Com o rápido desenvolvimento de novos veículos energéticos em todo o mundo, a produção de baterias de energia aumentou significativamente. Como um dos principais materiais usados em baterias de energia, a demanda por folhas de alumínio para baterias está crescendo proporcionalmente.
As baterias de lítio estão entre as baterias recarregáveis mais utilizadas atualmente. Eles são amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos móveis, veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. A folha de alumínio para baterias de lítio desempenha um papel essencial na condução de elétrons e na coleta de corrente, e suas perspectivas de mercado estão intimamente ligadas ao desenvolvimento da indústria de baterias de lítio.
O que é folha de alumínio para bateria de lítio?
Folha de alumínio para bateria de lítiogeralmente se refere à folha de alumínio de alto desempenho usada como coletor de corrente catódica em baterias de íon de lítio. Também é conhecido como folha de alumínio para bateria, folha de bateria de lítio ou folha de alumínio para coletor de corrente catódica.
Em uma bateria de íons de lítio, os materiais dos eletrodos são responsáveis por armazenar e liberar íons de lítio, enquanto a transferência de elétrons depende de coletores de corrente. A principal função da folha de alumínio é coletar e conduzir rapidamente elétrons gerados ou recebidos pelo material ativo do cátodo para o circuito externo.
Uma bateria elétrica pode ser amplamente entendida como consistindo nos seguintes componentes:
Material catódico: como fosfato de ferro-lítio (LFP) e materiais ternários de lítio, que fornecem locais para inserção e extração de íons de lítio.
Material do ânodo: Geralmente grafite, materiais de silício-carbono ou materiais semelhantes.
Eletrólito e separador: Permite que os íons de lítio se movam entre o cátodo e o ânodo.
Coletores de corrente: A folha de alumínio é normalmente usada para o cátodo, enquanto a folha de cobre é geralmente usada para o ânodo.
Portanto, a folha de alumínio não é um material de embalagem comum. É um material funcional crítico dentro de uma célula de bateria.
Por que a folha de alumínio é comumente usada para cátodos de baterias de energia?
1. Boa condutividade elétrica
O alumínio tem boa condutividade elétrica e pode atender aos requisitos de transporte rápido de elétrons no cátodo. Embora o cobre tenha maior condutividade elétrica que o alumínio, o alumínio oferece um excelente equilíbrio entre condutividade, peso, custo e estabilidade eletroquímica para aplicações catódicas.
2. Baixa densidade
O alumínio tem uma densidade muito menor que o cobre. Na mesma área e espessura, a folha de alumínio pesa menos, ajudando a reduzir a proporção de materiais inativos na bateria.
Esta vantagem leve ajuda a melhorar a densidade de energia gravimétrica das baterias de energia, permitindo que uma maior massa total da bateria seja alocada para materiais ativos que armazenam energia.
3. Estabilidade Eletroquímica
Dentro da faixa de tensão operacional dos cátodos das baterias de íons de lítio, o alumínio pode formar uma camada de óxido relativamente estável. Fornece boa resistência à corrosão e estabilidade eletroquímica sob condições normais de operação do cátodo.
Em comparação, o cobre é propenso à oxidação nos altos potenciais presentes no lado do cátodo, razão pela qual é geralmente usado como coletor de corrente anódica.
4. Boa processabilidade
A folha de alumínio oferece resistência e ductilidade suficientes para suportar tensões e deformações durante a fabricação de eletrodos de bateria, montagem de células e serviço.
Ele pode ser processado por meio de operações de revestimento, calandragem, corte, enrolamento e empilhamento em alta velocidade, tornando-o adequado para produção de baterias em grande escala.
5. Alta Pureza
A folha de alumínio para bateria tem alta pureza, o que ajuda a minimizar o impacto de impurezas no desempenho, consistência e confiabilidade da bateria a longo prazo.
Materiais comuns para folha de alumínio de bateria
1. Folha de alumínio puro da série 1xxx
A série 1xxx é a categoria de material dominante para folhas de alumínio para baterias. As classes comuns incluem 1060, 1070, 1235, 1145, 1050 e 1100. Suas principais diferenças estão na pureza do alumínio e no teor de impurezas.
Folha de alumínio 1235
A folha de alumínio 1235 é uma das classes mais utilizadas para coletores de corrente de bateria de íon de lítio. Seu teor de alumínio geralmente não deve ser inferior a 99,35%.
Com controle apropriado de ferro (Fe), silício (Si) e outros elementos, a folha 1235 pode alcançar propriedades mecânicas aprimoradas. Sua resistência à tração normalmente pode atingir 110–150 MPa, com boa resistência ao calor e moldabilidade de estampagem.
