CN109694963B - 新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材及其制备方法。铝锭经熔炼及精炼、保温静置及精炼、多道次除气、多级过滤后进行半连续铸造；铸锭经锯切、铣面后进行保温均匀化热处理；出炉热轧，再经过冷轧，清洗后再经中间退火；最后冷轧，切边后得到所述铝塑膜铝箔用冷轧带材坯料。本发明的冷轧带材具有洁净的表面和内部组织，无粗大中间相化合物，轧至铝塑膜用铝箔厚度20μm~40μm后无针孔，满足铝塑膜在阻隔性、冷冲压成型性、耐穿刺性、化学稳定性和绝缘性方面的使用需求。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材及其制备方法。
背景技术
基于新能源汽车销量的增长、电池更新换代、锂电替代铅酸电池以及出口市场的拉动，动力电池将是中国锂电池未来增长最大的驱动引擎。目前，商业化的锂离子电池封装形式主要有三种：铝塑膜软包、方形硬壳、圆柱形硬壳。软包电池的发展前景较好，主要原因是其能量密度、安全性都较硬壳电池更好。鉴于软包电池的优势，其在新能源汽车市场的渗透率正不断提升，未来软包电池在各类型电池中的占比有望超过50%。
铝塑膜是软包锂电池的封装材料，是由：外层尼龙层 /中间铝箔层/内层热封层构成的复合材料，层与层之间通过粘合剂进行结合。铝塑膜是新能源软包装锂电池封装的关键材料之一，起到保护内部电芯材料的作用，在阻隔性、冷冲压成型性、耐穿刺性、化学稳定性和绝缘性方面有严格要求。而厚度在20~40μm的铝箔是铝塑膜内起到隔绝空气和水汽，对壳体形状起到支撑作用的关键材料，铝塑膜用铝箔公认日本产铝箔质量最优，国内已有少量企业开始试制，但因为国内铝塑膜制造技术本就处于落后地位，因此推广效果并不理想。其主要原因就是铝箔所需要的冷轧带材坯料质量不过关，材料内部存在粗大化合物相或夹渣物，以及轧制过程材料表面有异物压入，导致冷轧带材轧至铝箔成品厚度时出现针孔，从而致使铝箔的密封性失效，最终可能导致成品电池漏液的严重后果。因此一种具有稳定、洁净、均匀细小内部组织及光洁外表的冷轧带材是能否制作出合格的新能源电池铝塑膜用铝箔的关键。
专利CN101066576B公开了一种铝箔基材的生产方法：将各组分占一定重量比例的铝合金材料加入熔炼炉中熔炼，然后采用双辊式连续铸轧机铸轧生产厚度5.0 ～ 10.0mm的坯料，再经过冷轧、热处理、精整等工序生产用户所需要的各种厚度的铝箔基材。该方法易在生产5.0~10.0mm坯料时产生中心层偏析，因为凝固方式的原因粗大中间相化合物聚集在带材中心层，经过冷轧无法完全破碎，轧薄后易导致针孔。此外该方法生产坯料时供料嘴与轧辊间隙的铝液氧化膜可能偶尔带入板材表面，同时双辊连续铸轧机轧辊上的起润滑作用的炭黑也易压入板材表面，这些都可能导致轧薄后产生针孔。此方法生产的冷轧带材用于允许有一定针孔数的食品箔是可行的，但无法用于不允许有针孔的新能源电池铝塑膜用铝箔。
发明内容
本发明的目的是解决目前国内无法很好的独立生产符合新能源动力电池铝塑膜要求铝箔的现状，开发出一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，提供既具有良好的后道次轧制性能，又具有均匀洁净的内部组织以及干净外表面的0.2~0.4mm冷轧带材，在经铝箔厂家轧至0.02~0.04mm厚度后，材料无针孔，表面无色差，满足新能源电池铝塑膜的使用要求，替代进口产品。
所述一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的化学成分按质量分数计包括：Si：0.03~0.10wt%；Fe：0.8~1.5wt%；Ti：≤0.005~0.015wt%；V：≤0.02wt%；其余微量元素单个元素含量≤0.05wt%，余量为Al；
所述一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，包含以下步骤：
（1）铝锭经熔炼、保温后，进行多道次精炼除气和多级熔体过滤提高熔体纯净度；
（2）铸锭经锯切、铣面后，进行560~610℃保温6~15小时均匀化热处理；
（3）出炉热轧，热轧厚度3.0~7.0mm，热轧终轧温度290~350℃；
（4）热轧卷材经过冷轧至厚度0.4~1.5mm后，清洗带材表面的油污和粉尘，再进行300~380℃保温2~10小时的中间退火；再冷轧到0.2~0.4mm厚度；
（5）对带材进行切边，得到本发明的新能源电池铝塑膜用铝箔的冷轧带材坯料。
步骤（1）所述熔炼步骤中：除常规的熔炼工艺外，为保证熔体不会因为在后续晶粒细化处理中Ti与V聚集形成大颗粒化合物，当V含量过高时在熔炼炉内加入含B量为5wt%（相对于AlB中间合金含量）的AlB中间合金进行除V；
