PVD技術(shù)在鋰電池材料復(fù)合銅箔中的重要探討

2023/04/10

銅箔是鋰電池的重要組成部分。銅箔作為鋰電池負(fù)極集流體和負(fù)極活性物質(zhì)的載體，對(duì)鋰電池的循環(huán)壽命、能量 密度、安全性等重要性能都有較大影響。隨著銅箔技術(shù)不斷迭代，復(fù)合銅箔有望登上舞臺(tái)。與銅箔相比，復(fù)合銅箔有三大優(yōu)勢(shì)：（1）高能量密度。若復(fù)合箔材中PET層厚度為4.5微米，金屬層厚度為2微米，則1GWh鋰電池需要的復(fù)合銅箔、復(fù) 合鋁箔相對(duì)傳統(tǒng)箔材降重55%和64%。一般將傳統(tǒng)銅箔替換為復(fù)合銅箔，大概可以提高電池系統(tǒng)能量密度5%～10%。

（2）低成本。若以復(fù)合銅箔和復(fù)合鋁箔分別替代傳統(tǒng)銅箔和鋁箔，在當(dāng)前原材料價(jià)格情況下，1GWh電池的箔材 原材料成本分別可以下降2314萬元和467萬元，下降幅度為65%和75%。用復(fù)合銅箔替代銅箔，電池整體的降成本效 果更明顯。即使考慮固定資產(chǎn)投資，復(fù)合銅箔的綜合成本還是明顯占優(yōu)。（3）高安全。采用復(fù)合箔材后，能夠減少電芯內(nèi)短路的發(fā)生，提高電芯的安全性。一方面復(fù)合箔材中金屬層更薄， 在電芯受到?jīng)_擊時(shí)，金屬層不易刺穿隔膜。另外一方面，在針刺測(cè)試時(shí)，PET膜能起到一定的隔離作用。復(fù)合銅箔也面臨一定的挑戰(zhàn)。由于復(fù)合箔材兩側(cè)的金屬層厚度一般只有1微米，導(dǎo)致復(fù)合箔材的過流能力有限?；?于當(dāng)前技術(shù)進(jìn)展，復(fù)合銅箔有望在儲(chǔ)能、換電、中低端車等市場(chǎng)，更有競(jìng)爭(zhēng)力。

1.復(fù)合銅箔三大優(yōu)勢(shì)

鋰電銅箔的下一代產(chǎn)品：復(fù)合銅箔

鋰電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜等四大主材，以及銅箔、 鋁箔、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、結(jié)構(gòu)件等輔材組成。銅箔是鋰電池的重要組成部分，作為鋰電池負(fù)極的集流體和負(fù)極活性物質(zhì)的載體，對(duì)鋰電池的循 環(huán)壽命、能量密度、安全性等重要性能都有較大影響。隨著銅箔技術(shù)不斷發(fā)展，復(fù)合銅箔有望登上舞臺(tái)。傳統(tǒng)銅箔基本上是由純銅組成，而復(fù)合銅箔為 三明治結(jié)構(gòu)，中間層為PET膜或者PP膜，上下兩面均為厚度約為1微米的銅層。

復(fù)合銅箔優(yōu)勢(shì)一：高能量密度

由于銅、鋁的密度分別為8.96和2.7g/cm3，均高于PET膜材的1.37g /cm3 ，因此將部分銅或者鋁 換成PET材料，均能減少箔材的重量。假設(shè)1GWh鋰電池正級(jí)、負(fù)極箔材用量均為1200萬平米，銅箔厚度為6微米，鋁箔厚度為12微米， 則需要的銅箔用量為645噸，鋁箔用量為389噸。若將銅箔、鋁箔換成復(fù)合箔材，其中PET層厚度為4.5微米，金屬層厚度為2微米，則1GWh鋰電池 需要的復(fù)合銅箔、復(fù)合鋁箔分別為289噸、139噸，相對(duì)傳統(tǒng)箔材分別減重55%和64%。

