El papel de aluminio recubierto de carbono es un material compuesto funcional que recubre la superficie de un papel de aluminio de alta pureza con una capa uniforme de carbono conductor. Este papel se utiliza para prolongar la vida útil de las baterías y se fabrica combinando grafito nanoconductor con papel de aluminio o de cobre. Está disponible en dos tipos: a base de agua y a base de aceite.
Mediante un proceso de recubrimiento rollo a rollo, este material forma una capa conductora de carbono de doble cara (de aproximadamente 2 µm de espesor) sobre la superficie de la lámina de aluminio. Se utiliza principalmente como colector de corriente positiva en baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) y baterías de litio-azufre.
Al recubrir la superficie de la lámina de aluminio con materiales de carbono (como negro de humo conductor, grafeno, etc.), esta reduce significativamente la resistencia interna de la batería, mejora la eficiencia del transporte de electrones y mejora la adhesión entre los materiales activos y el colector de corriente. Esto ayuda a reducir la cantidad de aglutinante necesario y mejora el rendimiento de la batería, su ciclo de vida y su seguridad.
La lámina de aluminio recubierta de carbono, también conocida como "lámina recubierta de carbono" o "lámina de aluminio con revestimiento conductor", es una lámina compuesta formada mediante la aplicación uniforme de una capa de material de carbono conductor (como negro de carbono, grafeno, nanotubos de carbono, etc.) sobre la superficie de los colectores de corriente de lámina de aluminio tradicionales a través de procesos especializados.
- Sustrato: Lámina de aluminio con una pureza ≥ 99, 9 % (comúnmente aleaciones 1060, 1070, 1100, 1235), típicamente alrededor de 16 μm de espesor
- Recubrimiento: Materiales de carbono (negro de carbono, grafito, grafeno, nanotubos de carbono, etc.) combinados con aglutinantes, con un espesor de 0, 3–5 μm, recubrimiento de una o dos caras.
Especificaciones del papel de aluminio recubierto de carbono
| Artículo | Especificación |
| Sustrato de papel de aluminio | 1060, 1070, 1080, 1100, 1235 |
| Espesor del papel de aluminio | 16 micras |
| Material de recubrimiento | Negro de carbón, escamas de grafito, grafeno |
| Espesor del recubrimiento | 1 μm (un lado) / 1 μm + 1 μm (ambos lados) |
| Espesor total | 18 micras |
| Ancho del papel de aluminio | 260 milímetros |
| Ancho del recubrimiento | 230 milímetros |
| Tipo de recubrimiento | A base de agua |
| Superficie recubierta | De una o dos caras |
| Densidad del recubrimiento | 0, 5–2, 0 g/m² |
| Conductividad superficial | <30 Ω/25 μm² |
Estructura y composición de la lámina de aluminio recubierta de carbono
- Sustrato: Lámina de aluminio de alta pureza de grado electrónico (normalmente de 10 a 20 µm de espesor).
- Requisitos: La superficie debe estar limpia, lisa y poseer excelente conductividad y resistencia mecánica.
- Recubrimiento: Capa de carbono conductora (normalmente de 1 a 4 µm de espesor).
- Agentes conductores: como el negro de carbón superconductor, el negro de acetileno, el grafeno, el VGCF, etc., que proporcionan una red conductora.
- Aglutinantes: Como resina acrílica a base de agua, látex SBR, etc., para garantizar una fuerte adhesión entre la capa de carbono y la lámina de aluminio.
- Dispersantes y otros aditivos: Garantizan la uniformidad y estabilidad de la suspensión.
Clasificación de láminas de aluminio recubiertas de carbono
- Lámina de aluminio recubierta de carbono a base de agua: utiliza agua como solvente, es respetuosa con el medio ambiente y no tóxica, con un espesor de recubrimiento de 1 a 5 µm, ampliamente utilizada en productos electrónicos de consumo y baterías de vehículos de nueva energía.
