世界中で新エネルギー車の急速な発展に伴い、動力電池の生産量が大幅に増加しています。動力用電池の主要素材の一つとして、電池用アルミ箔の需要も高まっています。
リチウム電池は、現在最も広く使用されている充電式電池の 1 つです。これらは、モバイル電子機器、電気自動車、エネルギー貯蔵システムで広く使用されています。リチウム電池用アルミニウム箔は電子伝導と集電に重要な役割を果たしており、その市場見通しはリチウム電池産業の発展と密接に関係しています。
リチウム電池用アルミ箔とは何ですか？
リチウム電池用アルミ箔一般に、リチウムイオン電池の正極集電体として使用される高性能アルミニウム箔を指します。電池アルミニウム箔、リチウム電池箔、またはカソード集電体アルミニウム箔としても知られています。
リチウムイオン電池では、電極材料がリチウムイオンの貯蔵と放出を担当し、電子の移動は集電体に依存します。アルミニウム箔の主な機能は、カソード活物質によって生成または受信された電子を迅速に収集し、外部回路に伝導することです。
電源バッテリーは、次のコンポーネントで構成されるものとして広く理解できます。
カソード材料: リン酸鉄リチウム (LFP) や三元リチウム材料など、リチウムイオンの挿入および抽出の場所を提供します。
アノード材料: 通常はグラファイト、シリコンカーボン材料、または同様の材料です。
電解質とセパレーター: リチウムイオンがカソードとアノードの間を移動できるようにします。
集電体: 通常、カソードにはアルミニウム箔が使用され、アノードには銅箔が通常使用されます。
したがって、アルミ箔は通常の包装材ではありません。これはバッテリーセル内部の重要な機能材料です。
動力電池の陰極にアルミ箔がよく使われるのはなぜですか?
1. 良好な導電性
アルミニウムは優れた導電性を備えており、カソードでの迅速な電子輸送の要件を満たすことができます。銅はアルミニウムよりも高い電気伝導率を持っていますが、アルミニウムは、カソード用途において、伝導率、重量、コスト、および電気化学的安定性の優れたバランスを提供します。
2. 低密度
アルミニウムは銅よりも密度がはるかに低いです。同じ面積と厚さの場合、アルミ箔の重量は軽くなり、バッテリー内の不活性物質の割合を減らすのに役立ちます。
この軽量の利点は、パワーバッテリーの重量エネルギー密度の向上に役立ち、バッテリーの総質量のより多くをエネルギー貯蔵活物質に割り当てることができます。
3. 電気化学的安定性
リチウムイオン電池の正極の動作電圧範囲内では、アルミニウムは比較的安定した酸化物層を形成できます。通常のカソード動作条件下で優れた耐食性と電気化学的安定性を実現します。
比較すると、銅はカソード側に存在する高電位では酸化しやすいため、代わりにアノード集電体として一般的に使用されます。
4. 良好な加工性
アルミニウム箔は、バッテリー電極の製造、セルの組み立て、使用中の応力や変形に耐えるのに十分な強度と延性を備えています。
高速コーティング、カレンダー加工、スリット、巻き取り、積層などの加工が可能で、電池の大量生産に適しています。
5.高純度
バッテリーグレードのアルミニウム箔は純度が高いため、バッテリーの性能、一貫性、長期信頼性に対する不純物の影響を最小限に抑えることができます。
電池用アルミ箔の一般的な材質
1. 1xxxシリーズ純アルミニウム箔
1xxx シリーズは、バッテリー用アルミ箔の主要な材料カテゴリーです。一般的なグレードには、1060、1070、1235、1145、1050、および 1100 があります。それらの主な違いは、アルミニウムの純度と不純物の含有量にあります。
1235 アルミ箔
1235 アルミニウム箔は、リチウムイオン電池の集電体として最も広く使用されているグレードの 1 つです。そのアルミニウム含有量は一般に 99.35% 以上である必要があります。