在熔炼过程中Fe元素采用Al-Fe中间合金的方式加入，中间合金中Fe含量为10~30wt%，促使Fe元素均匀融入基体中，避免成分不均匀造成大块板条状的大尺寸初晶FeAl3相形成，导致铝箔厚度轧薄后中间相化合物不易变形铝箔穿孔；Si元素采用Al-Si中间合金的方式加入，中间合金Si含量10~15wt%，避免Si元素成分不均匀导致凝固时方块状的大尺寸初晶Si形成，导致铝箔厚度轧薄后中间相化合物不易变形铝箔穿孔；Si含量控制在一个较低的范围，促使合金凝固后更多的生成骨骼状的α相（Fe3SiAl12），减少长条状的β相（Fe2Si2Al9），使得在均匀化热处理过程中中间相化合物更容易熔断为小颗粒不连续的化合物相，在冷轧带材轧薄为铝箔的过程中不容易穿孔；
熔炼炉内采用Ar气混合KCl和MgCl2颗粒进行喷吹精炼，保温炉使用纯Ar气通过保温炉底部透气砖喷吹除气除渣。
步骤（1）所述熔体过滤工艺具体为：保温炉内经过前道处理后的熔体再经过多次板式过滤与深床过滤进行组合过滤，对熔体质量进行净化，可根据最终产品用于动力电池或电子产品电池的用途不同适当增减过滤道次。
步骤（3）热轧采用单道次大压下量的工艺进行，铸锭厚度520~650mm，热粗轧通过15~19道次轧至28~36mm厚度的中间坯，再通过3道次精轧轧至3.0~7.0mm，热轧终轧温度290~350℃；
步骤（4）所述冷轧工艺具体为：热轧卷材经过冷轧至厚度0.4~1.5mm后，使用40~80℃热水刷洗带材表面的油污和粉尘，再进行300~380℃保温2~10小时的中间退火；最终冷轧到0.2~0.4mm厚度；冷轧工序需对轧制油油品质量进行控制，关键指标轧制油胶质含量应≤300mg/100ml，轧制油透光率≥95%；
步骤（4）所述成品切边工艺，冷轧带材在成品切边过程为避免铝粉压入板面，在切边剪两侧设置吸尘装置搜集铝粉。
本发明的有益效果是：
本发明通过对Si、Fe元素调整，改进其加入方式，保证产品具有均匀细小的化合物相；对V元素进行控制，改进其去除方式，同时改进精炼、过滤工艺，保证产品具有洁净无夹渣的内部组织；通过对均匀化及热轧工艺调整，进一步确保材料内部化合物相的细小弥散均匀；通过对轧制工艺和中间退火工艺的匹配调整，保证产品具有较好的强度和延伸率；同时通过轧制过程中的油品控制和清洗，使得产品具有光洁无污染物的表面质量。最终的冷轧带材具有很好的可轧性，供给铝箔厂家经过后续轧制后表面质量均匀光洁，无油污残留附着，无针孔缺陷，经复合后产出的铝塑膜具有极佳的密封性和成形性，用于新能源动力电池经测试耐电解液无泄漏，满足使用要求。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于下例实施例。
实施例1
铝合金带材的成分按质量百分比计为：Si：0.064wt%；Fe：1.458wt%；Ti：0.010wt%；V：0.004%；余量为铝和不可避免的杂质。
一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法包括以下步骤：
1）在729℃的温度下，使用Al-Fe中间合金和Al-Si中间合金配料得到成分符合要求的熔体，经过KCl和MgCl2颗粒精炼、除渣后转入保温炉，转炉过程中使用保温炉底透气砖喷吹氩气精炼，持续至转炉完成后20分钟。
2）铝液静置处理40分钟后并经过30目加50目双级泡沫陶瓷过滤板过滤，再经过双转子除气装置喷吹氩气精炼和450mm深度的氧化铝球深床过滤后，通过低液位半连续铸造成520mm厚度铸锭。
3）所得铸锭锯除头尾部，铣除表面壳层后，经过加热炉600℃保温10小时处理。
4）铸锭经过热粗轧17道次轧为32mm中间坯后，经热精轧3道次连轧成5.1mm厚度的热轧坯料，终轧温度320℃。
5）热轧卷经过4道次冷轧至0.48mm后，在清洗线上经过60℃的热水刷洗。
6）清洗后的冷轧卷经过退火炉360℃4小时的中间退火后经冷轧轧至0.24mm。
7）0.24mm冷轧带材每边切除20mm后，即得到新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材
经测试，该带材抗拉强度为169MPa，屈服强度为151MPa，延伸率4.5%，内部组织均匀，中间相化合物尺寸小于5μm，晶粒尺寸小于50μm。
实施例2
铝合金带材的成分按质量百分比计为：Si：0.066wt%；Fe：1.033wt%；Ti：0.011wt%，V：0.008%；余量为铝和不可避免的杂质。
一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法包括以下步骤：
1）在732℃的温度下，使用Al-Fe中间合金和Al-Si中间合金配料得到成分符合要求的熔体，经过KCl和MgCl2颗粒精炼、除渣后转入保温炉，转炉过程中使用保温炉底透气砖喷吹氩气精炼，持续至转炉完成后10分钟。
2）铝液静置处理1小时后通过60目单级泡沫陶瓷板式过滤后，再通过双转子除气炉，并通过500mm厚度的氧化铝球深床过滤后，通过低液位半连续铸造铸为650mm厚度铸锭。
3）所得铸锭锯除头尾部，铣除表面壳层后，经过加热炉565℃保温12小时均匀化处理。
