PVD技術(shù)增量市場，鋰電復(fù)合銅箔集流體大規(guī)模生產(chǎn)中的PVD技術(shù)探討及應(yīng)用
2023/04/04
銅箔是電池中僅次于正極、負(fù)極和電解液 的關(guān)鍵材料，對(duì)電池的性能及成本指標(biāo)影響較大。在鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，負(fù)極集流體材料由壓延銅箔到電解銅箔，厚度逐步降低，目前超薄電解銅箔的厚度已經(jīng)低于4.5微米，后續(xù)大幅減薄的難度較大。為進(jìn)一步提高密度降低成本，復(fù)合銅箔集流體材料逐漸成為產(chǎn)業(yè)界和投資界關(guān)注的熱點(diǎn)，在建及規(guī)劃產(chǎn)能巨大，其中一些問題值得關(guān)注和探討。
復(fù)合銅箔，是指在PET/PP等有機(jī)材質(zhì)薄膜基材的單面或雙面表面上加工制作銅導(dǎo)電層后形成的一種新型材料（本文中的復(fù)合銅箔是特指雙面復(fù)合銅箔）。相比傳統(tǒng)銅箔，復(fù)合銅箔作為鋰電負(fù)極集流體材料的優(yōu)點(diǎn)主要在于銅材料消耗顯著降低，重量明顯下降，還能在一定程度上提升電池安全性，具有低成本、高能量密度和相對(duì)安全等優(yōu)勢(shì)。由于高分子薄膜基材為不導(dǎo)電的絕緣體無法直接進(jìn)行電鍍，目前主要的復(fù)合銅箔生產(chǎn)工藝路線是先在基材薄膜上采用PVD真空鍍膜方法進(jìn)行導(dǎo)電預(yù)鍍銅層加工，然后再采用傳統(tǒng)濕法電鍍銅層加厚（該套工藝簡稱為兩步法）。
首先是在真空環(huán)境中，對(duì)3-5微米厚的PET/PP等聚合物薄膜基材表面進(jìn)行活化預(yù)處理以改善基材表面質(zhì)量、提升基材與金屬涂層的結(jié)合力，然后采用PVD工藝（物理氣相沉積工藝）在基材表面沉積一定的厚度（或者一定的方塊電阻 簡稱方阻）的金屬導(dǎo)電層（通常的銅層厚度范圍為20nm-200nm，方阻范圍為0.2歐姆-2.5歐姆）；在大氣環(huán)境中，將第一步得到的預(yù)鍍銅導(dǎo)電層薄膜轉(zhuǎn)移至連續(xù)鍍銅生產(chǎn)線，采用濕法電鍍工藝加厚銅層至每面600-1000nm (0.6μm-1μm) ，從而得到所需的鋰電復(fù)合銅箔集流體。（相應(yīng)的一些膜層整理及后處理工序不在本文討論范圍內(nèi)）。即使性能指標(biāo)優(yōu)秀，成本問題也必將是大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展復(fù)合銅箔的關(guān)鍵因素。復(fù)合銅箔的綜合成本構(gòu)成中，設(shè)備投資、材料及能源消耗是主要部分，兩步法中的一些技術(shù)細(xì)節(jié)對(duì)這幾項(xiàng)成本參數(shù)影響很大，值得關(guān)注和研究。由于兩步法涉及真空鍍膜和連續(xù)濕法電鍍兩個(gè)不同的細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域，各自專業(yè)性都很強(qiáng)，所以短時(shí)間內(nèi)對(duì)復(fù)合銅箔的全制程進(jìn)行準(zhǔn)確判斷并得出總成本最低的最優(yōu)參數(shù)組合難度很大，可能還需要一段時(shí)間的摸索及各方面的共同努力。本文嘗試從真空鍍膜環(huán)節(jié)的兩個(gè)具體問題入手，舉例分析不同基材及幾種預(yù)鍍銅層參數(shù)對(duì)復(fù)合銅箔可能造成的成本影響，供行業(yè)內(nèi)技術(shù)及研究人員參考，希望能夠“拋磚引玉”為復(fù)合銅箔的產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到一點(diǎn)促進(jìn)作用。
一、PET/PP基材的差異對(duì)PVD預(yù)鍍銅環(huán)節(jié)影響較大目前行業(yè)對(duì)于復(fù)合銅箔的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)還未形成標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)于有機(jī)材料基膜的選擇當(dāng)前仍不太明確，選擇PET基膜的廠商較多，但也有一部分廠商選擇PP基膜。由于PET和PP薄膜分屬極性和非極性聚合物，表面特性差異大，這種差異對(duì)基材與銅膜之間的結(jié)合力有明顯影響，從而導(dǎo)致與不同基材相對(duì)應(yīng)的PVD鍍膜設(shè)備的配置及產(chǎn)能指標(biāo)存在很大不同。目前特別針對(duì)PP基材的硬件及工藝設(shè)計(jì)，已經(jīng)可以完全滿足廠商提出的復(fù)合銅箔結(jié)合力要求。