電池箔軋制過程工藝與設備匹配性研究

周樹德，賀耀文

(新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013)

0 前言

受到制造技術和產業政策的刺激，以新能源汽車為代表的新能源產業出現快速發展和持續擴張的態勢，這種發展態勢在2018年已經形成并體現得較為明顯，在2019—2021年則出現涉及整合產業的爆發式增長。作為新能源汽車重要的配套材料，鋰電集流體用鋁箔(業內常說的電池箔)的市場需求出現井噴式的增長，目前鋁箔產品中，電池箔是市場前景最為廣闊的品種之一。隨著鋁箔產業工藝技術、加工設備及新能源電池箔持續向著高能量密度、高充放電速率及高安全性的持續快速發展，電池箔產品持續向著“更高強度、超薄化、寬幅化”的方向發展，因此對電池鋁箔軋機等核心加工設備[1]和電池鋁箔核心質量及其穩定性提出更高的要求，這種產業變化趨勢，也對設備與工藝之間的匹配性提出了更高的要求。

1 電池箔生產流程

依照坯料供貨方式的不同，電池鋁箔的加工流程有如下兩種。

DC模式(discontinuous casting and rolling)時鋰電池箔的基本加工流程如下：

熔煉鑄造(調成分)→鋸切銑面→均勻化退火→熱加工(含時效和切邊)→冷粗軋(厚料軋制)→冷精軋(薄料軋制)→切邊(薄箔剪)→箔軋(粗軋和中精軋)→分切(粗分)→分切(精分)→檢測包裝入庫。

CC模式(continuous casting rolling)時鋰電池箔的基本加工流程如下：

熔煉鑄造(調成分)→冷粗軋(厚料軋制)→均勻化退火→冷精軋(薄料軋制)→切邊(薄箔剪)→箔軋(粗軋和中精軋)→分切(粗分)→分切(精分)→檢測包裝入庫[1]。

影響主流電池箔企業產品競爭力的最主要因素為產品的穩定性?？紤]到成品率、材料強度等產品特點，國內主流的電池箔坯料供料方式為鑄軋供料。

2 電池箔質量指標

新能源電池制造行業對電池箔質量指標[2]的要求主要集中在成分(牌號)、針孔(數量及分布)、抗拉強度、厚度(系統偏差和厚度波動)、表面清潔性(達因值)、板型平整性(含一致性)、延伸率、切邊質量(毛刺高度)等多個方面[3]。目前電池箔產業所存在的影響產品競爭優勢的最大技術質量問題集中在電池箔板型及其穩定性、表面清潔性、頭尾廢料這三個大的方面，并通過內部的綜合成品率和外部的產品退貨率集中反映出來。

3 電池箔加工設備及核心部件

在電池箔持續向著高強度、大幅寬和超薄厚度方向發展的今天，寬幅超薄鋁箔的板型質量[4]成為電池箔質量管理中最為核心的內容，板型及其穩定性，基本就能代表一個電池箔廠的技術水平和在業內的地位。而對于電池箔加工設備而言，如圖1所示，板型的檢測和控制系統的裝機水平，是電池箔加工設備的最核心的組成部分，其核心要件至少包含如下三個部分[5]：

圖1 電池箔軋機在寬幅化過程中的典型結構圖

(1)平整度測量儀

該儀器可以與其他類型的設備配合使用，如自動化控制系統、厚度測量儀、高精度張力測量儀等。在動態過程中完成有關參數的測量和調整，精準進行箔材平直度的監測與反饋。

(2)動態可變凸度支承輥(VC/CVC輥)

使支承輥凸度動態可變，進而實現箔帶平整度的連續控制，是動態可變凸度支承輥的重要作用。在當前軋機幅寬從1 850 mm向2 300 mm持續轉向的情況下，動態可變凸度支承輥對鋁箔類高強度產品的板型控制非常重要[6]。VC輥工作示意簡圖如圖2所示。

圖2 VC輥工作示意簡圖

(3)萬能冷卻液噴淋系統

為了能夠很好地控制箔帶凸度，同時消除箔帶局部不平的缺陷，可以利用冷卻噴淋系統向軋輥表面有選擇性地噴淋軋制油。該系統還能夠與帶邊熱油噴灑系統(如圖3所示)一同配合使用，它可以向箔帶邊部均勻地噴淋熱油，極大改善帶邊向外散熱的問題，從而達到保持邊部平整的目的。

