タブの一般的な合金グレードは 1070 と 1235 です。グレード 1235 は抵抗溶接プロセスに好まれますが、1070 は超音波またはレーザー溶接に優先されることがよくあります。
よくある質問
Q1: リチウムイオン電池の正極には、なぜ銅箔ではなくアルミ箔を使用しなければならないのですか?
A: 高電位では、緻密で安定した酸化アルミニウム (Al₂O₃) 不動態層がアルミニウムの表面に形成され、耐食性と耐酸化性が得られます。逆に、銅箔は高電位では酸化して破損する傾向があります。したがって、アルミニウム箔がカソード集電体の唯一の主流の選択肢です。
Q2: 動力電池に最も一般的に使用される合金グレードはどれですか?また、一般的な厚さはどれくらいですか?
A: グレード 1235 は動力電池分野で最も広く使用されている合金で、一般的な厚さは 12 ～ 15 μm です。その強度と溶接の安定性により、充電および放電サイクル中に発生する機械的ストレスに十分耐えることができます。
Q3: 生産プロセスにおける最大の技術的課題は何ですか?
A: ピンホール制御。アルミ箔の厚みが10μm以下になるとピンホールが急増し、製品の歩留まりを低下させる大きな要因となります。さらに、厚さの公差とシートの平坦度が重要な課題となります。
Q4: バッテリー用アルミ箔の価格はいくらですか?
A: 純度が高くなると、製造コストも高くなります。一般的な価格ランキングは、1070 > 1060 > 1050 > 1235 (1235 が最も純度が低く、コストパフォーマンスが最も優れています) です。ただし、実際の価格は、厚さ、焼き戻し（材料の状態）、調達量などの要因によっても異なります。