A folha de alumínio revestida com carbono é um material compósito funcional no qual uma camada uniforme de material de carbono condutor é aplicada sobre a superfície de uma folha de alumínio de alta pureza. Utilizada para prolongar a vida útil de baterias, essa folha é fabricada pela combinação de grafite nanocondutor com folha de alumínio ou folha de cobre. Está disponível em duas versões: à base de água e à base de óleo.
Por meio de um processo de revestimento contínuo (roll-to-roll), este material forma uma camada condutora de carbono em ambos os lados (com aproximadamente 2 µm de espessura) na superfície da folha de alumínio. É utilizado principalmente como coletor de corrente positivo em baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP) e baterias de lítio-enxofre.
Ao revestir a superfície da folha de alumínio com materiais de carbono (como negro de fumo condutor, grafeno, etc.), a folha de alumínio revestida com carbono reduz significativamente a resistência interna da bateria, melhora a eficiência do transporte de elétrons e aumenta a adesão entre os materiais ativos e o coletor de corrente. Isso ajuda a reduzir a quantidade de aglutinante necessária e melhora o desempenho da bateria em altas taxas de descarga, a vida útil e a segurança.
A folha de alumínio revestida com carbono, também conhecida como "folha revestida de carbono" ou "folha de alumínio revestida condutora", é uma folha composta formada pela aplicação uniforme de uma camada de material de carbono condutor (como negro de fumo, grafeno, nanotubos de carbono, etc.) na superfície de coletores de corrente de folha de alumínio tradicionais por meio de processos especializados.
- Substrato: Folha de alumínio com pureza ≥ 99, 9% (comumente ligas 1060, 1070, 1100, 1235), tipicamente com cerca de 16 μm de espessura.
- Revestimento: Materiais de carbono (negro de fumo, grafite, grafeno, nanotubos de carbono, etc.) combinados com aglutinantes, com espessura de 0, 3 a 5 μm, revestimento de um ou ambos os lados.
Especificações da folha de alumínio revestida com carbono
| Item | Especificação |
| Substrato de folha de alumínio | 1060, 1070, 1080, 1100, 1235 |
| Espessura da folha de alumínio | 16 μm |
| Material de revestimento | Negro de fumo, flocos de grafite, grafeno |
| Espessura do revestimento | 1 μm (um lado) / 1 μm + 1 μm (ambos os lados) |
| Espessura total | 18 μm |
| Largura da folha de alumínio | 260 mm |
| Largura do revestimento | 230 mm |
| Tipo de revestimento | À base de água |
| Superfície revestida | De um lado ou de dois lados |
| Densidade do revestimento | 0, 5–2, 0 g/m² |
| Condutividade superficial | <30 Ω/25 μm² |
Estrutura e composição da folha de alumínio revestida com carbono
- Substrato: Folha de alumínio de alta pureza para uso eletrônico (tipicamente com 10–20 µm de espessura).
- Requisitos: A superfície deve ser limpa, lisa e possuir excelente condutividade e resistência mecânica.
- Revestimento: Camada de carbono condutora (normalmente com 1–4 µm de espessura).
- Agentes condutores: como negro de carbono supercondutor, negro de acetileno, grafeno, VGCF, etc., que fornecem uma rede condutora.
- Aglutinantes: Como resina acrílica à base de água, látex SBR, etc., para garantir forte adesão entre a camada de carbono e a folha de alumínio.
- Dispersantes e outros aditivos: Garantem a uniformidade e a estabilidade da pasta.
Classificação de Folha de Alumínio Revestida com Carbono
- Folha de alumínio revestida com carbono à base de água: Utiliza água como solvente, é ecológica e não tóxica, com espessura de revestimento de 1 a 5 µm, amplamente utilizada em eletrônicos de consumo e baterias para veículos de novas energias.
- Folha de alumínio revestida com carbono à base de óleo (45% de participação de mercado): Utiliza solventes orgânicos como veículo, apresenta revestimentos densos (3–8 µm), adequados para aplicações de alta tecnologia, como a aeroespacial.
Vantagens da folha de alumínio revestida com carbono
Em comparação com a folha de alumínio tradicional sem revestimento, a folha de alumínio revestida com carbono oferece diversas melhorias de desempenho:
Reduz significativamente a impedância interfacial.