鉄 (Fe)、シリコン (Si)、およびその他の元素を適切に制御することで、1235 箔の機械的特性を向上させることができます。その引張強さは通常 110 ～ 150 MPa に達し、優れた耐熱性とスタンピング成形性を備えています。
1060アルミ箔
1060 アルミニウム箔のアルミニウム含有量は少なくとも 99.60% です。純度が高いため、1235 アルミニウム箔よりも優れた導電性と耐食性が得られます。
また、化学的特性がより安定しているため、より高い耐久性と性能要件が求められる用途に適しています。
1070アルミ箔
1070 アルミニウム ホイルは、アルミニウム含有量が少なくとも 99.70% であり、市場で一般的に使用されている最高純度グレードの 1 つです。
非常に純度が高いため、電気抵抗率が低くなり、導電性に優れるため、高性能バッテリー用途に適しています。
1050アルミ箔
1050 アルミニウム箔には少なくとも 99.00% のアルミニウムが含まれています。比較的低コストのエントリーレベルの高純度アルミニウム箔グレードです。
1100アルミホイル
1100 も 1xxx シリーズの純アルミニウムグレードです。業界標準のリチウムイオン電池用アルミニウムおよびアルミニウム合金箔 (T/ZZB 1203—2019) では、1100 は 1060 および 1070 とともに適用グレードとしてリストされています。
2. カーボンコートアルミ箔
近年、カーボンコーティングされたアルミニウム箔が業界の重要な焦点となっています。
炭素被覆アルミニウム箔は、アルミニウム箔の表面に導電性炭素コーティングを施すことによって製造されます。このコーティングは、アルミニウム箔とカソード材料の間の界面接触を改善し、接触抵抗を低減し、コーティングの密着性を高めることができます。
また、バッテリーのレート性能とサイクル安定性もある程度向上します。高出力、高速充放電、長サイクル寿命の電池に対する需要が高まるにつれ、炭素被覆アルミニウム箔の用途はさらに広がることが期待されています。
3. 複合アルミ箔
複合アルミ箔は三層サンドイッチ構造の新素材です。通常、中央に PET などのポリマー フィルムがあり、その両側に極薄のアルミニウム層が蒸着されています。
従来の純アルミニウム箔と比較して、複合アルミニウム箔にはいくつかの潜在的な利点があります。
軽量化により、バッテリーのエネルギー密度がさらに向上します。
釘刺しまたは内部短絡状態における安全性の向上。
ポリマー層は極端な条件下では溶けたり切断したりする可能性があり、継続的な短絡伝導のリスクを軽減します。
複合アルミニウム箔は、軽量で安全性の高い次世代電池集電体の有望な方向性と考えられています。
一般的な気性状態
アルミ箔の焼き戻し状態も重要です。一般的な気質には次のようなものがあります。
O 焼き戻し: 軟質焼鈍状態。
H 焼き戻し: ひずみ硬化状態。
H18: フルハード状態。
H24：ハーフハード状態。
現在、H18ハードテンパーは、適度な強度と加工安定性を備えたパワーバッテリー用アルミ箔の主流条件の一つとなっています。
電池構造におけるアルミ箔の位置と機能
リチウムイオン電池では、通常、アルミニウム箔がカソード集電体として使用されます。これは、カソード材料コーティングの下に位置し、リン酸鉄リチウムや三元カソード材料などのカソード活物質と密接に結合しています。
アルミホイルの主な機能は次のとおりです。
現在のコレクション
アルミニウム箔は、カソード活物質から効率的に電流を収集し、電子を外部回路に伝導します。
機械的サポート
これは、カソードコーティングを構造的にサポートし、充電および放電サイクル中の電極の変形や損傷を防ぐのに役立ちます。
電気化学界面
アルミニウム箔と陰極コーティング間の安定した界面により、電子輸送が促進され、効率的な電気化学反応がサポートされます。
熱管理
アルミニウム箔は、電極構造内の熱伝達と熱放散を促進し、バッテリーの安全性と熱安定性の向上に貢献します。
リチウム電池用アルミ箔の製造工程
