Алюминиевая фольга с углеродным покрытием — это функциональный композитный материал, представляющий собой равномерный слой проводящего углеродного материала, нанесенного на поверхность высокочистой алюминиевой фольги. Алюминиевая фольга с углеродным покрытием используется для продления срока службы аккумуляторных батарей и изготавливается путем соединения нанопроводящего графита с алюминиевой или медной фольгой. Фольга доступна в двух вариантах: на водной и масляной основе.
Этот материал, наносимый методом рулонного нанесения, образует на поверхности алюминиевой фольги двусторонний токопроводящий углеродный слой толщиной около 2 мкм. Он используется в основном в качестве положительного токосъемника в литий-железо-фосфатных (LFP) и литий-серных аккумуляторах.
Благодаря нанесению углеродных материалов (таких как проводящая сажа, графен и т. д.) на поверхность алюминиевой фольги, покрытая углеродом, значительно снижается внутреннее сопротивление аккумулятора, повышается эффективность переноса электронов и улучшается адгезия между активными материалами и токосъемником. Это помогает уменьшить количество необходимого связующего вещества и повышает производительность аккумулятора, срок службы и безопасность.
Алюминиевая фольга с углеродным покрытием, также известная как «фольга с углеродным покрытием» или «алюминиевая фольга с проводящим покрытием», представляет собой композитную фольгу, образованную путем равномерного нанесения слоя проводящего углеродного материала (например, технического углерода, графена, углеродных нанотрубок и т. д.) на поверхность традиционных токосъемников из алюминиевой фольги с помощью специализированных процессов.
- Подложка: алюминиевая фольга чистотой ≥ 99, 9% (обычно сплавы 1060, 1070, 1100, 1235), обычно толщиной около 16 мкм
- Покрытие: Углеродные материалы (сажа, графит, графен, углеродные нанотрубки и т.д.) в сочетании со связующими, толщиной 0, 3–5 мкм, одностороннее или двухстороннее покрытие
Характеристики алюминиевой фольги с углеродным покрытием
| Элемент | Спецификация |
| Подложка из алюминиевой фольги | 1060, 1070, 1080, 1100, 1235 |
| Толщина алюминиевой фольги | 16 мкм |
| Материал покрытия | Технический углерод, графитовые чешуйки, графен |
| Толщина покрытия | 1 мкм (одна сторона) / 1 мкм + 1 мкм (обе стороны) |
| Общая толщина | 18 мкм |
| Ширина алюминиевой фольги | 260 мм |
| Ширина покрытия | 230 мм |
| Тип покрытия | На водной основе |
| Покрытая поверхность | Односторонний или двухсторонний |
| Плотность покрытия | 0, 5–2, 0 г/м² |
| Поверхностная проводимость | <30 Ом/25 мкм² |
Структура и состав алюминиевой фольги с углеродным покрытием
- Подложка: алюминиевая фольга высокой чистоты электронного класса (обычно толщиной 10–20 мкм).
- Требования: Поверхность должна быть чистой, гладкой, обладать отличной проводимостью и механической прочностью.
- Покрытие: проводящий углеродный слой (обычно толщиной 1–4 мкм).
- Проводящие агенты: такие как сверхпроводящая углеродная сажа, ацетиленовая сажа, графен, VGCF и т. д., обеспечивающие проводящую сеть.
- Связующие: такие как акриловая смола на водной основе, латекс SBR и т. д., обеспечивающие прочную адгезию между углеродным слоем и алюминиевой фольгой.
- Диспергаторы и другие добавки: обеспечивают однородность и стабильность суспензии.
Классификация алюминиевой фольги с углеродным покрытием
- Алюминиевая фольга с углеродным покрытием на водной основе: в качестве растворителя используется вода, экологически безопасна и нетоксична, толщина покрытия 1–5 мкм, широко используется в потребительской электронике и аккумуляторах для транспортных средств на новых источниках энергии.
- Алюминиевая фольга с углеродным покрытием на масляной основе (доля рынка 45%). В качестве носителя используются органические растворители, покрытие плотное (3–8 мкм), подходит для высокотехнологичных применений, например, в аэрокосмической отрасли.
Преимущества алюминиевой фольги с углеродным покрытием
По сравнению с традиционной чистой алюминиевой фольгой алюминиевая фольга с углеродным покрытием обеспечивает ряд улучшений характеристик:
Значительно снижает межфазное сопротивление
Проблема: Активные материалы положительного электрода (такие как материалы LFP и NCM) не обеспечивают достаточного контакта с гладкой поверхностью голой алюминиевой фольги, что приводит к высокому контактному сопротивлению.
Решение: Углеродное покрытие обеспечивает трехмерную проводящую сеть, образуя «поверхностный контакт», а не «точечный контакт» с частицами активного материала, что значительно снижает контактное сопротивление между токосъемником и активным материалом.