圖3 熱噴淋系統示意圖

4 靈敏快速的厚度檢測與控制能力

電池鋁箔厚度越來越薄，并從“0.020 → 0.016 → 0.015 → 0.013 → 0.012 → 0.010 → 0.008 mm”一路下降。伴隨厚度降低而出現的厚度控制卻也越來越嚴格。根據電池鋁箔行業要求，產品厚度公差需要控制在± 4%以內。對電池箔這種高強度雙面光的超薄產品而言，在對軋機的制造精度以及對軋機本身的控制精度要求越來越高的同時，軋機的在線厚度自動增益控制系統(AGC)所起的作用也越來越大。(AGC是指使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整的自動控制方法)

引入自動增益控制(AGC)的最終目的[7]，是為了把厚度、硬度、摩擦系數、變形抗力等軋制過程參數波動的影響降到最低。從而利用張力、速度和輥縫等可調參數，使其達到所需的目標狀態[8]。而軋機的彈性曲線、軋件的塑性曲線，以及彈塑曲線(即P-H圖)是輥縫、張力等參數調節的依據，其控制原理如圖4所示。

圖4 作為AGC設計基礎的P-H圖

為了應對電池箔越來越高的厚度控制要求，在雙零箔軋機上使用“質量流”系統逐漸成為新增電池箔軋機的主流配置。簡單地說，業內新上的1 850 mm幅寬及以上的冷軋機均為6輥軋機，其實就是在軋機原有AGC系統(測厚系統裝在軋機出口，又叫后饋)的基礎上，在軋機入口側增加一套前饋系統，與后饋一起進行軋件厚度控制，如圖5所示。

圖5 冷軋機監控AGC控制原理圖

目前，國內主流鋁加工設備的控制系統，幾乎全部來自西門子等幾個主流廠家，因此控制系統本身的差異都不大。而另一個影響過程控制能力的因素，是設備的制造精度。這也是國內鋁加工設備與代表全球鋁箔軋機最高水平的德國阿申巴赫軋機最大的差別。

“精軋機OPTIMILLR”是德國生產的目前最先進的電池鋁箔軋制設備。它具有剪切機、厚度控制儀、張力控制系統、冷卻潤滑劑噴灑系統、吹干系統等附屬設備和系統。此外，再配合阿申巴赫軋機超高的制造精度和相應的控制系統，從而將其穩定性、控制靈敏度和精確度都提高到其他同類型軋機短期內無法企及的程度[9]。

5 生產過程穩定性的工藝與設備匹配性原則與方法

任何先進的設備都不可能完全解決現場出現的所有問題，對電池箔這種高精度要求的鋁箔產品而言就更是如此?；谏a過程穩定性的工藝與設備匹配性需求至少包含如下幾個方面。

5.1 厚料軋制時的彎輥力管理與工藝匹配性要求

隨著加工設備的升級換代，冷軋機和鋁箔軋機對在線板形的控制和調整能力越來越強，對主流的鋁箔產品，包括空調箔、家用箔及部分窄幅的雙零箔產品，即便來料板型不良，現在的鋁箔軋機配合一定的工藝調整都可以大幅改善成品板型質量。但是，對電池箔產品而言，其嚴苛的板形平直度及其穩定性要求，對依賴后繼道次加工來調整來料板型缺陷的風險非常大。

厚規格料軋制(冷軋)時的設備與工藝匹配性方法：

對鑄軋來料的第一道次冷軋的彎輥力進行針對性管理，以正彎實現全道次穩定，并且絕對值不大于30%為原則，通過降低鑄軋板來料厚度(電池箔毛料在3.5～4.1 mm的一個特定厚度有一次完全再結晶退火，相當于固定了冷軋出口厚度，所以對加工率的調整需通過鑄軋板成品厚度來調整)、降低鑄軋板中凸度及減小冷軋工作輥中凸度、提高軋制油添加劑含量等進行調整。

需要特別說明的是，第一道次的在線彎輥力的管理，不僅僅會對電池箔毛料的板形質量造成影響，同時也會對軋機本體和電池箔毛料的表面質量保護造成直接影響：過大的彎輥力及其波動，會導致支撐輥與工作輥速差的增大，從而導致支撐輥出現色差、色帶等表面損傷，這種損傷不但會導致清輥器及刮油板等用來實現表面清潔性的設備的功能失效，還會通過工作輥對電池箔毛料表面造成直接損傷。

對出口厚度≥1.5 mm的電池箔毛料，在冷軋的各個道次，如果進入穩態軋制后的彎輥力為正，并且絕對值>20%，則建議通過減小工作輥中凸度、調整軋制速度和減小道次加工率等方法，將彎輥力降低到20%以內[10]，并保持整個加工道次的彎輥力穩定。因工藝調整而損失的生產效率將會通過板型質量的提高和成品率的提高得到補償。

