CN110004329A - 一种高强高电导率Al-Fe-La-xCu铝合金箔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强高电导率Al‑Fe‑La‑xCu铝合金箔，成分组成包括Fe：0.06～0.3wt％、La：0.06～0.2wt％、Cu：0～0.3wt％，其余包括铝。本发明的铝合金箔同时保持了高强度和高电导率，冷轧态的铝合金箔抗拉强度为203～235MPa，电导率为56～59％IACS；经160℃5小时热处理后的铝合金箔抗拉强度为180～219MPa，电导率为56～58.7％IACS。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强高电导率Al-Fe-La-xCu铝合金箔。
背景技术
随着石油、天然气等不可再生能源的快速消耗和生态环境的日益恶化，在可支撑经济和社会可持续发展的新清洁能源出现之前，人类只能在不断提高能量的使用效率上下功夫，因此，对能量的储存和释放将提出越来越高的要求。锂离子电池以其能量密度高、充放电效率高、循环稳定性好、工作温度范围宽、工作电压高、自放电小、无记忆效应、安全环保等特点，成为21世纪较为理想的能量存储装置。
正极集流体用铝合金箔在锂离子电池中主要是起到导电作用和支撑正极涂覆活性物质的作用，对锂离子电池的容量没有直接帮助。所以，集流体用铝合金箔的两个主要性能指标是抗拉强度和电导率，抗拉强度和电导率综合性能好的铝合金箔才是锂离子电池需要的正极集流体材料。为了减轻锂离子电池的重量且增加锂离子电池的比能量，需要在较薄的集流体箔上涂覆更多的正极活性物质，这要求铝合金箔即使在较低的厚度时仍有较高的强度，也需要铝合金箔有良好的导电性。
目前，用于大多数锂离子电池的正极集流体材料主要是1XXX铝合金(如1060铝合金、1070铝合金等)和8XXX铝合金(如8021铝合金、8079铝合金等)。在使用这两个系列的铝合金做集流体材料时，由于其强度比较低(≥150MPa)，为防止集流体铝合金箔在涂覆正极活性物质过程中发生断裂，需要比较厚的铝箔，这样会增加电池重量，也减少了正极活性物质的涂覆量，不利于增加锂离子电池的容量，而电导率高是锂离子电池良好运行的基本保证，所以市场迫切希望找到一种新的、同时具有良好抗拉强度和电导率的集流体铝合金。
由于在电池制作过程中需要对涂覆的活性物质进行100～200℃的干燥处理，干燥处理会使集流体用铝箔的强度降低，在卷绕时容易产生卷绕皱褶，活性物质和铝合金箔表面的密合性下降，在随后的加工过程中容易产生破裂，且不利于集流体汇集活性物质产生的电流，无法形成较大的电流对外输出。
专利CN 102245788A中报道的Al-Fe-Si-Cu-Mn-Mg-Zn-Ti-Zr铝合金通过添加多种合金元素得到的锂离子电池正极集流体用铝箔，其冷轧态抗拉强度为204MPa～268MPa，但是电导率较低(47.89～55.61％IACS)，且未报道热处理对铝箔强度和电导率的影响。专利CN 102569817A中Al-Mn铝合金通过添加Mn元素得到冷轧态铝合金箔的电导率良好(≥57.86％IASC)，抗拉强度为191.1MPa～205.6MPa，虽然已经达到GB/T 33143中抗拉强度大于等于150MPa的要求，但该专利未报道热处理对铝箔强度的影响，无法判断热处理后是否仍满足GB/T 33143中抗拉强度≥150MPa的要求。专利CN 105658826A通过添加Fe、Si、Cu、Ti等元素得到冷轧后抗拉强度为242MPa～335MPa的锂离子电池正极集流体用铝箔，经150℃3小时热处理之后其抗拉强度大于230MPa，但是电导率不高(50.7～55.7％IASC)，仍无法避免因电导率低而影响正极活性物质性能。
发明内容