復(fù)合銅箔優(yōu)勢(shì)二：低成本（原材料成本低）

鋰電池中，銅箔成本比鋁箔高。假設(shè)銅、鋁金屬的價(jià)格分別為5.5萬元/噸和1.6萬元/噸，則1GWh 鋰電池需要的傳統(tǒng)銅箔、鋁箔原材料成本分別為3548萬元和622萬元，銅箔原材料成本是鋁箔原 材料成本的5.7倍。并且銅箔的加工費(fèi)一般高于鋁箔，考慮加工費(fèi)用后，銅箔成本將更高。若以復(fù)合銅箔和復(fù)合鋁箔分別替代傳統(tǒng)銅箔和鋁箔，1GWh電池的箔材原材料成本分別可以下降 2314萬元和467萬元，下降幅度為65%和75%。從降成本角度來看，用復(fù)合銅箔替代銅箔，電池整體的降成本效果更明顯。

復(fù)合銅箔優(yōu)勢(shì)三：高安全性（降低內(nèi)短路）

采用復(fù)合箔材后，能夠減少電芯內(nèi)短路的發(fā)生，提高電 芯的安全性。一方面復(fù)合箔材中金屬層更薄，在電芯受 到?jīng)_擊時(shí)，金屬層不易刺穿隔膜，降低內(nèi)短路發(fā)生。另 外一方面，在針刺測(cè)試時(shí)，PET膜能起到一定的隔離作用， 也能降低內(nèi)短路的發(fā)生。采用傳統(tǒng)箔材方案，針刺測(cè)試時(shí)，電芯容易發(fā)生內(nèi)短路， 電芯電壓瞬間降低到0V，電芯內(nèi)部自放電，溫度快速上 升。而采用復(fù)合箔材后，電芯溫度并沒有明顯變化，大 幅提升電芯安全性。

復(fù)合箔材挑戰(zhàn)：快充性能有待提升

由于復(fù)合箔材兩側(cè)的金屬層厚度 一般只有1微米，導(dǎo)致復(fù)合箔材的過流能力有限。在低倍率充放電時(shí)候，采用傳統(tǒng) 箔材或者復(fù)合箔材，電芯的充放電曲線一般沒有明顯的差異。而 到了2C、4C高倍率充放電時(shí)， 復(fù)合箔材性能表現(xiàn)有可能低于傳統(tǒng)箔材?；诋?dāng)前技術(shù)進(jìn)展，除了純電動(dòng) 4C應(yīng)用場(chǎng)景，復(fù)合銅箔有望在儲(chǔ) 能、換電、中低端車等市場(chǎng)，更 有競(jìng)爭(zhēng)力。

2.產(chǎn)業(yè)協(xié)同，復(fù)合銅箔加速落地

復(fù)合銅箔已有一定的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)

復(fù)合銅箔在鋰電行業(yè)屬于新的應(yīng)用，但其本質(zhì)是將非金 屬材料金屬化，類似的產(chǎn)品/技術(shù)在其他行業(yè)已經(jīng)有廣 泛的應(yīng)用，包括電磁屏蔽材料、ITO鍍膜、覆銅板等。兩層柔性覆銅板為兩層結(jié)構(gòu)，一層為PI膜，另外一層為 銅箔。先對(duì)PI 膜預(yù)處理，然后對(duì)其表面濺射金屬層，最 后電鍍/解加厚，銅箔的厚度可達(dá)到9μm以下。與兩層柔性復(fù)合銅箔不同的是，鋰電復(fù)合銅箔是雙面鍍 銅，鍍層厚度一般為1微米，并且對(duì)電化學(xué)性能有非常 高的要求。

