CN112779441A - 一种储能锂电池防爆片用铝带材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝材加工技术领域，公开了一种储能锂电池防爆片用铝带材料及其制备方法，包括步骤：按配比称量合金原料；将各原料加入熔炼炉中熔炼，注入除气装置消除熔体中的氢，在铸轧过程中，铸轧区内冷却速度的温降控制在140‑150℃/s，获得铸轧卷；将所述铸轧卷转至铸轧卷转入退火炉中，进行热处理加工；将所述铝卷半成品冷轧制到厚度为0.3mm；将所述铝卷成品转至拉矫清洗；将所述锂电池防爆片用铝带按照要求分切成所需的规格，放置在专用的退火料架上，进行热处理，即可获得锂电池防爆片用铝带材料。本发明采用绿色短流程铸轧‑冷轧工艺流程，所制备的铝带材料抗拉强度达到80‑85Mpa，延伸率达到35‑40％。
Description
技术领域
本发明属于铝材加工技术领域，具体涉及一种储能锂电池防爆片用铝带材料及其制备方法。
背景技术
随着锂电池产业的快速发展，越来越多的人们对锂电池的安全性加大了研究。对于新能源锂电池的关键材料之一-电池防爆片，作为锂电池安全保护的最后一道防线，也越来越受到关注。锂电池在服役中，容易产生热量，造成电池内部气体压力上升，当压力得不到释放，便会造成爆炸和电池自燃等不安全事件。电池防爆片便充当锂电池的保险丝的作用，当气体压力到达一定数值后，电池防爆片起到泄压作用，把电池内部压力释放掉，避免因电池爆炸造成更大的损失。目前市场中常见的电池极耳材料主要是1060-O态的纯铝系，该纯铝系主要存在两个方面的缺陷：一方面，是延伸性能较差，一般在25％左右，且数据波动大，同时成品晶粒度尺寸在80μm以上，导致性能一致性差，不利于后续加工；另一方面，随着汽车厂商对于续航性能的提升，电池容量也一直在增加，电池防爆最低压力从1.9-2.2Mpa提升至2.5-2.7Mpa，而电池的防爆压力大小跟原材料的初始抗拉强度成正相关关系，传统1系合金抗拉强度一般65-70MPa，对于高防爆压力的铝电池产品，抗拉强度要求80-85Mpa，传统材料已经无法满足其防爆要求。因此，发明一种高防爆要求和延伸率高的电池防爆片用铝带材料成为亟需的市场要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高防爆要求和延伸率高的电池防爆片用铝带材料的制备方法，采用绿色短流程铸轧-冷轧工艺流程，所制备的铝带材料抗拉强度达到80-85Mpa，延伸率达到35-40％。
本发明提供了如下的技术方案：
一种储能锂电池防爆片用铝带材料，其特征在于，采用以下质量百分比的原料制备而成：铁0.18-0.22％、硅0.045-0.055％、锆0.1-0.12％、钛0.01-0.015％、余量为铝。
进一步的，铁与硅的质量比为4。
本发明还提供一种储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，包括以下步骤：
将原料加入熔炼炉中进行熔炼，经在线搅拌和通入打渣剂和精炼剂处理熔体得到熔体，进入除气装置消除熔体中存在的氢，得到无中心层偏析、板厚在6.3-6.5mm的铸轧卷；
将所述铸轧卷转至退火炉中，进行热处理加工；
将热处理加工后的铝卷半成品冷轧制到厚度为0.3mm的成品铝卷；
将成品铝卷进行拉矫清洗；分切及成品退火。
进一步的，熔炼温度为730-740℃。
进一步的，在铸轧过程中，铸轧区内冷却速度的温降控制在140-150℃/s。
进一步的，铸轧卷进行坯料退火，炉气温度20℃/h-30℃/h的加热速率升温到280℃保温6h后，再以50℃/h的加热速度，炉气温度升温到380℃，保温4h，再以20℃/h的升温速率，炉气温度加热到440-460℃，保温3-5h后冷却出炉，加急风冷。
进一步的，铝卷用5道次轧制成0.3mm厚度，前3个道次，工作辊粗糙度Ra0.5-0.6μm，轧制速度300-450m/min；后两个道次，工作辊粗糙度Ra0.2-0.3μm，轧制速度500-550m/min；得到冷轧成品铝卷。
进一步的，铝带经过开卷→水洗→脱脂→水洗→烘干→收卷进行清洗。
进一步的，脱脂工序中所用的脱脂剂，游离碱的含量在3.5-3.8％，PH值控制在12.5-13，铝带表面达因值控制在45-49dyn。