Folha de alumínio 1060
A folha de alumínio 1060 tem um teor de alumínio de pelo menos 99,60%. Sua maior pureza proporciona melhor condutividade elétrica e resistência à corrosão do que a folha de alumínio 1235.
Também possui propriedades químicas mais estáveis, tornando-o adequado para aplicações com maiores requisitos de durabilidade e desempenho.
Folha de alumínio 1070
A folha de alumínio 1070 tem um teor de alumínio de pelo menos 99,70%, o que a torna um dos graus de maior pureza comumente usados no mercado.
Sua pureza muito alta contribui para menor resistividade elétrica e excelente condutividade, tornando-o adequado para aplicações em baterias de alto desempenho.
Folha de alumínio 1050
A folha de alumínio 1050 contém pelo menos 99,00% de alumínio. É uma classe básica de folha de alumínio de alta pureza com custo relativamente baixo.
Folha de alumínio 1100
1100 também é um tipo de alumínio puro da série 1xxx. Na folha de alumínio e liga de alumínio padrão da indústria para baterias de íons de lítio (T/ZZB 1203—2019), 1100 é listado como um grau aplicável junto com 1060 e 1070.
2. Folha de alumínio revestida de carbono
Nos últimos anos, a folha de alumínio revestida de carbono tornou-se um importante foco da indústria.
A folha de alumínio revestida de carbono é produzida pela aplicação de um revestimento de carbono condutor na superfície da folha de alumínio. Este revestimento pode melhorar o contato da interface entre a folha de alumínio e o material do cátodo, reduzir a resistência de contato e aumentar a adesão do revestimento.
Também pode melhorar o desempenho da taxa e a estabilidade do ciclo da bateria até certo ponto. À medida que a demanda por baterias de alta potência e alta taxa de carga e descarga e de baterias de longa duração continua a crescer, espera-se que a folha de alumínio revestida de carbono tenha uma aplicação mais ampla.
3. Folha de alumínio composta
A folha de alumínio composta é um novo material com uma estrutura “sanduíche” de três camadas. Geralmente consiste em um filme polimérico, como o PET, no meio, com uma camada ultrafina de alumínio depositada em ambos os lados.
Em comparação com a folha de alumínio puro convencional, a folha de alumínio composto oferece várias vantagens potenciais:
Menor peso, o que pode melhorar ainda mais a densidade de energia da bateria;
Maior segurança sob penetração de pregos ou condições de curto-circuito interno;
A camada de polímero pode derreter ou desconectar sob condições extremas, ajudando a reduzir o risco de condução contínua de curto-circuito.
A folha de alumínio composta é considerada uma direção promissora para coletores de corrente de bateria leves e de alta segurança da próxima geração.
Condições comuns de temperamento
A condição de têmpera da folha de alumínio também é importante. Os temperamentos comuns incluem:
Têmpera O: Condição recozida macia;
Têmpera H: Condição de endurecimento por deformação;
H18: Condição totalmente dura;
H24: Condição meio dura.
Atualmente, o temperamento duro H18 é uma das principais condições para a folha de alumínio de bateria de energia, pois oferece resistência adequada e estabilidade de processamento.
Posição e função da folha de alumínio na estrutura da bateria
Em uma bateria de íon de lítio, a folha de alumínio é normalmente usada como coletor de corrente catódica. Ele está localizado abaixo do revestimento do material catódico e está intimamente ligado aos materiais ativos do cátodo, como fosfato de ferro-lítio e materiais catódicos ternários.
As principais funções da folha de alumínio incluem:
Coleção Atual
A folha de alumínio coleta com eficiência a corrente do material ativo do cátodo e conduz elétrons para o circuito externo.
Suporte Mecânico
Ele fornece suporte estrutural para o revestimento do cátodo e ajuda a prevenir deformações ou danos ao eletrodo durante os ciclos de carga e descarga.
Interface Eletroquímica
Uma interface estável entre a folha de alumínio e o revestimento catódico promove o transporte de elétrons e suporta reações eletroquímicas eficientes.
Gestão Térmica
A folha de alumínio pode ajudar na transferência e dissipação de calor dentro da estrutura do eletrodo, contribuindo para melhorar a segurança da bateria e a estabilidade térmica.
Processo de produção de folha de alumínio para bateria de lítio
A produção de folha de alumínio para bateria envolve controle rigoroso sobre pureza, espessura, qualidade da superfície, planicidade, resistência e limpeza.
1. Fusão de lingotes de alumínio
As matérias-primas de alumínio de alta pureza são derretidas e refinadas para reduzir o teor de hidrogênio e controlar os níveis de impurezas, garantindo a pureza e a consistência do material.
