《儲能材料與器件智能制造技術(shù)》電解工藝在智能手機精密零部件的制造車間里，在新能源汽車動力電池的生產(chǎn)線上，在金屬冶煉的巨型廠房中，有一種神奇的工藝正悄然發(fā)揮著關(guān)鍵作用——電解工藝。它以電能為“魔法棒”，通過電流引發(fā)物質(zhì)的化學(xué)變化，實現(xiàn)金屬的提純、化合物的合成以及材料表面的改性，從微觀的納米涂層制備到宏觀的萬噸級金屬生產(chǎn)，電解工藝深度滲透于現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域。從19世紀電解法制鋁開啟金屬大規(guī)模應(yīng)用的新紀元，到如今在新能源、電子信息等前沿產(chǎn)業(yè)中持續(xù)創(chuàng)新，電解工藝始終是推動工業(yè)技術(shù)進步的核心力量，不斷重塑著人類制造的邊界。采用電解工藝生產(chǎn)的典型儲能材料有泡沫鎳、電解二氧化錳和電解銅箔等。鋰離子電池負極集流體通常使用的是銅箔。常用的鋰離子電池銅箔厚度為8~12μm，正在向6μm等更薄的方向發(fā)展。這種銅箔目前均采用電解法生產(chǎn)，稱為電解銅箔。銅線溶銅過濾生箔機空氣貧銅液銅箔清洗干燥電解銅箔電解銅箔的生產(chǎn)工藝電解銅箔生產(chǎn)第一步是溶銅。所用原料一般是細銅線，將細銅線投入到溶銅罐中，鼓入空氣，在氧氣作用下，銅與硫酸反應(yīng)生成硫酸銅溶液。溶銅后得到的硫酸銅溶液用硅藻土和活性炭過濾，除去雜質(zhì)，泵入儲罐。除雜后的CuSO4溶液從儲罐進入生箔機。生箔機是電解銅箔生產(chǎn)的最核心設(shè)備，電解銅箔即從生箔機生產(chǎn)出來。生箔機由陰極輥、陽極、整流系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。生箔機結(jié)構(gòu)如圖所示。陰極輥為金屬材質(zhì)的圓筒形，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。陰極輥材質(zhì)有銅-銀-不銹鋼表面鍍鉻，純鈦表面陰極輥等。輥筒一部分浸入電解液中。通電后銅離子在陰極輥上電沉積形成銅箔。隨著陰極輥上不斷形成銅箔，溶液中銅離子濃度下降。隨著陰極輥的旋轉(zhuǎn)，銅箔不斷被剝離，然后再經(jīng)水洗、干燥、并進一步進行表面處理后得到成品銅箔。陽極為半圓筒形凹槽，材質(zhì)通常為鈦涂貴金屬氧化物，與陰極間隔約1cm相對放置。在陽極上發(fā)生如下水的分解反應(yīng)。陽極反應(yīng)放出氫離子和氧氣，導(dǎo)致溶液酸度上升。酸度升高和銅離子濃度降低的溶液送往溶銅罐用作溶銅溶液。在整個生產(chǎn)流程中電解液是循環(huán)使用的，溶銅槽不斷溶銅生成硫酸銅溶液，硫酸銅送入過濾系統(tǒng)去除雜質(zhì)，經(jīng)熱交換器調(diào)整溫度后進入高位槽，通過高位槽將電解液送至生箔機，生箔機中消耗了銅離子，產(chǎn)出銅箔，同時也產(chǎn)出H＋和放出氧氣。酸度升高的溶液再回到溶銅槽用于溶銅。整個過程理論上只消耗銅，而不消耗酸。銅離子濃度控制在65g/L~100g/L為宜。生箔機中85%以上的電流靠氫離子傳遞，由含酸90g/L~140g/L的硫酸銅溶液電解的生箔質(zhì)量較好。低酸使銅箔材質(zhì)疏松，延伸率下降，含酸過高則使銅箔發(fā)脆，并增加對設(shè)備的腐蝕。提高電解液溫度可提高生箔機工作電流密度。溫度升高10℃，極限電流密度可提高10%。然而溫度提高會降低陰極極化作用，使結(jié)晶變粗，造成金屬箔電導(dǎo)率、彈性、硬度及強度下降，但延伸率會有所提高。生產(chǎn)中溫度一般控制在55℃~65℃。提高電流密度必須增加流速，以促進對流傳質(zhì)而降低濃差極化，獲得均勻的沉積物。提高電流密度是提高產(chǎn)量的重要措施，生箔機電流密度一般控制在3000~13000A/m2。高電流密度使電化學(xué)極化及濃差極化增大，生成晶核數(shù)目增加，銅箔結(jié)晶變細。往電解液中加入適量添加劑，可不同程度地加大陰極極化作用而抑制金屬的異常生長，有利于獲得致密的陰極沉積物。提高銅箔的彈性、強度、硬度和平滑感。添加劑的加入量必須適當(dāng)，若添加量過多，不僅槽電壓升高，而目生箔毛面出現(xiàn)條紋，銅箔變脆。由于添加劑的吸附，某些金屬雜質(zhì)，如砷、銻的兩性氧化物，還可能與表面活性物質(zhì)組成絡(luò)合物一起吸附于陰極上，因此添加劑寧可少加而不能多加。鈦輥表面的晶體結(jié)構(gòu)決定著電解銅箔結(jié)晶狀態(tài)。陰極表面光潔度高，晶粒細小，電解沉積的銅層就結(jié)晶細膩。陰極輥筒表面的晶格大小、形狀排列不同，電化學(xué)性質(zhì)、電極電位和超電壓也不同，表現(xiàn)出與電解液中雜質(zhì)和添加劑之間的電化學(xué)行為不同。金屬的表面狀態(tài)決定了它的電化學(xué)行為，在電解制造銅箔中，陰極表面始終是在變化的。鈦陰極輥在電解制造銅箔過程中，受到電化學(xué)過程的腐蝕，尤其是液溫偏高，電流密度偏大，溶液酸度高、銅低或循環(huán)量不足時，陰極輥腐蝕加快。陰極輥筒表面鈍化膜薄的電位較負，鈍化膜較厚的電位就較正，陰極輥筒表面鈍化膜厚薄不一樣，導(dǎo)致電流在鈦筒表面不能均勻分布。同時，鈍化膜厚薄不一樣，決定銅箔光面的粗糙度，影響銅箔基體組織結(jié)構(gòu)和毛面的粗糙度。當(dāng)表面腐蝕層增厚到一定程度時，銅箔表面就會發(fā)烏，不光亮，此時就應(yīng)該磨輥拋光。采用化學(xué)拋磨或機械研磨的方式進行磨輥拋光。由于邊緣效應(yīng)的影響，陰極輥筒邊部的銅箔比中間的厚，在分切時應(yīng)將邊部厚度較大的部分切除。從古老的金屬提純到現(xiàn)代的前沿材料制備，電解工藝始終以電能為紐帶，連接著科學(xué)理論與工業(yè)實踐。它不僅是推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的重要引擎，更是助力新能源、新材料等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動力。盡管面臨能耗與環(huán)保的嚴峻挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷突破和綠色發(fā)展理念的深入貫徹，電解工藝必將在優(yōu)化