PVD技術(shù)在復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)化中的應(yīng)用

鋰電銅箔已從關(guān)鍵輔材向核心主材演變，在鋰電池成本占比快速攀升至第三位。電池企業(yè)爭(zhēng)相入股投資鋰電銅箔企業(yè)，表明電池企業(yè)在保障鋰電銅箔供應(yīng)穩(wěn)定 和維穩(wěn)價(jià)格方面的需求急迫。銅原料漲價(jià)、加工費(fèi)上漲、下游市場(chǎng)需求增長(zhǎng)，鋰電銅箔價(jià)格大幅上漲。據(jù)高工鋰電，2022上半年，鋰電銅箔在5系三元電芯中 的成本占比已經(jīng)上升至第三位，僅次于正極和電解液，在其它材料體系中的電芯成本占比也出現(xiàn)不同程度的上升。

傳統(tǒng)銅箔為復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

已具備投資規(guī)模及運(yùn)營(yíng)資金壁壘。傳統(tǒng)銅箔企業(yè)解決了復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)化的投資規(guī)模和運(yùn)營(yíng)資金規(guī)模要求壁壘。（1）復(fù)合銅箔的技術(shù)含量高，對(duì)生產(chǎn)工藝與設(shè) 備的要求嚴(yán)格。廠商需具備自行設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備的能力。（2）復(fù)合銅箔設(shè)備投入規(guī)模要求高，較強(qiáng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，在投資建廠時(shí)的關(guān)鍵設(shè)備購(gòu) 置、基礎(chǔ)建設(shè)投入需要具備資金實(shí)力。（3）金屬銅產(chǎn)品屬于大宗商品，資金實(shí)力也要求高。

技術(shù)儲(chǔ)備完備。傳統(tǒng)鋰電企業(yè)為復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)化解決高技術(shù)壁壘。（1）生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累為主，需長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐摸索，如復(fù)合添加劑的制備技術(shù)、生箔技 術(shù)、后處理技術(shù)等，均難以通過簡(jiǎn)單復(fù)制即掌握。（2）復(fù)合銅箔不但要具有耐熱性、抗氧化性，而且要求表面無針孔、皺紋，與層壓板要有較高的抗剝強(qiáng)度， 沒有處理微粒遷移等基板污染現(xiàn)象等，屬于技術(shù)層次較高的銅加工材料。

鋰電銅箔擴(kuò)產(chǎn)迅猛，極薄銅箔滲透率快速提升

為進(jìn)一步提升電池能量密度，動(dòng)力電池企業(yè)要求鋰電銅箔極薄化，加快對(duì)8μm以下銅箔的導(dǎo)入。據(jù)高工鋰電，2018-2021年，國(guó)內(nèi)6μm銅箔的市場(chǎng)占比已從 20.5%提升至66.0%；8μm銅箔從79.5%下降至25.1%；4.5μm極薄銅箔則從0%上升至近10%。目前，鋰電銅箔企業(yè)都在加快4.5μm極薄銅箔的產(chǎn)業(yè)化，頭部 動(dòng)力電池企業(yè)也在加快4.5μm銅箔的導(dǎo)入，表明下游市場(chǎng)對(duì)極薄銅箔的需求持續(xù)升溫。

低成本是產(chǎn)業(yè)化的基石

在低成本方面，在技術(shù)完備條件下，復(fù)合銅箔低成本體現(xiàn)在原料成本低、設(shè)備投資高但量產(chǎn)后綜合成本低，理論降本空間大。大規(guī)模量產(chǎn)后有望實(shí)現(xiàn)綜合成本 4.5元每平米以下，相較傳統(tǒng)銅箔有望實(shí)現(xiàn)降低40%的制造成本，理論上放量后單平原料成本有望降低2元以上。

中長(zhǎng)期輕量化帶來廣闊的應(yīng)用前景

復(fù)合銅箔1GWh鋰電池箔材于傳統(tǒng)銅箔減重56%。由于銅密度為8.96 g/cm3，高于PET膜材的1.37g /cm3 ，因此將部分銅換成PET材料，能減少箔材的重量。假設(shè)1GWh鋰電池負(fù)極箔材用量為1200萬平米，銅箔厚度為6微米，則需要的銅箔用量為645噸。若將銅箔、鋁箔換成復(fù)合箔材，其中PET層厚度為4微米，金 屬層厚度為2微米。1GWh鋰電池需要的復(fù)合銅箔為281噸，相對(duì)傳統(tǒng)箔材減重達(dá)56%。中長(zhǎng)期看，輕量化與強(qiáng)兼容為其帶來廣闊的應(yīng)用前景，復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)化成為行業(yè)共識(shí)期待。