Problema: Os materiais ativos do eletrodo positivo (como LFP e NCM) não fazem contato suficiente com a superfície lisa da folha de alumínio nua, resultando em alta resistência de contato.
Solução: O revestimento de carbono proporciona uma rede condutora tridimensional, formando um "contato superficial" em vez de um "contato pontual" com as partículas do material ativo, reduzindo significativamente a resistência de contato entre o coletor de corrente e o material ativo.
Desempenho de taxa de bateria aprimorado
Devido à redução da impedância interfacial e a caminhos de transporte de elétrons mais suaves, a polarização é reduzida durante o carregamento/descarregamento de alta taxa, as plataformas de tensão permanecem mais estáveis e a potência de saída é maior.
Adesão aprimorada entre os materiais ativos e o coletor de corrente.
A microestrutura rugosa do revestimento de carbono aumenta a área de superfície específica, aderindo aos materiais ativos como uma "cola", reduzindo o risco de desprendimento do material ativo durante a ciclagem e melhorando a vida útil do ciclo.
Protege o coletor de corrente de alumínio e previne a oxidação/corrosão.
Em materiais catódicos de alta tensão (como NCM e LCO com alto teor de níquel) e ambientes eletrolíticos, as superfícies da folha de alumínio tendem a formar películas de óxido, aumentando a impedância ou causando corrosão. O revestimento de carbono atua como uma barreira física, protegendo eficazmente a folha de alumínio.
Melhora a consistência e a taxa de rendimento da bateria.
Aumenta a uniformidade do revestimento da pasta eletrolítica, reduzindo a variação de desempenho causada por defeitos na superfície do coletor de corrente e melhorando o rendimento geral da produção.
Potencial para reduzir o uso de agentes condutores
Como o próprio coletor de corrente apresenta excelente condutividade, a quantidade de agente condutor na pasta catódica pode ser reduzida, aumentando a proporção de material ativo e contribuindo para uma maior densidade de energia.
Aplicações da folha de alumínio revestida com carbono
A folha de alumínio revestida com carbono (folha revestida com carbono / folha de alumínio condutora revestida) é um coletor de corrente avançado para baterias, amplamente utilizado no setor de energias renováveis para aumentar a condutividade interfacial, reduzir a resistência interna e melhorar a estabilidade eletroquímica. Ela apresenta desempenho excepcional nas seguintes aplicações:
Baterias de Nova Energia (VE e ESS)
Em baterias de alta potência e sistemas de armazenamento de energia, a folha de alumínio revestida com carbono reduz significativamente a impedância da interface do eletrodo, melhorando a eficiência de carga/descarga e a estabilidade do ciclo.
Baterias de estado sólido
Em sistemas de estado sólido, os eletrólitos sólidos normalmente apresentam contato deficiente com as folhas metálicas. A folha de alumínio revestida com carbono melhora a molhabilidade interfacial e a área de contato, possibilitando um desempenho de taxa mais elevado.
Dispositivos eletrônicos flexíveis
A folha de alumínio revestida com carbono oferece alta condutividade e certo grau de flexibilidade, sendo adequada para eletrônicos vestíveis e dispositivos flexíveis de armazenamento de energia que exigem designs leves e finos.
Principais cenários de aplicação para folha de alumínio revestida com carbono
A folha de alumínio revestida com carbono não é necessária em todas as baterias, mas oferece um valor significativo nos seguintes tipos de bateria:
Baterias de alta potência
Adequado para dispositivos que exigem descarga instantânea extremamente alta ou carregamento rápido, tais como:
- Veículos Elétricos (VE)
- Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT)
- Ferramentas elétricas
- Motocicletas elétricas e scooters elétricas
A folha de alumínio revestida com carbono reduz eficazmente a impedância da interface e melhora o desempenho em altas taxas de descarga de 5C a 10C.
Baterias com ciclo de vida ultralongo
Adequado para aplicações com requisitos de ciclo de vida extremamente elevados:
- Usinas de armazenamento de energia em grande escala (ESS)
- Energia de reserva para estações base de telecomunicações
- Sistemas de alimentação ininterrupta (UPS)
O revestimento de carbono suprime a corrosão da folha de alumínio e aumenta a estabilidade estrutural do eletrodo, prolongando significativamente a vida útil do ciclo.
Células de alta densidade energética
Em dispositivos eletrônicos de consumo que utilizam cátodos de alta tensão, a folha de alumínio revestida melhora a estabilidade interfacial e reduz as reações secundárias.