Улучшенные показатели скорости работы батареи
Благодаря уменьшенному интерфейсному импедансу и более плавным путям переноса электронов поляризация уменьшается во время высокоскоростной зарядки/разрядки, платформы напряжения остаются более стабильными, а выходная мощность выше.
Улучшенная адгезия между активными материалами и токосъемником
Микрошероховатая структура углеродного покрытия увеличивает удельную площадь поверхности, сцепляя активные материалы подобно «клею», что снижает риск отслоения активного материала во время циклирования и увеличивает срок службы.
Защищает алюминиевый токосъемник и предотвращает окисление/коррозию
В высоковольтных катодных материалах (таких как высоконикелевые NCM и LCO) и электролитных средах поверхность алюминиевой фольги склонна к образованию оксидных пленок, что приводит к увеличению сопротивления или коррозии. Углеродное покрытие действует как физический барьер, эффективно защищая алюминиевую фольгу.
Улучшает стабильность работы аккумулятора и производительность
Улучшает однородность покрытия электродной суспензии, снижая колебания производительности, вызванные дефектами поверхности токосъемника, и повышая общую производительность производства.
Потенциал сокращения использования проводящих агентов
Поскольку сам токосъемник обладает превосходной проводимостью, количество проводящего агента в катодной суспензии может быть уменьшено, что увеличивает долю активного материала и способствует более высокой плотности энергии.
Применение алюминиевой фольги с углеродным покрытием
Алюминиевая фольга с углеродным покрытием (фольга с углеродным покрытием / проводящая алюминиевая фольга с покрытием) — это современный токосъемник для аккумуляторов, широко используемый в области новой энергетики для повышения межфазной проводимости, снижения внутреннего сопротивления и повышения электрохимической стабильности. Она исключительно хорошо работает в следующих областях:
Аккумуляторы новой энергии (EV и ESS)
В аккумуляторных батареях и системах накопления энергии алюминиевая фольга с углеродным покрытием значительно снижает сопротивление интерфейса электродов, повышая эффективность зарядки/разрядки и стабильность цикла.
Твердотельные батареи
В твердотельных системах твёрдые электролиты обычно плохо контактируют с металлической фольгой. Алюминиевая фольга с углеродным покрытием улучшает смачиваемость и площадь контакта, обеспечивая более высокую скорость.
Гибкие электронные устройства
Алюминиевая фольга с углеродным покрытием обеспечивает высокую проводимость и определенную степень гибкости, что подходит для носимой электроники и гибких устройств накопления энергии, требующих легкой и тонкой конструкции.
Основные сферы применения алюминиевой фольги с углеродным покрытием
Алюминиевая фольга с углеродным покрытием требуется не во всех батареях, но она имеет важное значение в следующих типах батарей:
Высоковольтные аккумуляторы
Подходит для устройств, требующих чрезвычайно высокой мгновенной разрядки или быстрой зарядки, таких как:
- Электромобили (ЭМ)
- Беспилотные летательные аппараты (БПЛА)
- Электроинструменты
- Электромотоциклы и электроскутеры
Алюминиевая фольга с углеродным покрытием эффективно снижает сопротивление интерфейса и улучшает высокоскоростные характеристики 5C–10C.
Аккумуляторы с сверхдлительным сроком службы
Подходит для применений с чрезвычайно высокими требованиями к циклическому ресурсу:
- Крупные электростанции накопления энергии (ЭСХЭ)
- Резервное питание базовой станции телекоммуникаций
- Системы бесперебойного питания ИБП
Углеродное покрытие подавляет коррозию алюминиевой фольги и повышает структурную стабильность электрода, значительно продлевая срок службы.
Ячейки с высокой плотностью энергии
В бытовой электронике, где используются высоковольтные катоды, алюминиевая фольга с покрытием улучшает стабильность интерфейса и снижает побочные реакции.
Катодные системы с плохой проводимостью
Например, в случае с LFP-элементами (литий-железо-фосфатными), которые по своей природе имеют низкую проводимость, использование алюминиевой фольги с углеродным покрытием может значительно улучшить:
- Оценить производительность
- Начальная эффективность зарядки
- Низкотемпературные характеристики
Это одна из наиболее быстрорастущих областей применения алюминиевой фольги с углеродным покрытием.
Выбор материалов углеродного покрытия
Выбор материалов углеродного покрытия напрямую влияет на электропроводность, адгезию, коррозионную стойкость и электрохимическую стабильность алюминиевой фольги с углеродным покрытием. Это ключевой фактор, влияющий на характеристики катодных токосъемников аккумуляторов. К распространённым промышленным углеродным материалам относятся:
Технический углерод
- Особенности: Стабильная проводимость, низкая стоимость, хорошая диспергируемость.