5.2 退火料冷軋時的工藝參數設計原則

對成品狀態為H18態的電池箔，電池箔毛料厚度在3.5～4.1 mm時的完成退火后的第一道次的工藝設計非常重要，具體表現在電池箔厚度穩定性和板形穩定性方面。

以加工率不小于50%為原則進行該道次的加工率設計，以充分實現組織均勻化為目的，同時觀察頭尾升降速段和軋制穩定段的厚差波動大小和穩定性，通過適當調小加工率、降低軋制速度等方法，在盡可能減少升降速段的厚度、板型不穩定區間的同時，將穩定區的厚差波動控制在0.3%以內。

對退火料第一道次的針對性設計和匹配，將對整個電池箔厚度的穩定性和板形的穩定性形成重要影響，對整個生產過程實現穩定的主流企業來說，這一道次的設計與控制水平，將通過減少頭尾厚差和板型廢料的方式直接影響全工序成品率。

5.3 箔軋工序的板形與表面清潔性控制方法

電池箔產品有非常高的表面質量要求：黑油線(長度小于5 mm的黑油線，任何1 m2的區域均不超過3條)；打底起皺(長度不大于10 m，杠印不大于50 m)；表面麻點(暗面不允許有凸點；大于1 mm的麻點不允許有；小于1 mm的麻點不允許成片出現；小于1 mm的麻點每平方米少于3個)、潤濕性能(箔軋成品的達因值大于等于32，電暈除油后的達因值大于等于40)，不允許有點狀或者片狀帶油[11]。當前電池箔標桿企業在備有無塵車間(精切工序)的同時(見圖6)，對軋件表面的清潔化控制主要依托軋機的表面除油和防漏油設計(見圖7)來實現。

圖6 電池箔精切工序的無塵車間

圖7 電池箔軋機的表面除油和放油設計圖

同時，版型和漏涂問題，是目前導致電池箔產品成品率低和退貨率高的最主要原因，而對箔軋工序的板形和鋁箔表面清潔性控制的工藝與設備匹配性，將對這兩個指標形成重要影響。

對道次加工率和速度、版型曲線、工作輥中凸度等進行穩定化持續改進，在確保在線版型平直并偏邊部微松的基礎上，有意降低軋制速度或則適當降低加工率，來降低軋機板型控制系統的穩定化控制壓力，業內較為成熟的經驗是將軋制速度控制在500～600 m/min，道次加工率原則上不超過55%。

當前電池箔的主流成品厚度為0.012～0.015 mm，并且正在向著0.008 mm的更薄的規格發展。這種厚度下的雙面光的鋁箔，它表面帶有等級已經不能僅僅靠設備的除油能力來實現，而更多的需要從工藝的角度進行補償。對電池箔成品道次的軋制油進行針對性管理，提高軋制油的脂類指標含量，降低甚至取消極性添加劑(業內常用的是月桂酸)的添加，將軋制速度控制在400～600 m/min，加工率控制在45%～50%，以同時平衡料溫及加工率對表面帶油等級的影響和速度對板形控制的影響。

6 結論

工藝優化與設備匹配性原則和方法：

(1)穩定鑄軋板的板形特征，然后依照鑄軋板的板形特征(主要是中凸度)來設計冷軋和箔軋各個道次的板形特征，各個道次的鋁箔橫向厚度的分布需與鑄軋卷的厚度分布特征盡可能一致，而不是尋求嚴格的厚度絕對值一致。

(2)除了冷軋工序可以出現絕對值不大于20%的正彎出現外，箔軋開始后的所有道次，原則上要求通過工藝調整將軋機在線彎輥力波動范圍保持在-20%～0%的范圍內，且波動值越小越好。

(3)對成品狀態為H18態的電池箔，電池箔毛料厚度在3.5～4.1 mm時的完成退火后的第一道次工藝以加工率不小于50%為原則進行該道次的加工率設計，以充分實現組織均勻化。同時觀察厚差波動大小和穩定性，適當調小加工率、降低軋制速度等方法，將穩定區的厚差波動控制在0.3%以內。

(4)對電池箔成品道次的軋制油進行針對性管理，提高軋制油的脂類指標含量，將軋制速度控制在400～600 m/min，加工率控制在45%～50%，以同時平衡料溫及加工率對表面帶油等級的影響和速度對板形控制的影響。

后續深加工的客觀需要決定了對電池箔產品板形、表面清潔性及厚度等的特殊要求，尤其是穩定性方面，提出了嚴苛的質量控制需求。并且，這種需求伴隨著新能源產業，動力電池領域的“高能化”趨勢而繼續提高，在不斷要求技術進步和設備專業化升級的同時，將對生產工藝和主體加工設備提出更專業更深刻的匹配性要求[12]。