復(fù)合銅箔生產(chǎn)工藝

復(fù)合銅箔的生產(chǎn)工藝主要包括一步法、二步法和三步法。一步法是在高分子膜材表面直接化學(xué)沉積或者磁控濺射形成銅金屬層；二步法是磁控濺射+水電鍍；三步法是磁控濺射+蒸鍍+水電鍍。結(jié)合成本與效率考慮，目前復(fù)合銅箔的主流工藝是二步法。先通過磁控濺射，在高分子膜材表面 形成20～70nm的金屬銅層，然后水電鍍?cè)龊裰良s1微米

上游原材料：PET膜/PP膜

膜材的核心功能是負(fù)載銅層，需要和銅有比較好的結(jié)合力，另外需要膜材能夠耐高溫，有較高的 抗拉強(qiáng)度，并且成本相對(duì)較低等。目前可用于復(fù)合銅箔的膜材有PET膜、PP膜和PI膜等。由于PI膜售價(jià)～50萬元/噸，售價(jià)過高，目 前行業(yè)的主流選擇是PET膜與PP膜。與PP膜相比，PET膜與銅結(jié)合力更強(qiáng)。另外由于PET膜制備工藝為雙向同步拉伸、雙向異步拉伸等，并且制膜工藝中不需要制孔，因此隨 著未來復(fù)合銅箔放量，未來鋰電隔膜廠也有望切入到復(fù)合銅箔膜材領(lǐng)域。

上游設(shè)備：真空鍍膜（蒸鍍）

常見的真空鍍膜技術(shù)包括蒸發(fā)鍍膜、磁控濺射和離子鍍膜。離子鍍膜是前兩者技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。蒸發(fā)鍍膜工作原理是先加熱膜材，使表面組分以原子團(tuán)或分子團(tuán)形式被蒸發(fā)出來，并沉降在基材 表面。蒸鍍主要優(yōu)點(diǎn)是效率高，1分鐘可以形成0.1～75nm厚的鍍膜層，設(shè)備工藝走速30～100m/min。但是蒸鍍的主要缺點(diǎn)是，鍍膜層與基層的結(jié)合力較弱，并且鍍膜層密度低。

上游設(shè)備：真空鍍膜（磁控濺射）

磁控濺射是用高能等離子體轟擊靶材，并使表面組分以原子團(tuán)或離子形式被濺射出來，并沉積在 基片表面。與蒸鍍相比，磁控濺射形成的鍍膜層與基材結(jié)合力更強(qiáng)，并且鍍膜層更致密、更均勻。不過磁控 濺射鍍膜效率相對(duì)有所下降，一般設(shè)備工藝的走速是0.5～30m/min。目前復(fù)合銅箔的制備工藝中，一般是先通過磁控濺射，或者先磁控濺射然后蒸鍍的方法，形成納 米級(jí)厚度的銅層。真空鍍膜設(shè)備公司有：東威科技、廣東騰勝科技、廣東匯成真空、廣東振華科技等。

上游設(shè)備：水電鍍

經(jīng)過磁控濺射處理過后的膜材，已經(jīng)形成納米級(jí)厚度的銅層，并具備一定的導(dǎo)電能力。在水平連續(xù) 電鍍?cè)O(shè)備中，在電場(chǎng)作用下，銅離子在膜材表面進(jìn)一步沉積，形成約1微米厚的銅層。由于銅層主要部分是在水平鍍環(huán)節(jié)形成，因此水平鍍工藝對(duì)銅層性能有重要影響，包括銅層的厚度、 厚度均勻性、表面密度、表面粗糙度、抗拉強(qiáng)度等。水電鍍?cè)O(shè)備環(huán)節(jié)，東威科技處于行業(yè)龍頭地位。