制造工藝：兩步法+PET基膜工藝成熟度較高，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化加速落地

復(fù)合銅箔有三種生產(chǎn)方案，產(chǎn)業(yè)內(nèi)使用兩步法居多

復(fù)合銅箔工藝路線多元，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)內(nèi)以基膜PET+兩步法為主，量產(chǎn)難點(diǎn)在設(shè)備和良率。從基膜材料選擇看來，PET材料抗拉強(qiáng)度更大、工藝簡(jiǎn)單，成為主流選擇。PP材料電池端性能好更受電池廠 青睞，或工藝成熟后成為更優(yōu)選。從制造工藝看來，分為一步法、兩步法和三步法。一步法分為全濕法和全干法，其產(chǎn)品性能優(yōu)異、良率高， 但目前成本高昂，尚處實(shí)驗(yàn)室攻關(guān)階段。兩步法包括磁控濺射+水電鍍環(huán)節(jié)，成熟度較高。三步法在兩步法基 礎(chǔ)上增加真空蒸鍍環(huán)節(jié)，即磁控濺射+真空蒸鍍+水電鍍，提升生產(chǎn)效率和均勻性，但損失良率。

復(fù)合銅箔制造技術(shù)仍存多項(xiàng)功能有待提升

復(fù)合集流體對(duì)生產(chǎn)工藝及設(shè)備要求極高，需要將有機(jī)高分子材料和金屬材料之間做到完美復(fù)合。傳統(tǒng)集流體直接升級(jí)為復(fù)合集流體不會(huì)影響原有電池內(nèi)部電化 學(xué)反應(yīng)，因此復(fù)合集流體可運(yùn)用于各種規(guī)格、不同體系的動(dòng)力電池。PET材料的引入，電池制造需新增工序。

復(fù)合集流體對(duì)生產(chǎn)工藝及設(shè)備要求極高，除優(yōu)化工序外，影響產(chǎn)業(yè)化是主要因素還有性能領(lǐng)域與制造工藝領(lǐng)域。性能領(lǐng)域其快充性能有待提升、制造工藝領(lǐng)域 其磁控濺射均勻性+水電鍍兩面夾是影響產(chǎn)業(yè)化的主要因素。

設(shè)備：產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，設(shè)備先行

鋰電產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)加速迭代，設(shè)備更新先行

鋰電產(chǎn)業(yè)技術(shù)迭代設(shè)備更新先行。對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池而言，能量密度和安全性為其最重要的兩個(gè)指標(biāo)。從鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車以來，實(shí)際裝車產(chǎn) 品的能量密度從100Wh/kg 提升到200-300Wh/kg，向高能量密度發(fā)展是動(dòng)力電池的必然趨勢(shì)。

但在現(xiàn)有的材料體系下，能量密度的提升將導(dǎo)致電池的熱穩(wěn)定性變差，造成安全性風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)鋰電池的生產(chǎn)技術(shù)與加工工藝提出了更高的要求。

新工藝、新產(chǎn)品往往需要新的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，較快的行業(yè)工藝更新速度和產(chǎn)品迭代，促使鋰電制造設(shè)備的更新周期縮短。原本設(shè)計(jì)使用壽命為5-8 年的設(shè)備，實(shí) 際更新周期僅3-5 年，進(jìn)一步推動(dòng)了鋰電制造設(shè)備向高效率、高精度、更兼容方向發(fā)展。

復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)確定。銅箔材料是鋰電池負(fù)極材料的重要組成部分，約 占鋰電池總成本的8%。鋰電池中銅箔降班、減重趨勢(shì)顯著，為順應(yīng)行業(yè)發(fā) 展，PET復(fù)合銅箔應(yīng)運(yùn)而生，產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)基本確定。

復(fù)合集流體目前處于0-1的產(chǎn)業(yè)化初期，設(shè)備持續(xù)迭代，目前正逐步實(shí)現(xiàn)國(guó) 產(chǎn)化。初代設(shè)備以進(jìn)口為主，如應(yīng)用材料、愛發(fā)科、德國(guó)萊寶等，其技術(shù)水 平領(lǐng)先，但造價(jià)昂貴，約為國(guó)產(chǎn)設(shè)備的2.5-3.5倍，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，拿貨周期 較國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)，后續(xù)不易維護(hù)。

國(guó)產(chǎn)設(shè)備目前已逐步切入，包括磁控濺射、水電鍍以及后續(xù)的超聲焊已經(jīng)基 本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，目前產(chǎn)業(yè)內(nèi)新增產(chǎn)能基本采購(gòu)國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

