鄧 可

(中色科技股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215125)

近年來，世界新能源市場進(jìn)入快速擴(kuò)張通道，新型基礎(chǔ)材料如銅箔的需求也隨之迅速增長。鋰離子電池廣泛應(yīng)用于新能源領(lǐng)域，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，負(fù)極集流體(負(fù)極活性物質(zhì)的載體)與活性物質(zhì)充分接觸，為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道，具有收集和傳導(dǎo)負(fù)極電子相關(guān)的特性和優(yōu)勢。而電解銅箔本身具有良好的導(dǎo)電性、撓性、耐腐蝕性，功能涂層附著力佳，且制造工藝技術(shù)也已經(jīng)非常成熟，因此成為鋰離子電池負(fù)極集流體的優(yōu)選材料。

1 生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求

鋰離子電池用電解銅箔生產(chǎn)工藝分三道工序，溶銅、生箔和剪切(圖1)。

1.1 溶銅

溶銅制液包括原料預(yù)處理、溶銅、調(diào)整成分和過濾等。原料銅的預(yù)處理包括剪切和清洗，剪切有利于原料的溶解；清洗去除了油污、雜質(zhì)，保證了溶液的純度。銅料(銅線等)在硫酸、空氣的作用下在溶銅罐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)生成硫酸銅溶液，反應(yīng)式為，2Cu+O2+2H2SO4=2CuSO4+2H2O。再經(jīng)加料、過濾、調(diào)溫等處理，使電解液達(dá)到后續(xù)生產(chǎn)工藝需求，最后送至生箔機(jī)進(jìn)行生箔。

硫酸中的氯離子和鉛離子含量對產(chǎn)品和工藝過程有影響，其濃度要求嚴(yán)格。過濾可分為粗濾和精濾，作用是去除新制溶液和返回溶液中的有機(jī)物雜質(zhì)(膠質(zhì)、油脂等)。而金屬離子雜質(zhì)只能在溶銅過程中控制，一旦超標(biāo)則需更換溶液。要生產(chǎn)出高品質(zhì)的銅箔，銅離子濃度、硫酸濃度、溶液溫度及流速、添加劑等工藝參數(shù)的選擇十分重要。

圖1 鋰離子電池用電解銅箔的主要生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Main production process of electrolytic copper foil for lithium-ion batteries

1.2 生箔

在直流電作用下，生箔機(jī)電解槽內(nèi)溶液中的陽離子向陰極移動，在鈦質(zhì)陰極輥表面還原成金屬銅，這一過程的反應(yīng)式為，陰極：Cu2++2e→Cu，2H++2e→H2；陽極：4OH--4e→2H2O+O2，2SO42-+2H2O-4e→2H2SO4+O2。經(jīng)過成核、生長，逐漸形成箔。這一層箔隨著陰極輥的轉(zhuǎn)動，剝離后經(jīng)過表面處理(防氧化處理)，卷取成卷材。而槽液經(jīng)過電解后，濃度發(fā)生變化，Cu2+含量下降，H2SO4含量升高，返回到污液槽調(diào)整成分。通過電解和溶液制備兩個(gè)過程，電解液中的Cu2+和H2SO4含量保持平衡。

根據(jù)法拉第第一電解定律公式，通過電化當(dāng)量、電解槽中通過的電流強(qiáng)度和時(shí)間，可以計(jì)算出電極上反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量，然后通過調(diào)整電流大小、陰極輥轉(zhuǎn)速來控制銅箔的厚度。如陰極輥直徑為2700mm，輥面寬度為1380mm，再配合陰極輥轉(zhuǎn)速(5.5m/min為例)，可計(jì)算出生箔的厚度153g/m2(18μm)。

1.3 剪切

卷取的銅箔在分切機(jī)上剪切成客戶需要的寬度、重量，最后經(jīng)檢查合格后包裝、入庫。

2 主要生產(chǎn)裝備

2.1 溶銅

(1)原材料處理設(shè)備。主要包括輥剪機(jī)、清洗槽組。根據(jù)原材料情況確定，一般原材料選用電解銅，也可采用銅米或光亮銅線。電解銅的剪切在輥剪機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，而且能利用剪切產(chǎn)生的應(yīng)力使銅板微微卷曲。清洗裝置分為堿洗、清洗、酸洗、清洗，堿洗去除金屬表面的油污，清洗除去堿洗后表面附帶的堿性物質(zhì)或酸性物質(zhì)，酸洗槽除去表面的氧化物。

(2)溶銅設(shè)備。溶銅設(shè)備溶銅罐、污液槽、凈液槽(高位槽)、儲液槽等，要求溶銅罐以及儲液罐具有一定的防氧化、防酸、防碰撞能力，一般選用不銹鋼(316L)。溶液凈化過程分為粗過濾與精過濾，粗過濾器通常采用活性炭、硅藻土作為過濾介質(zhì)，精過濾一般選用濾芯過濾。板式換熱器主要用于溶液的加熱與冷卻。生箔過程的添加劑基本上在精過濾之后通過添加設(shè)備注入溶液中。