一般情況下，適用于PP基材的PVD鍍膜設(shè)備可以兼容PET基材（可以視為基材通用型設(shè)備），但PET基材專用型鍍膜設(shè)備無法兼容PP基材鍍膜。由于PP基材在PVD設(shè)備中的高速在線活化預(yù)處理環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，通用型設(shè)備的造價(jià)明顯高于PET基材專用型設(shè)備；同時(shí)，一般情況下加工PP基材時(shí)的設(shè)計(jì)加工速度也都會(huì)低于PET基材加工速度。因此，單獨(dú)測(cè)算預(yù)鍍銅導(dǎo)電層環(huán)節(jié)，不考慮PET/PP的基材成本差異，剩余部分二者的成本差可能會(huì)超過30%，值得關(guān)注。如果鋰電行業(yè)用戶盡早統(tǒng)一明確了基材種類和相應(yīng)量化的技術(shù)指標(biāo)，將能夠加快相關(guān)PVD鍍膜設(shè)備定型、降低設(shè)備投入成本，大大促進(jìn)復(fù)合銅箔的發(fā)展。
二、PVD真空鍍銅與傳統(tǒng)濕法電鍍銅加厚的工藝參數(shù)匹配優(yōu)化第一步PVD真空鍍銅（預(yù)鍍銅導(dǎo)電層）環(huán)節(jié)是兩步法中的關(guān)鍵和必要步驟，PVD制程具有環(huán)保潔凈、占地面積小、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，該環(huán)節(jié)設(shè)備投入帶來的折舊費(fèi)、能源及材料消耗對(duì)最終的產(chǎn)品成本影響較大。PVD制程在大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)，一定的條件范圍內(nèi)，單位面積產(chǎn)品的能源及材料消耗與預(yù)鍍銅層厚度（或方阻）基本呈線性比例關(guān)系，由于單位面積的折舊費(fèi)與設(shè)備產(chǎn)能近似呈比例關(guān)系，而設(shè)備產(chǎn)能與預(yù)鍍銅層厚度成反比，所以單位面積折舊費(fèi)與預(yù)鍍銅層厚度（或方阻）也近似呈現(xiàn)線性比例關(guān)系。PVD制程的技術(shù)特點(diǎn)決定了其在一定的范圍內(nèi)可以對(duì)膜層厚度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)和控制，非常方便地得到所需要的最佳膜層方阻（通常在預(yù)鍍銅導(dǎo)電層環(huán)節(jié)選擇的參數(shù)范圍是厚度20nm-200nm，方阻為0.2歐姆-2.5歐姆左右），因此可以根據(jù)第二步濕法電鍍環(huán)節(jié)所需的最佳預(yù)鍍銅層方阻數(shù)據(jù)對(duì)第一步的生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行選擇匹配。第二步濕法電鍍銅加厚環(huán)節(jié)的成本通常與相關(guān)設(shè)備折舊（設(shè)備產(chǎn)能）、材料消耗、污水處理及人工場地成本等因素相關(guān)，與能源消耗（電費(fèi)）關(guān)系不太敏感。預(yù)鍍銅導(dǎo)電層的方阻至少需要低于一定的數(shù)值才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)濕法電鍍加厚，目前一般認(rèn)為，特別設(shè)計(jì)的連續(xù)濕法電鍍?cè)O(shè)備所需要的預(yù)鍍銅層方阻至少應(yīng)小于2.5歐姆（或者2歐姆），相對(duì)通用一些的連續(xù)濕法電鍍?cè)O(shè)備則要求預(yù)鍍銅層方阻更低些，一般要求小于700毫歐（或者低于600毫歐）；通常在一定的范圍內(nèi)，預(yù)鍍銅導(dǎo)電層的方阻越小，連續(xù)濕法電鍍?cè)O(shè)備的生產(chǎn)速度就越高（單位產(chǎn)能連續(xù)濕法電鍍?cè)O(shè)備的投資相應(yīng)也較低一些），從而導(dǎo)致單位面積產(chǎn)品在濕法電鍍環(huán)節(jié)的折舊及人工場地成本就越低。綜合上述兩段可知，兩步法中真空鍍和濕法電鍍兩環(huán)節(jié)一定存在相對(duì)最優(yōu)的工藝參數(shù)匹配組合方案，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合銅箔產(chǎn)品的綜合成本最低目標(biāo)（或者是單位投資綜合產(chǎn)能最大等其它目標(biāo)）。以下進(jìn)一步舉例說明，分類總結(jié)計(jì)算出第一步PVD真空鍍銅環(huán)節(jié)在幾種不同條件下的產(chǎn)能及成本參數(shù)，供行業(yè)內(nèi)技術(shù)和研究人員參考。