2. Fundição e Laminação Contínua
O alumínio fundido é processado através de fundição contínua e laminação para formar tiras de alumínio, que servem como material de base para processos de laminação subsequentes.
3. Laminação a frio e laminação de folhas
A tira de alumínio passa por múltiplas operações de laminação a frio e laminação de folhas para reduzir a espessura e, ao mesmo tempo, melhorar o nivelamento, a estrutura do grão, a qualidade da superfície e as propriedades mecânicas.
Por exemplo, a folha de alumínio com bateria de lítio de 12 μm requer controle de laminação altamente preciso para garantir espessura uniforme e desempenho estável.
4. Tratamento de superfície
O tratamento de superfície pode ser usado para melhorar a adesão do revestimento, a resistência à corrosão, a molhabilidade e a estabilidade eletroquímica. Dependendo dos requisitos do cliente, a superfície da folha também pode ser otimizada para revestimento de pasta catódica.
5. Corte e embalagem
A folha de alumínio acabada é cortada de acordo com a largura, diâmetro e peso da bobina necessários. A embalagem adequada é essencial para garantir a compatibilidade com linhas automatizadas de produção de baterias e para evitar danos, exposição à umidade ou contaminação da superfície durante o transporte.
Comparação entre folha de alumínio e folha de cobre
Em baterias de íon-lítio, a folha de alumínio é normalmente usada como coletor de corrente catódica, enquanto a folha de cobre é normalmente usada como coletor de corrente anódica. A utilização de folha de alumínio no lado do cátodo baseia-se nas suas propriedades físicas e eletroquímicas específicas.
Estabilidade Eletroquímica
A folha de alumínio tem boa estabilidade no ambiente catódico de alto potencial das baterias de íons de lítio. O cobre, por outro lado, é mais adequado para o lado anódico de menor potencial.
Condutividade Elétrica
O cobre tem maior condutividade elétrica que o alumínio. No entanto, o alumínio oferece condutividade suficientemente alta para coleta de corrente catódica, ao mesmo tempo que oferece vantagens importantes em peso, custo e compatibilidade eletroquímica de alta tensão.
Eficiência de custos
A folha de alumínio geralmente tem um custo de material mais baixo do que a folha de cobre, tornando-a mais adequada para a fabricação de baterias em larga escala.
Vantagem leve
O alumínio é significativamente mais leve que o cobre. Usar folha de alumínio no lado do cátodo ajuda a reduzir o peso da bateria e suporta maior densidade de energia.
Perspectivas de aplicação de folha de alumínio para baterias de nova energia
Baterias de íon-lítio
As baterias de íons de lítio estão entre as tecnologias de baterias recarregáveis mais amplamente utilizadas. Eles são comumente usados em eletrônicos de consumo, veículos elétricos, ônibus elétricos, sistemas de armazenamento de energia, ferramentas elétricas e outras aplicações.
Como principal material coletor de corrente catódica, a folha de alumínio para baterias está intimamente ligada ao crescimento da indústria de baterias de íons de lítio.
Baterias de polímero de lítio
As baterias de polímero de lítio são baterias de alta densidade de energia conhecidas por seu formato flexível e bom potencial de segurança. A folha de alumínio usada em baterias de polímero de lítio costuma ser mais fina para acomodar designs de bateria leves e flexíveis.
Demanda crescente de novos veículos energéticos e armazenamento de energia
À medida que os mercados de veículos eléctricos, sistemas de energia renováveis, armazenamento de energia à escala da rede e dispositivos electrónicos portáteis continuam a expandir-se, espera-se que a indústria das baterias de lítio mantenha o crescimento a longo prazo.
Como resultado, a demanda por folhas de alumínio para baterias continuará a aumentar. Ao mesmo tempo, os avanços na tecnologia de laminação, tratamento de superfície, revestimento de carbono, coletores de corrente compostos e controle de qualidade melhorarão ainda mais o desempenho da folha de alumínio da bateria de lítio.
A futura folha de alumínio para baterias continuará a se desenvolver em direção a:
Espessura mais fina;
Maior pureza;
Melhor qualidade superficial;
Maior resistência e estabilidade de processamento;
Menor resistência interna;
Melhor adesão do revestimento;
Maior compatibilidade com sistemas de bateria de carregamento rápido e longa vida útil;
Fabricação com baixo teor de carbono e mais sustentável.
A folha de alumínio para baterias pode ser fina, mas é um material crítico que apoia o desempenho, a segurança, o design leve e a produção em larga escala de novas baterias de energia para veículos.