バッテリーグレードのアルミニウム箔の製造には、純度、厚さ、表面品質、平坦度、強度、清浄度に対する厳密な管理が必要です。
1. アルミインゴットの溶解
高純度のアルミニウム原料を溶解および精製して、水素含有量を削減し、不純物レベルを制御し、材料の純度と一貫性を確保します。
2. 連続鋳造と圧延
溶融したアルミニウムは連続鋳造と圧延によって処理され、その後の圧延プロセスの母材となるアルミニウム帯が形成されます。
3. 冷間圧延と箔圧延
アルミニウム ストリップは、平坦度、結晶粒構造、表面品質、および機械的特性を向上させながら、厚さを減らすために複数回の冷間圧延およびフォイル圧延操作を受けます。
例えば、12μmのリチウム電池用アルミ箔は、均一な厚みと安定した性能を確保するために、高精度の圧延制御が必要となります。
4. 表面処理
表面処理は、コーティングの密着性、耐食性、湿潤性、電気化学的安定性を改善するために使用される場合があります。顧客の要件に応じて、箔表面をカソード スラリー コーティング用に最適化することもできます。
5. スリットと包装
完成したアルミ箔を必要な幅、コイル径、コイル重量に合わせてスリットします。自動化されたバッテリー生産ラインとの互換性を確保し、輸送中の損傷、湿気への曝露、または表面汚染を防ぐには、適切な梱包が不可欠です。
アルミ箔と銅箔の比較
リチウムイオン電池では、通常、アルミニウム箔が正極集電体として使用され、銅箔が通常、負極集電体として使用されます。カソード側でのアルミニウム箔の使用は、その特有の物理的および電気化学的特性に基づいています。
電気化学的安定性
アルミニウム箔は、リチウムイオン電池の高電位の正極環境において優れた安定性を備えています。一方、銅は、電位の低いアノード側により適しています。
電気伝導率
銅はアルミニウムよりも高い電気伝導率を持っています。ただし、アルミニウムは、重量、コスト、および高電圧電気化学適合性の点で重要な利点を提供しながら、カソード集電に十分な高い導電性を提供します。
コスト効率
アルミニウム箔は一般に銅箔よりも材料コストが低いため、大規模な電池製造に適しています。
軽量の利点
アルミニウムは銅よりも大幅に軽いです。カソード側にアルミニウム箔を使用すると、バッテリーの重量が軽減され、より高いエネルギー密度がサポートされます。
新エネルギー電池用アルミ箔の応用展望
リチウムイオン電池
リチウムイオン電池は、最も広く使用されている充電式電池技術の 1 つです。これらは、家庭用電化製品、電気自動車、電気バス、エネルギー貯蔵システム、電動工具、その他の用途で一般的に使用されています。
電池用アルミニウム箔は、主要な正極集電体材料として、リチウムイオン電池産業の成長と密接に関係しています。
リチウムポリマー電池
リチウムポリマー電池は、柔軟な形状と優れた安全性で知られる高エネルギー密度の電池です。リチウムポリマー電池で使用されるアルミニウム箔は、軽量で柔軟な電池設計に対応するためにより薄いことがよくあります。
新エネルギー車とエネルギー貯蔵による需要の拡大
電気自動車、再生可能エネルギーシステム、グリッドスケールのエネルギー貯蔵、ポータブル電子機器の市場が拡大し続ける中、リチウム電池業界は長期的な成長を維持すると予想されています。
その結果、電池用アルミニウム箔の需要は今後も増加すると考えられます。同時に、圧延技術、表面処理、炭素コーティング、複合集電体、品質管理の進歩により、リチウム電池用アルミニウム箔の性能はさらに向上すると考えられます。
将来のバッテリー用アルミ箔は、次のことに向けて開発を続けます。
より薄い厚さ。
より高い純度。
表面品質が向上。
強度と加工安定性の向上。
内部抵抗が低い。
コーティングの密着性が向上。
急速充電および長サイクル寿命のバッテリー システムとの優れた互換性。
低炭素でより持続可能な製造。
バッテリーグレードのアルミニウム箔は薄いかもしれませんが、新エネルギー車用動力バッテリーの性能、安全性、軽量設計、および大規模生産をサポートする重要な素材です。