进一步的，成品退火步骤为：用10-15℃/h升温到255-275℃，保温8-10h，以25℃/h的降温速率，将至150℃，冷却出炉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明经过通过铸轧过程冷却强度大和锆元素合金化的共同作用，得到最终晶粒度均匀且尺寸细小的成品铝带，晶粒度降低了50％以上，具备组织和力学性能均匀等优点，比常规纯铝防爆片铝带在爆破值稳定性方面具有明显优势；
(2)本发明采用绿色短流程铸轧-冷轧工艺流程，采用合金化和热处理技术改善了纯铝系性能不良的现象，通过多段升控温热处理技术，使得材料在升温过程均匀，料卷的内外圈升温速率一致；同时多段升控温使得材料在热处理过程不易超温。利用该方法制备的锂电池防爆片铝带材料力学性能得到了大幅度提升。对比传统1系合金抗拉强度一般65-70MPa，，而新合金抗拉强度80-85MPa抗拉强度提升了15-20MPa。而传统1系合金延伸性能较差，一般在25％左右，而新合金延伸率35-40％，延伸率提升40-60％。性能的提升，归结于合金成分的合适配比和铸轧过程中冷却能力的管控。铸轧区内冷却速度的温降控制在140-150℃/s和铁与硅的质量比为4。由于冷却速度的加大，对铸轧原始组织产生有益效果，同时铁与硅的质量比为4，在合金凝固过程中，会先形成细小颗粒状α-AlFeSi三元相，对后续材料加工形成良好的强化作用，从而使得材料的性能指标得到提高。
从图中对比看出，新合金中对Fe、Si和Mn元素进行优化配比，在铸轧态金相照片中看出，形成了细小颗粒状α-AlFeSi三元相，对后续材料加工形成良好的强化作用。而常规合金中的则形成大量的β-AlFeSi相，在后续轧制过程中不易破碎，在塑性变形过程中会在Al基体造成割裂作用，对材料后续加工造成不良影响，而新合金中，由于合金配比合理，经合金元素固溶于Al的晶格空隙中，产生强化效果，而同时大量的弥散分布的α-AlFeSi三元相颗粒相又会对晶界产生钉轧效应，阻碍晶粒的长大，从而使材料获得细小的晶粒组织，所以最终会导致材料的力学性能上升。
附图说明
图1为新合金铸轧态显微组织分布；
图2为常规合金铸轧态显微组织分布。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)铸轧坯料成分控制：将质量百分比的0.18-0.22％的铁与质量百分比0.045-0.055％的硅，按照4.0的铁硅比进行添加，再加入重量百分比0.1-0.12％的锆和0.01-0.015％的钛，余量为铝，得到锂电池防爆片用铝带的化学成分。
(2)铸轧卷工艺处理：将步骤1中配比好的化学成分加入熔炼炉中，在温度730-740℃进行熔炼，经在线搅拌和通入打渣剂和精炼剂处理熔体得到合格的熔体质量，进入除气装置消除熔体中存在的氢，在铸轧过程中，铸轧区内冷却速度的温降控制在140-150℃/s，得到无中心层偏析、板厚在6.3-6.5mm的铸轧卷；
(3)坯料热处理；将步骤2中的铸轧卷转入退火炉中，进行热处理加工。以炉气温度20℃/h-30℃/h的加热速率升温到280℃保温6h后，再以50℃/h的加热速度，炉气温度升温到380℃，保温4h，再以20℃/h的升温速率，炉气温度加热到440-460℃，保温3-5h后冷却出炉，加急风冷。
(4)冷轧成品：将步骤3中铝卷用5道次轧制成0.3mm厚度，前3个道次，工作辊粗糙度Ra0.5-0.6μm，轧制速度300-450m/min。后两个道次，工作辊粗糙度Ra0.2-0.3μm，轧制速度500-550m/min。得到冷轧成品铝卷。
(5)表面清洗：将步骤4中得到了成品转至清洗机进行表面清洗，经过开卷→水洗→脱脂→水洗→烘干→收卷，其中，脱脂工序中所用的脱脂剂，游离碱的含量在3.5-3.8％，PH值控制在12.5-13，铝带表面达因值控制45-49dyn。
(6)分切及成品退火：步骤(5)得到的成品锂电池防爆片用铝带按照要求分切成所需的规格，放置在专用的退火料架上。用10-15℃/h升温到255-275℃，保温8-10h，以25℃/h的降温速率，将至150℃，冷却出炉。检查成品晶粒度，成品晶粒尺寸在30-42μm。
(7)最终得到的锂电池防爆片用铝带材料成品抗拉强度80-85MPa，延伸率35-40％。
实施例2