本发明为了解决上述综合性能不足的问题，提供了一种高强度、高电导率且热处理后仍保持高强度和高电导率的正极集流体用Al-Fe-La-xCu铝合金箔，以替代常用的低强度、低电导率正极集流体用铝合金箔。本发明的锂离子电池正极集流体用铝合金箔同时保持了高强度和高电导率，冷轧态的铝合金箔抗拉强度为203～235MPa，电导率为56～59％IACS；经160℃5小时热处理后的铝合金箔抗拉强度为180～219MPa，电导率为56～58.7％IACS。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种高强高电导率Al-Fe-La-xCu铝合金箔，成分组成包括Fe：0.06～0.3wt％、La：0.06～0.2wt％、Cu：0～0.3wt％，其余包括铝。
该所述成分组成中的铜的优选重量配比为0.05～0.25wt％。
所述铝合金箔的抗拉强度为180～219MPa，电导率为56～58.7％IACS。
一种铝合金箔的制造方法，包含以下步骤：
1)合金熔炼过程中加入中间合金Al-75wt％Fe、Al-20wt％La、Al-50wt％Cu，熔铸出铝合金铸锭；
2)对铸造所得的铝合金铸锭作590±10℃保持8小时的均质化处理；
3)对均质化处理后的铝合金坯料实施热轧、冷轧和中间退火，得到厚度为0.04～0.09mm的铝合金箔。
本发明的高强高电导率铝合金与对比例铝合金的成分对比见表1。
表1本发明铝合金与对比例铝合金成分(wt％)
本发明将三个锂离子电池正极集流体用铝合金箔专利(专利CN102245788A、专利CN102569817A和专利CN105658826A)和一个锂离子电池正极集流体常用铝合金8079Al作为对比例。对比例1为专利CN102245788A，给出了一种集电体用铝合金箔及其制造方法。对比例2为专利CN102569817A，给出了一种锂离子电池正极集电体用铝合金箔及其制备方法。对比例3为专利CN105658826A，给出了一种电极集电体用铝合金箔及其制造方法。对比例4为8079Al合金。
从表1中可以看出，本发明铝合金与对比例1的铝合金成分相比减少了了Fe元素的用量，且不含合金元素Si、Mg、Mn、Ti、Zn和Zr，但增加了Cu的用量，且添加了稀土元素La。Fe元素对铝合金的强度和电导率都有影响，添加过少会使铝合金的强度得不到提高，但是电导率相对较高；添加过多会使铝合金的强度大幅提高但是电导率也会大幅下降。为了保证铝合金箔同时具有高电导率和高强度，本发明添加了较少的Fe元素。同时为了弥补Fe含量相对较少会使强度不够的缺陷，本发明利用Cu元素的强化效果，增加了Cu元素的含量。La元素有利于细化晶粒，防止大尺寸析出相的产生。对比例2的铝合金成分设计非常简单，只添加了Mn元素，Mn可以缓解局部变形，同时提高抗拉强度和延伸率。与对比例3的铝合金成分相比，本发明Fe含量更少，且不含Ti元素。另外La元素的添加会细化合金晶粒，促进铝合金的Al3Fe第二相析出和球化，还会生成AlFeLa新相，进一步强化合金。与对比例4的铝合金成分相比，本发明合金成分设计更加简单。
根据本发明制备的铝合金箔是一种具有轧制态高强高电导率并且热处理后仍具有高强高电导率的Al-Fe-La-xCu铝合金箔，可用于锂离子电池正极集流体。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细说明。
以下，通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于这些实施例。
一种高强高电导率Al-Fe-La-xCu铝合金箔，其特征在于：成分组成包括Fe：0.06～0.3wt％、La：0.06～0.2wt％、Cu：0～0.3wt％，其余包括铝。
所述成分组成中的铜的优选重量配比为0.05～0.25wt％。
所述铝合金箔的抗拉强度为180～219MPa，电导率为56～58.7％IACS。
一种权利要求1-3所述的铝合金箔的制造方法，包含以下步骤：
1)合金熔炼过程中加入中间合金Al-75wt％Fe、Al-20wt％La、Al-50wt％Cu，熔铸出铝合金铸锭；
2)对铸造所得的铝合金铸锭作590±10℃保持8小时的均质化处理；
3)对均质化处理后的铝合金坯料实施热轧、冷轧和中间退火，得到厚度为0.04～0.09mm的铝合金箔。