Sistemas de cátodo com baixa condutividade
Como as células LFP (fosfato de ferro-lítio), que inerentemente possuem baixa condutividade, o uso de folha de alumínio revestida com carbono pode melhorar significativamente:
- Avalie o desempenho
- Eficiência de carregamento inicial
- Desempenho em baixas temperaturas
Esta é uma das áreas de aplicação de crescimento mais rápido para folhas de alumínio revestidas com carbono.
Seleção de Materiais de Revestimento de Carbono
A escolha dos materiais de revestimento de carbono afeta diretamente a condutividade, a adesão, a resistência à corrosão e a estabilidade eletroquímica da folha de alumínio revestida com carbono. É um fator chave que influencia o desempenho dos coletores de corrente do cátodo da bateria. Materiais de carbono industriais comuns incluem:
Negro de carbono
- Características: Condutividade estável, baixo custo, boa dispersibilidade.
- Vantagens: Forma camadas de carbono densas e uniformes, melhora a condutividade interfacial, adequado para baterias de íon-lítio convencionais.
- Aplicações: Amplamente utilizado em baterias de potência e armazenamento de energia.
Grafite
- Características: Estrutura em camadas com alta mobilidade eletrônica.
- Vantagens: Melhora significativamente a condutividade e a lubrificação do revestimento, tornando a compactação mais estável.
- Aplicações: Baterias de potência média a alta, baterias de íon-sódio com folha revestida de carbono.
Nanotubos de carbono (CNTs)
- Características: Estrutura unidimensional com condutividade e resistência mecânica extremamente elevadas.
- Vantagens: Cria uma rede condutora tridimensional, reduz a resistência interfacial e melhora a vida útil do ciclo.
- Aplicações: Baterias de alta capacidade e sistemas de armazenamento de energia de alta tecnologia.
Grafeno
- Características: Estrutura alveolar bidimensional, condutividade e resistência extremamente elevadas.
- Vantagens: Melhora significativamente a eficiência do transporte de elétrons/íons e a estabilidade da interface.
- Aplicações: Baterias de alta potência e baterias de estado sólido com revestimento de carbono.
Óxido de grafeno reduzido (rGO)
- Características: Combina as propriedades do grafeno e do óxido de grafeno, fácil de dispersar, custo mais baixo.
- Vantagens: Forma uma camada condutora contínua, melhora a adesão e a resistência à corrosão.
- Aplicações: Baterias de íon-lítio de gama média a alta e sistemas de alta densidade energética.
Processos de fabricação de folha de alumínio revestida com carbono
Divididos principalmente em dois métodos:
Método de revestimento por transferência
A pasta de carbono é primeiro revestida em um suporte e seca até formar uma película, sendo então transferida para a folha de alumínio por meio de laminação.
- Vantagens: Revestimento uniforme, superfície lisa.
- Desvantagens: Processo longo e custo mais elevado.
Método de revestimento direto
A pasta de carbono condutora preparada é revestida diretamente na folha de alumínio usando técnicas de revestimento como a de matriz de fenda, a microgravura ou outras, sendo posteriormente seca e curada em estufa.
- Vantagens: Processo simples, custo mais baixo, atualmente o método mais utilizado.
- Desvantagens: Requer controle rigoroso da formulação da pasta e dos parâmetros de revestimento; caso contrário, podem ocorrer problemas como estrias e espessura irregular.
