[发明专利]改善电池安全性能的铝箔及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种改善锂离子电池安全性能的铝箔及其制备方法和应用。该铝箔含有Si 0.09‑0.40wt％，Fe 0.39‑1.1wt％，Ti 0.0049‑0.025wt％，V0.008‑0.014wt％，Cu 0‑0.004wt％，Mn 0‑0.005wt％，Mg 0‑0.003wt％和Zn0‑0.01wt％。该铝箔通过在工业级10XX，11XX及80XX铝锭基材的基础上再添加上述少量合金元素制得，厚度较薄，强度提高。利用该铝箔制备的锂离子电池安全性能尤其是穿钉性能大幅度提升，自放电行为减轻，能量密度有较大的提高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池用铝箔，更具体地涉及一种改善锂离子电池安全性能的铝箔及其在制备锂离子电池上的应用。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、工作电压高、应用温度范围宽、循环寿命长等优点，而被广泛用作各种移动设备的电源，甚至在航空、航天、航海、汽车、医疗设备等领域中逐步取代其他的传统电池，尤其是其高能量密度特点更是为移动设备的小型化做出了重要贡献。

虽然锂离子电池比金属锂离子电池在安全性方面有了很大的提高，但仍存在着安全隐患，尤其是在滥用的情况下。这也是许多生产厂商及用户都十分关注的问题。锂离子电池在滥用的情况下其温度会急剧升高，甚至会导致出现冒烟、着火、爆炸等情况。以早期的钴酸锂/石墨体系为例，在充电时，石墨中的锂不是离子态，而且碳对其引力也不是很强，因此仍具有一定活性，可以与空气中水分发生放热反应，反应放出热量进一步激活锂亚原子，使其具有更高活性，导致反应进一步加剧，电池的温度会上升。导致电解液分解产生大量气体，内压急剧上升造成电池爆炸。此外，锂离子电池过热(150℃以上)同样会发生爆炸。

国际电工委员会标准IEC 60086-4:2000《原电池第4部分:锂电池安全要求》第2版中对锂电池的安全问题作了详细的定义，此外保险商实验室公司(UL)也制订了(UL-1642)安全标准作为锂电池生产商及用户的评估标准。

其中UL1642的穿钉测试标准是用直径为2.5mm的钢针沿锂离子电池正面以一定速度刺穿满充电状态的单体锂离子电池(如图1所示)，电池内部将发生局部短路，电池电压会迅速/逐步下降到零，电池内部因短路放电发热温度逐渐升高，当温度超过120℃后，锂电池中的电解液及隔离膜会受到破坏，这样会进一步加剧温度的上升，最终的结果是锂离子电池起火燃烧。

用于锂离子电池的铝箔用带坯料的生产一般采用两种方式生产：热轧法和铸轧法。

热轧法是将铝液精炼、净化处理后铸成大扁锭，经过铣床铣面，去除扁锭表面的氧化物和缺陷，然后加热，再在高于再结晶温度氢气保护气条件下轧制至几毫米厚铝坯备用。

铸轧法是让铝液通过一套装置引导到两个轧辊之间形成的“辊缝”中，通过两个轧辊的强行冷却、结晶和变形后，得到厚度为6mm-8mm的铸轧卷坯。

有文献表明，铝箔的加工工艺及铝箔的合金成分对铝箔用带坯料的结构及强度有较大的影响，只有好的带坯料才有可能进一步轧成10μm左右的锂离子电池用铝箔集流体。

代祖让等(开发铝热轧大扁锭、热轧坯料加工技术的分析，云南冶金，2004，Vol 6，p21-24)的研究表明热轧法所用铝锭的体积较大，在大塑性变形过程中，内部组织经历了多次回复、再结晶，使坯料在内部组织的均匀化、晶粒的尺寸与形状、点缺陷与线缺陷浓度变化等方面，均获得显著的改善。而铸轧法的铝液在两个轧辊之间的较窄辊缝中受到两轧辊的急剧冷却而结晶，凝固后的坯料同时受到两轧辊一定程度的轧制变形，所得到的铸轧板的内部组织属于半铸态结构，晶体的方向性较强。

杨钢等(轧制0.005mm铝箔用铸轧坯料的工艺研究，轻合金加工技术，2007.Vol.35.p16-19)选用1235型铸轧铝材制备0.005mm铝箔，他们认为铸轧材料的成分控制很重要。并且在铸轧时控制氢气含量，并提出铝材中第二晶相晶粒组织小于0.03mm时将导致材料加工硬化率提高，变形抗力增大，塑性降低。