- Преимущества: Образует плотные и однородные слои углерода, улучшает межфазную проводимость, подходит для основных литий-ионных аккумуляторов.
- Применение: Широко используется в силовых и энергоаккумуляторных батареях.
Графит
- Особенности: Слоистая структура с высокой подвижностью электронов.
- Преимущества: Значительно улучшает проводимость и смазочные свойства покрытия, делая уплотнение более стабильным.
- Применение: Аккумуляторы средней и высокой мощности, натрий-ионные аккумуляторы с использованием фольги с углеродным покрытием.
Углеродные нанотрубки (УНТ)
- Особенности: Одномерная структура с чрезвычайно высокой проводимостью и механической прочностью.
- Преимущества: создает трехмерную проводящую сеть, снижает межфазное сопротивление и увеличивает срок службы.
- Области применения: Высокоемкостные аккумуляторы и высокопроизводительные системы накопления энергии.
Графен
- Особенности: Двумерная сотовая структура, чрезвычайно высокая проводимость и прочность.
- Преимущества: Значительно повышает эффективность переноса электронов/ионов и стабильность интерфейса.
- Применение: Высокопроизводительные аккумуляторные батареи и твердотельные батареи с использованием фольги с углеродным покрытием.
Восстановленный оксид графена (rGO)
- Особенности: Сочетает в себе свойства графена и оксида графена, легко диспергируется, имеет более низкую стоимость.
- Преимущества: Образует сплошной токопроводящий слой, улучшает адгезию и стойкость к коррозии.
- Области применения: литий-ионные аккумуляторы среднего и высокого класса, а также энергоплотные системы.
Процессы производства алюминиевой фольги с углеродным покрытием
В основном делится на два метода:
Метод нанесения трансферного покрытия
Углеродную суспензию сначала наносят на носитель и высушивают, превращая ее в пленку, а затем переносят на алюминиевую фольгу с помощью прокатки.
- Преимущества: Равномерное покрытие, гладкая поверхность.
- Недостатки: Длительный технологический процесс и более высокая стоимость.
Метод прямого покрытия
Подготовленную проводящую углеродную суспензию наносят непосредственно на алюминиевую фольгу с использованием щелевой экструзии, микрогравюры или других технологий нанесения покрытий, затем сушат и отверждают в печи.
- Преимущества: Простой процесс, низкая стоимость, в настоящее время является основным методом.
- Недостатки: Требуется строгий контроль рецептуры суспензии и параметров покрытия; в противном случае могут возникнуть такие проблемы, как образование полос и неравномерная толщина.
Свойства алюминиевой фольги с углеродным покрытием
| Сплав | 1235 Т | 1235 Т3 | 1100 | 1060 |
| Прочность на растяжение, МПа | ≥200 | ≥240 | ≥240 | ≥200 |
| Удлинение % | ≥2.0 | ≥2, 5 | ≥3.0 | ≥3.0 |
| Поверхностное натяжение Мн/М | ≥31 | ≥31 | ≥31 | ≥31 |
| Толщина и отклонение мкм | 9-25;±4% | |||
| Ширина и отклонение, мм | 200-1400;±1 | |||
| Отверстия/М2 | Диаметр 0, 1-0, 3 мм; <3 | |||
| Форма пластины | С плоским листом | |||
| Качество поверхности | Никаких следов масла, следов от валика, окисления, вдавленных посторонних предметов и других дефектов, которые могут повлиять на использование. | |||
| Качество конечной поверхности | Без смещенных слоев, башенного типа, заусенцы ≤50 мкм, зазоры ≤50 мкм | |||
| Вес рулона, кг | 50-500 кг | |||
| Диаметр рулона, мм | 76, 2±1/152±1 | |||
| Требования к окружающей среде | Соответствует стандартам ROHS | |||
Механические свойства алюминиевой фольги с углеродным покрытием
| Сплав | Характер | Толщина/мм | Результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре | ||||
| Предел прочности на разрыв (Rm) МПа | удлинение после разрыва (А100) % | удлинение после разрыва (А50) % | |||||
| Односторонняя легкая алюминиевая фольга | Двусторонняя светлая алюминиевая фольга | Односторонняя легкая алюминиевая фольга | Двусторонняя светлая алюминиевая фольга | ||||
| 1050 | Н18 | >0, 013-0, 015 | - | - | - | - | - |
| 1050 | Н18 | >0, 015-0, 020 | ≥185 | ≥2.0 | - | - | - |
| 1050/1060 | Н18 | ≤0, 010 | - | - | - | - | - |
| 1050/1060 | Н18 | ≤0, 010 | - | - | - | - | - |