磁控濺射/真空蒸鍍（PVD）設(shè)備以進(jìn)口為主，國(guó)產(chǎn)化加速

磁控濺射/真空蒸鍍?cè)O(shè)備以進(jìn)口為主，國(guó)產(chǎn)替代加 速。目前磁控濺射設(shè)備以進(jìn)口為主，成本較高。磁 控濺射是兩步法制復(fù)合銅箔中的第一步，由于基膜 不導(dǎo)電且銅不容易直接沉積，因此需要在基膜上先 通過磁控濺射形成納米級(jí)的銅層。

海外設(shè)備較為先進(jìn)，海外廠商如愛發(fā)科、德國(guó)萊寶 等占據(jù)真空鍍膜較大市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)廣東騰勝已大 批量供貨，匯成真空也在加速追趕中。

代加工材料的機(jī)械化特性不同。PET/PP膜很薄，不 像之前代加工材料半導(dǎo)體和通用五金材料比較硬， 二者機(jī)械化特性不同。

濺射參數(shù)不同。原來可以開很高的頻率，溫度高不 會(huì)對(duì)產(chǎn)品有影響，但PP/PET膜溫度高會(huì)引起起皺、 穿膜等，因此其壓力和濺射速率都不能高，需找到 合適的生產(chǎn)參數(shù)、速度、張力控制，對(duì)膜的機(jī)械性 需要精密控制。目前解決方案有多靶材逐級(jí)濺射等， 據(jù)GGII，已經(jīng)有廠商使用16、20靶材，相較之下半 導(dǎo)體僅用1、2個(gè)靶材。

在于防止基膜擊穿。PET基膜僅有4μm，濺射 銅原子僅靠動(dòng)能穿透嵌進(jìn)去，基膜很容易被完 全打穿，做到嵌入高分子卻不打穿，需生產(chǎn)參 數(shù)、速度、張力控制等極為合適。

水電鍍以國(guó)產(chǎn)雙邊夾鍍膜設(shè)備為主，先發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯

電鍍是三種方法都要使用的工藝，歸類為物理氣相沉積（CVD）。電鍍總結(jié)來說即借助外界直流電的作用，在溶液中進(jìn)行電解反應(yīng)， 使導(dǎo)電體例如金屬的表面沉積一金屬或合金層。

突破超聲焊技術(shù)才可實(shí)現(xiàn)PET銅箔量產(chǎn)

超聲波焊接技術(shù)具有不可替代性。鋰電池發(fā)展的重點(diǎn)方向包括安全性和續(xù)航能力，多功能復(fù)合集流體在這兩點(diǎn)均能帶來提升。以復(fù)合銅箔替代傳統(tǒng)的銅箔，鋰 電池在前段工序需多出一道采用超聲波高速滾焊技術(shù)的極耳轉(zhuǎn)印焊工序，同時(shí)中段工序的多層極耳超聲波焊接工序依舊保持不變，進(jìn)一步拓寬超聲波技術(shù)在鋰 電行業(yè)的應(yīng)用范圍。在鋰電池生產(chǎn)工序中，多層極耳的超聲波焊接不存在迭代風(fēng)險(xiǎn)，且隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，超聲波焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)大。

超聲波焊接是把高頻振動(dòng)的能量聚集到金屬件的待焊表面以焊接金屬。超聲波金屬焊接是將焊件置于焊座上，焊頭在壓力作用下在焊件表面來回高頻振動(dòng)摩擦， 焊件界面間氧化物或污染被破壞擠走，從而形成純凈金屬之間的接觸，在高頻超聲摩擦的作用下，接觸的金屬發(fā)生塑性變形及流動(dòng)，形成局部連接區(qū)域；隨著 超聲能量的持續(xù)增加，金屬塑性流動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，局部連接區(qū)域不斷擴(kuò)展融合，進(jìn)而形成焊接接頭。

設(shè)備采購(gòu)主要有兩種方式

設(shè)備廠商一般不提供整機(jī)自動(dòng)化設(shè)備。三種設(shè)備位于鋰電池中段工序，均屬于整機(jī)自動(dòng)化設(shè)備的一部分，整機(jī)自動(dòng)化設(shè)備一般由電芯上料、陽(yáng) 極（陰極）極耳超聲焊接、貼膠、電芯下料等部分組成。整機(jī)自動(dòng)化設(shè)備一般由集成商提供，其中主要包括大族激光、聯(lián)贏激光、利元亨、海 目星、贏合科技、中基自動(dòng)化等。