一种储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)铸轧坯料成分控制：将质量百分比的0.22％的铁与质量百分比0.045％的硅，按照4.0的铁硅比进行添加，再加入重量百分比0.1％的锆和0.01％的钛，余量为铝，得到锂电池防爆片用铝带的化学成分。
(2)铸轧卷工艺处理：将步骤1中配比好的化学成分加入熔炼炉中，在温度730℃进行熔炼，经在线搅拌和通入打渣剂和精炼剂处理熔体得到合格的熔体质量，进入除气装置消除熔体中存在的氢，在铸轧过程中，铸轧区内冷却速度的温降控制在150℃/s，得到无中心层偏析、板厚在6.3mm的铸轧卷；
(3)坯料热处理；将步骤2中的铸轧卷转入退火炉中，进行热处理加工。以炉气温度20℃/h的加热速率升温到280℃保温6h后，再以50℃/h的加热速度，炉气温度升温到380℃，保温4h，再以20℃/h的升温速率，炉气温度加热到440℃，保温3h后冷却出炉，加急风冷。
(4)冷轧成品：将步骤3中铝卷用5道次轧制成0.3mm厚度，前3个道次，工作辊粗糙度Ra0.5μm，轧制速度300m/min。后两个道次，工作辊粗糙度Ra0.2μm，轧制速度500m/min。得到冷轧成品铝卷。
(5)表面清洗：将步骤4中得到了成品转至清洗机进行表面清洗，经过开卷→水洗→脱脂→水洗→烘干→收卷，其中，脱脂工序中所用的脱脂剂，游离碱的含量在3.5％，PH值控制在12.5，铝带表面达因值控制45dyn。
(6)分切及成品退火：步骤(5)得到的成品锂电池防爆片用铝带按照要求分切成所需的规格，放置在专用的退火料架上。用10℃/h升温到255℃，保温10h，以25℃/h的降温速率，将至150℃，冷却出炉。检查成品晶粒度，成品晶粒尺寸在30μm。
(7)最终得到的锂电池防爆片用铝带材料成品抗拉强度85MPa，延伸率35％。
实施例3
一种储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)铸轧坯料成分控制：将质量百分比的0.18％的铁与质量百分比0.055％的硅，按照4.0的铁硅比进行添加，再加入重量百分比0.12％的锆和0.015％的钛，余量为铝，得到锂电池防爆片用铝带的化学成分。
(2)铸轧卷工艺处理：将步骤1中配比好的化学成分加入熔炼炉中，在温度740℃进行熔炼，经在线搅拌和通入打渣剂和精炼剂处理熔体得到合格的熔体质量，进入除气装置消除熔体中存在的氢，在铸轧过程中，铸轧区内冷却速度的温降控制在140℃/s，得到无中心层偏析、板厚在6.5mm的铸轧卷；
(3)坯料热处理；将步骤2中的铸轧卷转入退火炉中，进行热处理加工。以炉气温度30℃/h的加热速率升温到280℃保温6h后，再以50℃/h的加热速度，炉气温度升温到380℃，保温4h，再以20℃/h的升温速率，炉气温度加热到460℃，保温5h后冷却出炉，加急风冷。
(4)冷轧成品：将步骤3中铝卷用5道次轧制成0.3mm厚度，前3个道次，工作辊粗糙度Ra0.6μm，轧制速度450m/min。后两个道次，工作辊粗糙度Ra0.3μm，轧制速度550m/min。得到冷轧成品铝卷。
(5)表面清洗：将步骤4中得到了成品转至清洗机进行表面清洗，经过开卷→水洗→脱脂→水洗→烘干→收卷，其中，脱脂工序中所用的脱脂剂，游离碱的含量在3.8％，PH值控制在13，铝带表面达因值控制49dyn。
(6)分切及成品退火：步骤(5)得到的成品锂电池防爆片用铝带按照要求分切成所需的规格，放置在专用的退火料架上。用15℃/h升温到275℃，保温8h，以25℃/h的降温速率，将至150℃，冷却出炉。检查成品晶粒度，成品晶粒尺寸在42μm。
(7)最终得到的锂电池防爆片用铝带材料成品抗拉强度80MPa，延伸率40％。
实施例4
一种储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)铸轧坯料成分控制：将质量百分比的0.2％的铁与质量百分比0.05％的硅，按照4.0的铁硅比进行添加，再加入重量百分比0.11％的锆和0.013％的钛，余量为铝，得到锂电池防爆片用铝带的化学成分。
(2)铸轧卷工艺处理：将步骤1中配比好的化学成分加入熔炼炉中，在温度735℃进行熔炼，经在线搅拌和通入打渣剂和精炼剂处理熔体得到合格的熔体质量，进入除气装置消除熔体中存在的氢，在铸轧过程中，铸轧区内冷却速度的温降控制在145℃/s，得到无中心层偏析、板厚在6.4mm的铸轧卷；