4）铸锭经过热粗轧19道次轧为30mm中间坯后，经热精轧3道次连轧成3.5mm厚度的热轧坯料，终轧温度300℃。
5）热轧卷经过3道次冷轧至1.0mm后，在清洗线上经过65℃的热水刷洗。
6）清洗后的冷轧卷经过退火炉370℃6小时的中间退火后经冷轧轧至0.24mm。
7）0.24mm冷轧带材每边切除10mm后，即得到新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材。
经测试，该带材抗拉强度为175MPa，屈服强度为160MPa，延伸率2.8%，内部组织均匀，中间相化合物尺寸小于5μm，晶粒尺寸小于50μm。
对比例
铝合金带材的成分按质量百分比计为：Si：0.100wt%；Fe：1.150wt%；Ti：0.012wt%，V：0.007%；余量为铝和不可避免的杂质。
所述冷轧带材的制备方法包括以下步骤：
1）在730℃的温度下，使用Fe添加剂和速熔Si配料得到成分符合要求的熔体，经过氩气混合KCl和MgCl2颗粒精炼、除渣后转入保温炉。
2）铝液从保温炉出铝口通过单转子除气炉和30目和50目双级泡沫陶瓷板式过滤后，通过双辊式连续铸轧机铸轧为厚度7.0mm的带坯。
3）所得带坯经过一道次冷轧轧至3.8mm厚度后，经过退火炉550℃保温6小时均匀化处理。
4）带材继续冷轧至厚度0.55mm，经过退火炉360℃保温4小时的中间退火后经冷轧轧至0.24mm厚度。
5）0.24mm冷轧带材每边切除10mm后，即得到对比例的冷轧带材。
经测试，该带材抗拉强度为160MPa，屈服强度为148MPa，延伸率2.7%，内部中间相化合物有约20%数量尺寸大于5μm，个别棒状β相（Fe2Si2Al9）尺寸达到15μm，晶粒尺寸小于50μm。
Claims (7)
1.一种新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材，其特征在于：所述带材的化学成分按质量分数计包括：Si：0.03~0.10wt%；Fe：0.8~1.5wt%；Ti：≤0.005~0.015wt%；V：≤0.02wt%，其余微量元素单个元素含量≤0.05wt%，余量为Al；所述带材的制备方法包含以下步骤：
（1）铝锭经熔炼、保温后，进行多道次精炼除气和多级过滤提高熔体纯净度；
（2）铸锭经锯切、铣面后，进行560~610℃保温6~15小时均匀化热处理；
（3）出炉热轧，热轧厚度3.0~7.0mm，热轧终轧温度290~350℃；
（4）热轧卷材经过冷轧至厚度0.4~1.5mm后，清洗带材表面的油污和粉尘，再进行300~380℃保温2~10小时的中间退火；再冷轧到0.2~0.4mm厚度；
（5）对带材进行切边，制得所述新能源电池铝塑膜用铝箔的冷轧带材；
步骤（1）所述熔炼步骤中Fe元素采用Al-Fe中间合金的方式加入，中间合金中Fe含量为10~30wt%；步骤（1）所述熔炼步骤中Si元素采用Al-Si中间合金的方式加入，中间合金中Si含量为10~15wt%。
2.根据权利要求1所述的新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的多道次精炼，是为减少熔体夹渣物和含气量，在熔炼炉采用Ar气混合KCl和MgCl2颗粒进行喷吹精炼，其中KCl在混合颗粒中的比例可按30~70wt%控制，剩余部分为MgCl2；保温炉为避免KCl和MgCl2颗粒残留污染熔体，使用纯Ar气通过保温炉底部透气砖喷吹除气除渣。
3.根据权利要求1所述的新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的多级过滤，是经过多次板式过滤与深床过滤的组合，对熔体质量进行净化，可根据铝箔用于动力电池或电子产品电池的用途不同适当增减过滤道次。
4.根据权利要求1所述的新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，其特征在于：步骤（3）热轧采用单道次大压下量的工艺进行，铸锭厚度520~650mm，热粗轧通过15~19道次轧至28~36mm厚度的中间坯，再通过3道次精轧轧至3~7mm。
5.根据权利要求1所述的新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，其特征在于：步骤（4）冷轧工序需对轧制油油品质量进行控制，关键指标轧制油胶质含量应≤300mg/100ml，轧制油透光率≥95%。
6.根据权利要求1所述的新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，其特征在于：步骤（4）中间退火前的清洗，采用40~80℃的热水进行板面刷洗。
7.根据权利要求1所述的新能源电池铝塑膜铝箔用冷轧带材的制备方法，其特征在于：步骤（5）成品切边时的带材两边部设有吸尘装置。
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