- Lámina de aluminio recubierta de carbono a base de aceite (45 % de participación de mercado): utiliza solventes orgánicos como portador, presenta recubrimientos densos (3–8 µm) y es adecuada para aplicaciones de alta gama como la aeroespacial.
Ventajas del papel de aluminio recubierto de carbono
En comparación con el papel de aluminio desnudo tradicional, el papel de aluminio recubierto de carbono ofrece múltiples mejoras de rendimiento:
Reduce significativamente la impedancia interfacial
Problema: los materiales activos de electrodos positivos (como los materiales LFP y NCM) no hacen suficiente contacto con la superficie lisa de la lámina de aluminio desnuda, lo que genera una alta resistencia de contacto.
Solución: El recubrimiento de carbono proporciona una red conductora tridimensional, que forma un "contacto superficial" en lugar de un "contacto puntual" con las partículas de material activo, lo que reduce en gran medida la resistencia de contacto entre el colector de corriente y el material activo.
Rendimiento mejorado de la batería
Debido a la impedancia interfacial reducida y a las vías de transporte de electrones más suaves, la polarización se reduce durante la carga/descarga de alta velocidad, las plataformas de voltaje permanecen más estables y la potencia de salida es mayor.
Mayor adhesión entre los materiales activos y el colector de corriente
La estructura microrrugosa del revestimiento de carbono aumenta el área superficial específica, sujetando los materiales activos como "pegamento", reduciendo el riesgo de desprendimiento del material activo durante el ciclo y mejorando la vida útil del ciclo.
Protege el colector de corriente de aluminio y evita la oxidación/corrosión.
En materiales catódicos de alta tensión (como NCM y LCO con alto contenido de níquel) y entornos electrolíticos, las superficies de la lámina de aluminio tienden a formar películas de óxido, lo que aumenta la impedancia o causa corrosión. El recubrimiento de carbono actúa como una barrera física, protegiendo eficazmente la lámina de aluminio.
Mejora la consistencia y el rendimiento de la batería.
Mejora la uniformidad del recubrimiento de la suspensión del electrodo, reduciendo la variación del rendimiento causada por defectos superficiales del colector de corriente y mejorando el rendimiento general de la producción.
Potencial para reducir el uso de agentes conductores
Dado que el propio colector de corriente exhibe una excelente conductividad, se puede reducir la cantidad de agente conductor en la suspensión del cátodo, aumentando la proporción de material activo y contribuyendo a una mayor densidad de energía.
Aplicaciones del papel de aluminio recubierto de carbono
La lámina de aluminio recubierta de carbono (lámina de aluminio conductora recubierta de carbono) es un colector de corriente de batería avanzado, ampliamente utilizado en el campo de las nuevas energías para mejorar la conductividad interfacial, reducir la resistencia interna y mejorar la estabilidad electroquímica. Su rendimiento es excepcional en las siguientes aplicaciones:
Baterías de nueva energía (VE y ESS)
En baterías y sistemas de almacenamiento de energía, la lámina de aluminio recubierta de carbono reduce significativamente la impedancia de la interfaz de los electrodos, lo que mejora la eficiencia de carga/descarga y la estabilidad del ciclo.
Baterías de estado sólido
En sistemas de estado sólido, los electrolitos sólidos suelen tener un contacto deficiente con las láminas metálicas. La lámina de aluminio recubierta de carbono mejora la humectabilidad interfacial y el área de contacto, lo que permite un mayor rendimiento.
Dispositivos electrónicos flexibles
La lámina de aluminio recubierta de carbono ofrece una alta conductividad y cierto grado de flexibilidad, lo que la hace adecuada para dispositivos electrónicos portátiles y dispositivos flexibles de almacenamiento de energía que requieren diseños livianos y delgados.