2.2 生箔

(1)陰極輥。鈦輥是電子生箔機(jī)回路的最終陰極元件。銅離子直接沉積在外層鈦圈的表面上，形成原箔。在保證生箔電流密度一定的條件下，通過增大電流強(qiáng)度和提高沉積面面積，達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。陰極輥直徑由原來的1m、1.5m、2.0m增加到2.2m、2.5m、2.7m，輥面寬度由1150mm增加到1400mm、2500mm。

(2)陽極板。由鈦基和涂層組成的陽極板目前得到廣泛應(yīng)用。涂層是金屬Ir和Ta的混合物，采用這種陽極材料，降低槽電壓的效果十分理想，生成的箔材厚度均勻性好。

(3)生箔機(jī)。生箔機(jī)組的用途主要用于原箔的生產(chǎn)。酸性電解液從通電的陰極輥和陽極板之間通過，銅離子被還原并結(jié)晶于陰極輥表面。

(4)鈦輥磨床。鈦輥磨床是用來將輥?zhàn)逾亴颖砻嫔系牟牧先コ?，修正受損部分，并在邊部重新鋪上一層材料，這是常規(guī)維修的一部分。

2.3 剪切

分切機(jī)用于將生箔機(jī)卷取得到的大卷銅箔剪切成供貨寬度、重量規(guī)格。

3 產(chǎn)品應(yīng)用及市場需求

3.1 產(chǎn)品應(yīng)用

鋰離子電池研究始于20世紀(jì)80年代，90年代進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，近年得到快速發(fā)展。其具有比能量高、體積小、循環(huán)性能好、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用作交通動力電源、電力儲能電源、移動通信電源、新能源儲能動力電源、航天軍工電源等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和新能源行業(yè)的發(fā)展，研究更高性能及附加值的鋰離子電池用銅箔，對銅箔制造業(yè)、電子、通訊、能源、交通、航空、軍工等行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的價(jià)值。

3.2 電解銅箔市場需求

根據(jù)CCFA統(tǒng)計(jì)，2020年我國電解銅箔的總產(chǎn)能達(dá)到60.52萬t，比2019年增加了7.16萬t，年增長率達(dá)到13.4%；其中電子電路銅箔37.62萬t，鋰電池銅箔22.90萬t。2020年我國電解銅箔的產(chǎn)量為48.88萬t，比2019年增加了5.82萬t，年增長率大約為13.5%；其中，電子電路銅箔33.54萬t，同比上升14.8%；鋰電池銅箔15.34萬t，同比上一年度增長10.8%。電子電路銅箔中內(nèi)資企業(yè)總產(chǎn)量17.17萬t，占比51.2%；鋰電池銅箔內(nèi)資企業(yè)總產(chǎn)量14.60萬t，占比95.2%。

電解銅箔產(chǎn)品應(yīng)用仍以電路板為主流，但鋰電銅箔占比不斷提升，已由2018年占比15%迅速增長至2020年近40%。在鋰電銅箔中，動力電池用銅箔占比超過50%，是需求增長最大的應(yīng)用領(lǐng)域。預(yù)計(jì)全球鋰電銅箔的需求量于2023年將達(dá)到58萬t/a。國內(nèi)電解銅箔生產(chǎn)企業(yè)有：龍電華鑫集團(tuán)、建滔銅箔集團(tuán)、安徽銅冠銅箔集團(tuán)、江銅-耶茲銅箔等。近兩年鋰電銅箔擴(kuò)產(chǎn)積極，但產(chǎn)能兌現(xiàn)周期長。2021年即將實(shí)現(xiàn)新增電解銅箔的13.7萬t產(chǎn)能中，瞄準(zhǔn)鋰電銅箔市場的產(chǎn)能約11.5萬t，占比83.9%，成為近年來鋰電銅箔新增年產(chǎn)能最多的一年。

4 結(jié)論

新能源汽車的發(fā)展，對鋰電池提出了高能量密度、輕量化和高安全性的極致化要求。鋰電池用銅箔必須向超薄、高強(qiáng)度方向發(fā)展，這就要求銅箔生產(chǎn)企業(yè)迅速提高科研生產(chǎn)水平，以匹配應(yīng)用端的發(fā)展需求。而國內(nèi)動力電池龍頭企業(yè)的技術(shù)布局引領(lǐng)著鋰離子電池乃至整個(gè)鋰離子電池行業(yè)的技術(shù)走向，影響著上游鋰電池銅箔行業(yè)的競爭態(tài)勢和發(fā)展。2020年是新能源汽車全球化元年，預(yù)計(jì)未來，由于國內(nèi)外碳排放法規(guī)更加嚴(yán)格，新能源汽車補(bǔ)貼政策更加完善，鋰電池需求將持續(xù)增加，這將加速輕量化銅箔的普及，鋰離子電池銅箔的需求增速態(tài)勢將持續(xù)。