中游：復(fù)合銅箔廠商

目前積極布局復(fù)合銅箔領(lǐng)域的 企業(yè)主要分為兩類，一類是傳 統(tǒng)的銅箔廠，包括諾德股份、 中一科技等，另一類則是銅箔 新勢(shì)力。傳統(tǒng)銅箔廠中，中一 科技計(jì)劃建設(shè)年產(chǎn)500萬平方米 復(fù)合銅箔生產(chǎn)線。銅箔新勢(shì)力企業(yè)中，往往憑借 原材料優(yōu)勢(shì)，或者磁控濺射等 工藝技術(shù)積累，或者人才儲(chǔ)備 等，進(jìn)入復(fù)合銅箔制造領(lǐng)域。隨著新勢(shì)力入場(chǎng)，疊加傳統(tǒng)銅 箔廠轉(zhuǎn)型，推動(dòng)復(fù)合銅箔快速 迭代。從進(jìn)度上來看，寶明科技整體 處于行業(yè)領(lǐng)先位置。

下游電池廠：工藝創(chuàng)新

由于復(fù)合銅箔中間層為高分子層，在垂直于復(fù)合箔材方向不能導(dǎo)電，若將復(fù)合銅箔直接堆疊焊接 在一起，則電芯中的電流無法有效傳導(dǎo)出來。結(jié)合寧德時(shí)代公布的專利來看，一種比較可靠的解決方案是，將傳統(tǒng)箔材與復(fù)合銅箔焊接在一起， 傳統(tǒng)箔材作為極耳，從而將電芯中的電流輸送出來。

全產(chǎn)業(yè)成本比較，復(fù)合銅箔占優(yōu)

假設(shè)1GWh電池需要新增6臺(tái)超 聲波設(shè)備，單臺(tái)設(shè)備價(jià)值200萬 元，則新增設(shè)備價(jià)值1200萬元。假設(shè)5年折舊，則每年新增折舊 費(fèi)用240萬元。另外超聲波焊接會(huì)有耗材，假 設(shè)一年耗材費(fèi)用為200萬元，則 1GWh電池每年需要新增440萬 元成本，對(duì)應(yīng)采用復(fù)合銅箔需 要新增0.37元/平米。由于復(fù)合銅箔在上游原材料環(huán) 節(jié)降成本幅度較大，即使是制 造環(huán)節(jié)和電芯環(huán)節(jié)都有成本增 加，復(fù)合銅箔依然有明顯的成 本優(yōu)勢(shì)。

3.迎接復(fù)合銅箔市場(chǎng)高速增長(zhǎng)

新能源車+儲(chǔ)能，推動(dòng)鋰電池市場(chǎng)快速增長(zhǎng)

鋰電池主要用于新能源車、儲(chǔ)能和消費(fèi)等。隨著新能源車行業(yè)崛起，推動(dòng)鋰電池快速降本。2021 年，寧德時(shí)代動(dòng)力電池平均售價(jià)為0.78元/Wh，相對(duì)2014年下降幅度達(dá)到73%。儲(chǔ)能有望進(jìn)一步打開鋰電池市場(chǎng)空間。目前全球能源供應(yīng)向新能源方向轉(zhuǎn)型，能源供需錯(cuò)配，以及 能源供應(yīng)危機(jī)，都推動(dòng)儲(chǔ)能需求上升。2021年國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電池出貨量50.1GWh，同比增長(zhǎng)195%。

復(fù)合銅箔市場(chǎng)規(guī)模有望高速增長(zhǎng)

隨著復(fù)合銅箔技術(shù)成熟，明年 復(fù)合銅箔有望開始大規(guī)模出貨， 并且隨著復(fù)合銅箔滲透率提高， 復(fù)合銅箔到2025年出貨量有 望達(dá)到新的臺(tái)階。假設(shè)2023～2025年復(fù)合銅箔 滲透率分別為1%、5%和15%， 復(fù)合銅箔的平均售價(jià)分別為5 元/平米、4.5元/平米、4元/ 平米。預(yù)計(jì)到2025年復(fù)合銅箔出貨 量有望達(dá)到39.59億平米，對(duì) 應(yīng)的市場(chǎng)規(guī)模約為158.4億元。