Principales escenarios de aplicación del papel de aluminio recubierto de carbono
El papel de aluminio recubierto de carbono no es necesario en todas las baterías, pero proporciona un valor significativo en los siguientes tipos de baterías:
Baterías de alta potencia
Adecuado para dispositivos que requieren una descarga instantánea extremadamente alta o una carga rápida, como:
- Vehículos eléctricos (VE)
- Vehículos aéreos no tripulados (UAV)
- Herramientas eléctricas
- Motocicletas eléctricas y patinetes eléctricos
La lámina de aluminio recubierta de carbono reduce eficazmente la impedancia de la interfaz y mejora el rendimiento de alta velocidad de 5C a 10C.
Baterías de ciclo de vida ultralargo
Adecuado para aplicaciones con requisitos de vida útil extremadamente altos:
- Centrales eléctricas de almacenamiento de energía a gran escala (ESS)
- Energía de respaldo para estaciones base de telecomunicaciones
- Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS)
El recubrimiento de carbono suprime la corrosión del papel de aluminio y mejora la estabilidad estructural del electrodo, extendiendo significativamente la vida útil del ciclo.
Células de alta densidad energética
En la electrónica de consumo que utiliza cátodos de alto voltaje, la lámina de aluminio recubierta mejora la estabilidad de la interfaz y reduce las reacciones secundarias.
Sistemas catódicos con baja conductividad
Al igual que las celdas LFP (fosfato de hierro y litio), que inherentemente tienen baja conductividad, el uso de lámina de aluminio recubierta de carbono puede mejorar significativamente:
- Rendimiento de la tasa
- Eficiencia de carga inicial
- Rendimiento a baja temperatura
Esta es una de las áreas de aplicación de más rápido crecimiento para la lámina de aluminio recubierta de carbono.
Selección de materiales de recubrimiento de carbono
La elección de los materiales de recubrimiento de carbono afecta directamente la conductividad, la adhesión, la resistencia a la corrosión y la estabilidad electroquímica del papel de aluminio recubierto de carbono. Es un factor clave que influye en el rendimiento de los colectores de corriente de cátodo de las baterías. Los materiales de carbono industriales comunes incluyen:
Negro carbón
- Características: Conductividad estable, bajo costo, buena dispersabilidad.
- Ventajas: Forma capas de carbono densas y uniformes, mejora la conductividad interfacial, adecuado para baterías de iones de litio convencionales.
- Aplicaciones: Ampliamente utilizado en baterías de potencia y almacenamiento de energía.
Grafito
- Características: Estructura en capas con alta movilidad de electrones.
- Ventajas: Mejora enormemente la conductividad y lubricación del recubrimiento, haciendo que la compactación sea más estable.
- Aplicaciones: Baterías de potencia media y alta, baterías de iones de sodio que utilizan láminas recubiertas de carbono.
Nanotubos de carbono (CNT)
- Características: Estructura unidimensional con conductividad extremadamente alta y resistencia mecánica.
- Ventajas: Construye una red conductora tridimensional, reduce la resistencia interfacial y mejora la vida útil del ciclo.
- Aplicaciones: Baterías de alta capacidad y sistemas de almacenamiento de energía de alta gama.
Grafeno
- Características: Estructura de panal bidimensional, conductividad y resistencia extremadamente altas.
- Ventajas: Mejora significativamente la eficiencia del transporte de electrones/iones y la estabilidad de la interfaz.
- Aplicaciones: Baterías de alta potencia y baterías de estado sólido que utilizan láminas recubiertas de carbono.
Óxido de grafeno reducido (rGO)
- Características: Combina propiedades del grafeno y óxido de grafeno, fácil de dispersar, menor costo.
- Ventajas: Forma una capa conductora continua, mejora la adhesión y la resistencia a la corrosión.
- Aplicaciones: Baterías de iones de litio de gama media a alta y sistemas de alta densidad energética.
Procesos de fabricación de láminas de aluminio recubiertas de carbono
Se divide principalmente en dos métodos:
Método de recubrimiento por transferencia
La suspensión de carbono se aplica primero como recubrimiento sobre un soporte y se seca hasta formar una película, para luego transferirla a una lámina de aluminio mediante un rodillo.