利用真空感应熔炼法制备表2所示成分的铝合金，制成厚度为40mm的合金铸锭。然后，对该铸锭进行590±10℃保持8小时的均质化处理，之后端面车削、铣面。在500±10℃的温度下实施热轧至3mm厚度，将热轧板材冷轧(中间300℃去应力退火)得到厚度为0.04～0.09mm的铝合金箔。
表2铝合金成分
然后进行160℃恒温5小时的热处理，对得到的各个铝合金箔材，测定抗拉强度、延伸率、导电率，并进行评价。测试结果见表3。
对上述实施例和比较例中不同成分的铝合金样品所进行的性能测试过程如下：
(1)室温拉伸实验：按照国标GB/T 228-2002制成标准拉伸试样，在Zwick Z20万能拉力试验机上拉伸，测得抗拉强度和延伸率；另外，模拟锂离子电池制作工艺中的干燥工序，对160℃恒温5小时热处理后的铝合金箔，沿轧制方向切割，按上述同样的方式测得抗拉强度和延伸率。将铝合金箔作为锂离子电池正极集流体材料时，冷轧态铝合金箔的优选抗拉强度为200MPa以上，热处理后铝合金箔的优选抗拉强度为180MPa以上。
(2)电导率测试：采用SIGMATEST 2.069电导率测量仪测试铝合金试样的电导率。将铝合金箔作为锂离子电池正极集流体材料时，优选电导率为55％IACS以上。
表3合金箔材性能测试结果
由表3的结果可确认，实施例1～6中的铝合金箔都满足了冷轧态抗拉强度大于200MPa、热处理后的抗拉强度大于180MPa和电导率大于55％IACS的优选要求。优选成分铝合金箔3号和5号同时保持了高强度和高电导率，最优选成分铝合金箔3号的冷轧态的抗拉强度为235.67MPa，电导率为56.64％IACS，经160℃5小时的热处理后抗拉强度为219.33MPa，电导率为56.12％IACS。冷轧后合金箔材具有很高的抗拉强度和电导率，在160℃恒温5小时热处理后，大多数合金箔材的抗拉强度略微下降，电导率几乎不变。
相较于3个比较例中的铝合金箔，本发明实施例中的铝合金箔强度大幅提高，最高提升71.4％，这是由于比较例中铝合金箔的Fe元素含量过低且未添加Cu元素来弥补强度缺失。
与4个对比例中的铝合金箔相比，本发明实施例3中的铝合金箔无论是冷轧态还是热处理态都同时具有高强度和高电导率，也表明本发明的铝合金箔具有良好的综合性能。
本发明通过采用合理的成分设计使得上述实施例中的铝合金箔得到了很好的箔材性能。适量Fe元素的添加使得铝合金强度提高，且少量Cu元素也具有提高合金强度的效果。La元素的添加可以细化合金晶粒，改善合金的微观结构，并促进铝合金Al3Fe第二相的析出和球化，还会生成AlFeLa新相，起到强化铝金属基体的作用，但是过量La的晶粒细化效果减弱，金属强化作用也减弱。
以上基于实施例对本发明进行了说明，但本发明不仅限于实施例，凡由本发明出发的变形例，这些变形例也属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种高强高电导率Al-Fe-La-xCu铝合金箔，其特征在于：成分组成包括Fe：0.06～0.3wt％、La：0.06～0.2wt％、Cu：0～0.3wt％，其余包括铝。
2.根据权利要求1所述的铝合金箔，其特征在于，所述成分组成中的铜的优选重量配比为0.05～0.25wt％。
3.如权利要求2所述铝合金箔，其特征在于，所述铝合金箔的抗拉强度为180～219MPa，电导率为56～58.7％IACS。
4.一种权利要求1-3所述的铝合金箔的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)合金熔炼过程中加入中间合金Al-75wt％Fe、Al-20wt％La、Al-50wt％Cu，熔铸出铝合金铸锭；
2)对铸造所得的铝合金铸锭作590±10℃保持8小时的均质化处理；
3)对均质化处理后的铝合金坯料实施热轧、冷轧和中间退火，得到厚度为0.04～0.09mm的铝合金箔。
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