| 1050/1060 | Н18 | >0, 010-0, 013 | ≥190 | - | ≥2, 5 | - | ≥3.0 |
| 1050/1060 | Н18 | >0, 013-0, 015 | - | - | - | - | - |
| 1070 | Н18 | ≤0, 010 | ≥185 | - | ≥2.0 | - | - |
| 1070 | Н18 | >0, 010-0, 013 | - | - | - | - | - |
| 1070 | Н18 | >0, 013-0, 015 | ≥180 | - | - | - | - |
| 1070 | Н18 | >0, 015-0, 020 | ≥175 | - | - | - | - |
| 1100 | Н18 | ≤0, 010 | ≥230 | ≥1, 0 | ≥2.0 | - | ≥3.0 |
| 1100 | Н18 | >0, 010-0, 013 | - | - | - | - | - |
| 1100 | Н18 | >0, 013-0, 015 | ≥220 | - | - | - | - |
| 1100 | Н18 | >0, 015-0, 020 | - | - | ≥2.0 | - | - |
| 1235 | Н18 | ≤0, 010 | - | - | - | - | - |
| 1235 | Н18 | >0, 010-0, 013 | ≥180 | - | - | ≥2.0 | - |
| 1235 | Н18 | >0, 013-0, 015 | ≥185 | - | - | - | - |
| 1235 | Н18 | >0, 015-0, 020 | ≥175 | - | - | - | - |
Часто задаваемые вопросы об алюминиевой фольге с углеродным покрытием
Какова основная функция алюминиевой фольги с углеродным покрытием?
- Уменьшить сопротивление контакта электрода
- Улучшить адгезию между активными материалами и алюминиевой фольгой
- Подавляет коррозию поверхности анода
- Уменьшить поляризацию и улучшить скоростные характеристики
- Подавляет образование литиевых дендритов и повышает безопасность аккумуляторов
- Увеличение срока службы и термической стабильности
Какие материалы обычно используются для углеродного покрытия?
Распространенные материалы включают в себя:
- Технический углерод: хорошая проводимость и низкая стоимость
- Графитовые чешуйки: улучшают стабильность проводящей сети
- Графен: сверхвысокая проводимость и высокая механическая прочность
- Композитные системы: для достижения оптимальной проводимости и адгезии
В каких батареях обычно используется алюминиевая фольга с углеродным покрытием?
В основном используется в:
- Аккумуляторные батареи (электромобили/гибридные электромобили)
- Высокоскоростные батареи
- Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи
- Тройные батареи (NCM/NCA)
- Полимерные мешочные ячейки
- Аккумуляторные батареи энергии (ESS)
Какова типичная толщина углеродного покрытия?
Обычная толщина покрытия:
- Односторонний: 1 мкм
- Двусторонняя: 1 мкм + 1 мкм
Различные производители могут выбирать толщину и вес покрытия в зависимости от потребностей применения.
Какие марки алюминия обычно используются в качестве подложки для алюминиевой фольги с углеродным покрытием?
К распространенным подложкам из алюминиевой фольги относятся:
1060, 1070, 1080, 1100, 1235
Эти марки обладают высокой чистотой, хорошей пластичностью и стабильными электрохимическими характеристиками.
Можно ли наносить углеродное покрытие на алюминиевую фольгу с одной или с обеих сторон?
Оба варианта возможны:
- Одностороннее покрытие: подходит для традиционных процессов укладки и намотки
- Двустороннее покрытие: улучшает общую проводимость и скоростные характеристики
Какова типичная общая толщина алюминиевой фольги с углеродным покрытием?
Общие общие толщины:
- 18 мкм (алюминиевая фольга 16 мкм + покрытие 1 мкм × одностороннее)
- 20 мкм (двустороннее покрытие)
Другие толщины могут быть изготовлены по индивидуальному заказу.
Можно ли изменить ширину алюминиевой фольги с углеродным покрытием?
Да, это возможно.
Стандартная ширина подложки составляет 260 мм, ширина покрытия — около 230 мм и может быть изменена в соответствии с намоточным оборудованием заказчика.
Каким образом алюминиевая фольга с углеродным покрытием улучшает адгезию?
Углеродное покрытие обеспечивает более шероховатую поверхность с более высокой энергией сцепления, а также улучшает полярность поверхности алюминиевой фольги, способствуя более прочному сцеплению активных материалов. Все изделия проходят испытания на адгезию по стандарту ASTM D3359.
Алюминиевая фольга с углеродным покрытием, функционально модернизируя традиционный токосъёмник, эффективно решает проблемы интерфейса в литиевых аккумуляторах, особенно со стороны катода. Хотя она не является активным материалом, она играет важнейшую «инфраструктурную» роль, повышая токоотдачу, срок службы и безопасность. Она стала незаменимым компонентом в современных высокопроизводительных технологиях литиевых аккумуляторов.