Propriedades do substrato de folha de alumínio revestida com carbono
| Liga | 1235 T | 1235 T3 | 1100 | 1060 |
| Resistência à tração (MPa) | ≥200 | ≥240 | ≥240 | ≥200 |
| Alongamento % | ≥2, 0 | ≥2, 5 | ≥3, 0 | ≥3, 0 |
| Tensão superficial Mn/M | ≥31 | ≥31 | ≥31 | ≥31 |
| Espessura e desvio em mm | 9-25;±4% | |||
| Largura e desvio em mm | 200-1400;±1 | |||
| Furos de alfinete/M2 | Diâmetro 0, 1-0, 3 mm; <3 | |||
| Formato de prato | Com um lençol plano | |||
| Qualidade da superfície | Sem óleo, sem marcas de rolos, sem oxidação, sem corpos estranhos prensados e outros defeitos que afetem o uso. | |||
| Qualidade da superfície final | Sem camadas escalonadas, tipo torre, rebarbas ≤50µm, espaços ≤50µm | |||
| Peso por rolo (kg) | 50-500 kg | |||
| Diâmetro do rolo (mm) | 76, 2±1/152±1 | |||
| Requisitos ambientais | Em conformidade com as normas RoHS. | |||
Propriedades mecânicas do substrato de folha de alumínio revestida com carbono
| Liga | Temperamento | Espessura/mm | Resultados de ensaios de tração à temperatura ambiente | ||||
| Resistência à tração (Rm) MPa | alongamento após a ruptura (A100) % | alongamento após a ruptura (A50) % | |||||
| Folha de alumínio leve de um lado | Folha de alumínio leve de dupla face | Folha de alumínio leve de um lado | Folha de alumínio leve de dupla face | ||||
| 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 | - | - | - | - |
Perguntas frequentes sobre folhas de alumínio revestidas com carbono
Qual é a principal função da folha de alumínio revestida com carbono?
- Reduzir a resistência de contato interfacial do eletrodo
- Melhora a adesão entre os materiais ativos e a folha de alumínio.
- Suprimir a corrosão da superfície do ânodo
- Reduzir a polarização e melhorar o desempenho da taxa de transferência.
- Suprimir a formação de dendritos de lítio e melhorar a segurança da bateria.
- Aumentar a vida útil do ciclo e a estabilidade térmica.
Quais materiais são comumente usados para o revestimento de carbono?
Os materiais comuns incluem:
- Negro de fumo: boa condutividade e baixo custo
- Flocos de grafite: melhoram a estabilidade da rede condutora.
- Grafeno: ultra-alta condutividade e alta resistência mecânica
- Sistemas compósitos: para alcançar condutividade e adesão ideais.
Em quais baterias é normalmente utilizada folha de alumínio revestida com carbono?
Utilizado principalmente em:
- Baterias de energia (VE/HEV)
- Baterias de alta capacidade
- Baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP)
- Baterias ternárias (NCM/NCA)
- Células de bolsa de polímero
- Baterias de armazenamento de energia (ESS)
Qual é a espessura típica do revestimento de carbono?
Espessura comum do revestimento:
- Face única: 1 μm
- Dupla face: 1 μm + 1 μm
Diferentes fabricantes podem personalizar a espessura e o peso do revestimento de acordo com as necessidades da aplicação.
Quais tipos de alumínio são normalmente usados como substrato para folhas de alumínio revestidas com carbono?
Os substratos comuns de folha de alumínio incluem:
1060, 1070, 1080, 1100, 1235
Essas classes de materiais oferecem alta pureza, boa ductilidade e desempenho eletroquímico estável.
A folha de alumínio revestida com carbono pode ser revestida em um lado ou em ambos os lados?
Ambas as opções são possíveis:
- Revestimento unilateral: adequado para processos tradicionais de empilhamento e enrolamento.
- Revestimento de dupla face: melhora a condutividade geral e o desempenho em altas taxas de carga/descarga.
Qual é a espessura total típica de uma folha de alumínio revestida com carbono?
Espessuras totais comuns:
- 18 μm (folha de alumínio de 16 μm + revestimento de 1 μm × um lado)
- 20 μm (revestimento de dupla face)
Outras espessuras podem ser personalizadas.
É possível personalizar a largura da folha de alumínio revestida com carbono?
Sim, pode.
A largura padrão do substrato é de 260 mm, a largura do revestimento é de cerca de 230 mm e pode ser personalizada de acordo com o equipamento de enrolamento do cliente.
Como a folha de alumínio revestida com carbono melhora a adesão?
O revestimento de carbono proporciona uma superfície de ligação mais rugosa e de maior energia, ao mesmo tempo que melhora a polaridade da folha de alumínio, permitindo que os materiais ativos adiram com mais força. Todos os produtos são submetidos a testes de adesão conforme a norma ASTM D3359.
Ao aprimorar funcionalmente o coletor de corrente tradicional, a folha de alumínio revestida com carbono resolve eficazmente os desafios interfaciais em baterias de lítio, especialmente no lado do cátodo. Embora não seja um material ativo, desempenha um papel crucial na "infraestrutura", melhorando a capacidade de taxa de descarga, a vida útil e a segurança. Tornou-se um componente indispensável nas tecnologias de baterias de lítio de alto desempenho da atualidade.