- Ventajas: Recubrimiento uniforme, superficie lisa.
- Desventajas: Flujo de proceso largo y mayor costo.
Método de recubrimiento directo
La suspensión de carbono conductora preparada se aplica directamente sobre la lámina de aluminio mediante una matriz de ranura, micrograbado u otras técnicas de recubrimiento, luego se seca y se cura en un horno.
- Ventajas: Proceso simple, menor costo, actualmente el método principal.
- Desventajas: Requiere un control estricto de la formulación de la suspensión y de los parámetros de recubrimiento; de lo contrario, pueden surgir problemas como vetas y espesores desiguales.
Propiedades del sustrato de lámina de aluminio recubierto de carbono
| Aleación | 1235 T | 1235 T3 | 1100 | 1060 |
| Resistencia a la tracción Mpa | ≥200 | ≥240 | ≥240 | ≥200 |
| Alargamiento % | ≥2.0 | ≥2, 5 | ≥3.0 | ≥3.0 |
| Tensión superficial Mn/M | ≥31 | ≥31 | ≥31 | ≥31 |
| Espesor y desviación Μm | 9-25;±4% | |||
| Ancho y desviación mm | 200-1400;±1 | |||
| Agujeros de alfiler/M2 | Diámetro 0, 1-0, 3 mm; <3 | |||
| Forma de la placa | Con una sábana plana | |||
| Calidad de la superficie | Sin aceite, sin marcas de rodillos, sin oxidación, sin materias extrañas presionadas y otros defectos que afecten el uso. | |||
| Calidad de la superficie final | Sin capas escalonadas, tipo torre, rebabas ≤50 µm, huecos ≤50 µm | |||
| Peso por rollo kg | 50-500 kilos | |||
| Diámetro del rollo mm | 76, 2±1/152±1 | |||
| Requisitos ambientales | Cumplir con los estándares ROHS | |||
Propiedades mecánicas del sustrato de lámina de aluminio recubierto de carbono
| Aleación | Temperamento | Espesor/mm | Resultados de pruebas de tracción a temperatura ambiente | ||||
| Resistencia a la tracción (Rm) MPa | alargamiento después de la rotura (A100) % | alargamiento después de la rotura (A50) % | |||||
| Lámina de aluminio ligera de una sola cara | Papel de aluminio ligero de doble cara | Lámina de aluminio ligera de una sola cara | Papel de aluminio ligero de doble cara | ||||
| 1050 | H18 | >0, 013-0, 015 | - | - | - | - | - |
| 1050 | H18 | >0, 015-0, 020 | ≥185 | ≥2.0 | - | - | - |
| 1050/1060 | H18 | ≤0, 010 | - | - | - | - | - |
| 1050/1060 | H18 | ≤0, 010 | - | - | - | - | - |
| 1050/1060 | H18 | >0, 010-0, 013 | ≥190 | - | ≥2, 5 | - | ≥3.0 |
| 1050/1060 | H18 | >0, 013-0, 015 | - | - | - | - | - |
| 1070 | H18 | ≤0, 010 | ≥185 | - | ≥2.0 | - | - |
| 1070 | H18 | >0, 010-0, 013 | - | - | - | - | - |
| 1070 | H18 | >0, 013-0, 015 | ≥180 | - | - | - | - |
| 1070 | H18 | >0, 015-0, 020 | ≥175 | - | - | - | - |
| 1100 | H18 | ≤0, 010 | ≥230 | ≥1.0 | ≥2.0 | - | ≥3.0 |
| 1100 | H18 | >0, 010-0, 013 | - | - | - | - | - |
| 1100 | H18 | >0, 013-0, 015 | ≥220 | - | - | - | - |
| 1100 | H18 | >0, 015-0, 020 | - | - | ≥2.0 | - | - |
| 1235 | H18 | ≤0, 010 | - | - | - | - | - |
| 1235 | H18 | >0, 010-0, 013 | ≥180 | - | - | ≥2.0 | - |
| 1235 | H18 | >0, 013-0, 015 | ≥185 | - | - | - | - |
| 1235 | H18 | >0, 015-0, 020 | ≥175 | - | - | - | - |
Preguntas frecuentes sobre el papel de aluminio recubierto de carbono
¿Cuál es la función principal del papel de aluminio recubierto de carbono?