(3)坯料热处理；将步骤2中的铸轧卷转入退火炉中，进行热处理加工。以炉气温度25℃/h的加热速率升温到280℃保温6h后，再以50℃/h的加热速度，炉气温度升温到380℃，保温4h，再以20℃/h的升温速率，炉气温度加热到450℃，保温4h后冷却出炉，加急风冷。
(4)冷轧成品：将步骤3中铝卷用5道次轧制成0.3mm厚度，前3个道次，工作辊粗糙度Ra0.55μm，轧制速度375m/min。后两个道次，工作辊粗糙度Ra0.25μm，轧制速度525m/min。得到冷轧成品铝卷。
(5)表面清洗：将步骤4中得到了成品转至清洗机进行表面清洗，经过开卷→水洗→脱脂→水洗→烘干→收卷，其中，脱脂工序中所用的脱脂剂，游离碱的含量在3.7％，PH值控制在12.7，铝带表面达因值控制47dyn。
(6)分切及成品退火：步骤(5)得到的成品锂电池防爆片用铝带按照要求分切成所需的规格，放置在专用的退火料架上。用13℃/h升温到265℃，保温9h，以25℃/h的降温速率，将至150℃，冷却出炉。检查成品晶粒度，成品晶粒尺寸在36μm。
(7)最终得到的锂电池防爆片用铝带材料成品抗拉强度83MPa，延伸率37％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种储能锂电池防爆片用铝带材料，其特征在于，采用以下质量百分比的原料制备而成：铁0.18-0.22％、硅0.045-0.055％、锆0.1-0.12％、钛0.01-0.015％、余量为铝。
2.根据权利要求1所述的储能锂电池防爆片用铝带材料，其特征在于，铁与硅的质量比为4。
3.根据权利要求1或2所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将原料加入熔炼炉中进行熔炼，经在线搅拌和通入打渣剂和精炼剂处理熔体得到熔体，进入除气装置消除熔体中存在的氢，得到无中心层偏析、板厚在6.3-6.5mm的铸轧卷；
将所述铸轧卷转至退火炉中，进行热处理加工；
将热处理加工后的铝卷半成品冷轧制到厚度为0.3mm的成品铝卷；
将成品铝卷进行拉矫清洗；分切及成品退火。
4.根据权利要求3所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，熔炼温度为730-740℃。
5.根据权利要求3所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，在铸轧过程中，铸轧区内冷却速度的温降控制在140-150℃/s。
6.根据权利要求3所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，铸轧卷进行坯料退火，炉气温度20℃/h-30℃/h的加热速率升温到280℃保温6h后，再以50℃/h的加热速度，炉气温度升温到380℃，保温4h，再以20℃/h的升温速率，炉气温度加热到440-460℃，保温3-5h后冷却出炉，加急风冷。
7.根据权利要求3所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，铝卷用5道次轧制成0.3mm厚度，前3个道次，工作辊粗糙度Ra0.5-0.6μm，轧制速度300-450m/min；后两个道次，工作辊粗糙度Ra0.2-0.3μm，轧制速度500-550m/min；得到冷轧成品铝卷。
8.根据权利要求3所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，铝带经过开卷→水洗→脱脂→水洗→烘干→收卷进行清洗。
9.根据权利要求8所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，脱脂工序中所用的脱脂剂，游离碱的含量在3.5-3.8％，PH值控制在12.5-13，铝带表面达因值控制在45-49dyn。
10.根据权利要求3所述的储能锂电池防爆片用铝带材料的制备方法，其特征在于，成品退火步骤为：用10-15℃/h升温到255-275℃，保温8-10h，以25℃/h的降温速率，将至150℃，冷却出炉。
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2020
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