- Reducir la resistencia de contacto de la interfaz del electrodo
- Mejorar la adhesión entre los materiales activos y el papel de aluminio.
- Suprimir la corrosión de la superficie del ánodo
- Reducir la polarización y mejorar el rendimiento de la velocidad
- Suprime la formación de dendritas de litio y mejora la seguridad de la batería.
- Mejorar la vida útil del ciclo y la estabilidad térmica
¿Qué materiales se utilizan comúnmente para el recubrimiento de carbono?
Los materiales comunes incluyen:
- Negro de carbón: buena conductividad y bajo costo
- Copos de grafito: mejoran la estabilidad de la red conductora
- Grafeno: ultraalta conductividad y alta resistencia mecánica
- Sistemas compuestos: para lograr una conductividad y adhesión óptimas
¿En qué baterías se utiliza normalmente papel de aluminio recubierto de carbono?
Se utiliza principalmente en:
- Baterías de energía (EV/HEV)
- Baterías de alta capacidad
- Baterías de fosfato de hierro y litio (LFP)
- Baterías ternarias (NCM/NCA)
- Células de bolsa de polímero
- Baterías de almacenamiento de energía (ESS)
¿Cuál es el espesor típico del recubrimiento de carbono?
Espesor de recubrimiento común:
- Una cara: 1 μm
- Doble cara: 1 μm + 1 μm
Distintos fabricantes pueden personalizar el espesor y el peso del recubrimiento según las necesidades de la aplicación.
¿Qué grados de aluminio se utilizan normalmente como sustrato para láminas de aluminio recubiertas de carbono?
Los sustratos comunes de papel de aluminio incluyen:
1060, 1070, 1080, 1100, 1235
Estos grados ofrecen alta pureza, buena ductilidad y un rendimiento electroquímico estable.
¿Se puede recubrir el papel de aluminio recubierto de carbono por una cara o por ambas?
Ambos son posibles:
- Recubrimiento de una sola cara: adecuado para procesos tradicionales de apilado y bobinado
- Recubrimiento de doble cara: mejora la conductividad general y el rendimiento de la velocidad.
¿Cuál es el espesor total típico de una lámina de aluminio recubierta de carbono?
Espesores totales comunes:
- 18 μm (lámina de aluminio de 16 μm + revestimiento de 1 μm × una sola cara)
- 20 μm (recubrimiento de doble cara)
Se pueden personalizar otros espesores.
¿Se puede personalizar el ancho de la lámina de aluminio recubierta de carbono?
Sí, puede ser.
El ancho del sustrato estándar es de 260 mm, el ancho del recubrimiento es de aproximadamente 230 mm y se puede personalizar según el equipo de bobinado del cliente.
¿Cómo mejora la adhesión el papel de aluminio recubierto de carbono?
El recubrimiento de carbono proporciona una superficie de unión más rugosa y de mayor energía, a la vez que mejora la polaridad superficial de la lámina de aluminio, permitiendo que los materiales activos se adhieran con mayor fuerza. Todos los productos se someten a pruebas de adhesión según la norma ASTM D3359.
Al mejorar la funcionalidad del colector de corriente tradicional, la lámina de aluminio recubierta de carbono resuelve eficazmente los problemas de interfaz en las baterías de litio, especialmente en el lado del cátodo. Si bien no es un material activo, desempeña un papel fundamental en la infraestructura, mejorando la capacidad de carga, la vida útil y la seguridad. Se ha convertido en un componente indispensable en las tecnologías actuales de baterías de litio de alto rendimiento.