PVD技術增量市場，鋰電復合銅箔集流體大規模生產中的PVD技術探討及應用
2023/04/04
銅箔是電池中僅次于正極、負極和電解液 的關鍵材料，對電池的性能及成本指標影響較大。在鋰電產業的發展過程中，負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低于4.5微米，后續大幅減薄的難度較大。為進一步提高密度降低成本，復合銅箔集流體材料逐漸成為產業界和投資界關注的熱點，在建及規劃產能巨大，其中一些問題值得關注和探討。
復合銅箔，是指在PET/PP等有機材質薄膜基材的單面或雙面表面上加工制作銅導電層后形成的一種新型材料（本文中的復合銅箔是特指雙面復合銅箔）。相比傳統銅箔，復合銅箔作為鋰電負極集流體材料的優點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、高能量密度和相對安全等優勢。由于高分子薄膜基材為不導電的絕緣體無法直接進行電鍍，目前主要的復合銅箔生產工藝路線是先在基材薄膜上采用PVD真空鍍膜方法進行導電預鍍銅層加工，然后再采用傳統濕法電鍍銅層加厚（該套工藝簡稱為兩步法）。
首先是在真空環境中，對3-5微米厚的PET/PP等聚合物薄膜基材表面進行活化預處理以改善基材表面質量、提升基材與金屬涂層的結合力，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）；在大氣環境中，將第一步得到的預鍍銅導電層薄膜轉移至連續鍍銅生產線，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合銅箔集流體。（相應的一些膜層整理及后處理工序不在本文討論范圍內）。即使性能指標優秀，成本問題也必將是大規模產業化發展復合銅箔的關鍵因素。復合銅箔的綜合成本構成中，設備投資、材料及能源消耗是主要部分，兩步法中的一些技術細節對這幾項成本參數影響很大，值得關注和研究。由于兩步法涉及真空鍍膜和連續濕法電鍍兩個不同的細分技術領域，各自專業性都很強，所以短時間內對復合銅箔的全制程進行準確判斷并得出總成本最低的最優參數組合難度很大，可能還需要一段時間的摸索及各方面的共同努力。本文嘗試從真空鍍膜環節的兩個具體問題入手，舉例分析不同基材及幾種預鍍銅層參數對復合銅箔可能造成的成本影響，供行業內技術及研究人員參考，希望能夠“拋磚引玉”為復合銅箔的產業發展起到一點促進作用。
一、PET/PP基材的差異對PVD預鍍銅環節影響較大目前行業對于復合銅箔的技術指標參數還未形成標準化，對于有機材料基膜的選擇當前仍不太明確，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，這種差異對基材與銅膜之間的結合力有明顯影響，從而導致與不同基材相對應的PVD鍍膜設備的配置及產能指標存在很大不同。目前特別針對PP基材的硬件及工藝設計，已經可以完全滿足廠商提出的復合銅箔結合力要求。一般情況下，適用于PP基材的PVD鍍膜設備可以兼容PET基材（可以視為基材通用型設備），但PET基材專用型鍍膜設備無法兼容PP基材鍍膜。由于PP基材在PVD設備中的高速在線活化預處理環節比較復雜，通用型設備的造價明顯高于PET基材專用型設備；同時，一般情況下加工PP基材時的設計加工速度也都會低于PET基材加工速度。因此，單獨測算預鍍銅導電層環節，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超過30%，值得關注。如果鋰電行業用戶盡早統一明確了基材種類和相應量化的技術指標，將能夠加快相關PVD鍍膜設備定型、降低設備投入成本，大大促進復合銅箔的發展。
二、PVD真空鍍銅與傳統濕法電鍍銅加厚的工藝參數匹配優化第一步PVD真空鍍銅（預鍍銅導電層）環節是兩步法中的關鍵和必要步驟，PVD制程具有環保潔凈、占地面積小、自動化程度高的優點，該環節設備投入帶來的折舊費、能源及材料消耗對最終的產品成本影響較大。PVD制程在大規模量產時，一定的條件范圍內，單位面積產品的能源及材料消耗與預鍍銅層厚度（或方阻）基本呈線性比例關系，由于單位面積的折舊費與設備產能近似呈比例關系，而設備產能與預鍍銅層厚度成反比，所以單位面積折舊費與預鍍銅層厚度（或方阻）也近似呈現線性比例關系。PVD制程的技術特點決定了其在一定的范圍內可以對膜層厚度進行靈活調節和控制，非常方便地得到所需要的最佳膜層方阻（通常在預鍍銅導電層環節選擇的參數范圍是厚度20nm-200nm，方阻為0.2歐姆-2.5歐姆左右），因此可以根據第二步濕法電鍍環節所需的最佳預鍍銅層方阻數據對第一步的生產工藝參數進行選擇匹配。第二步濕法電鍍銅加厚環節的成本通常與相關設備折舊（設備產能）、材料消耗、污水處理及人工場地成本等因素相關，與能源消耗（電費）關系不太敏感。預鍍銅導電層的方阻至少需要低于一定的數值才能實現連續濕法電鍍加厚，目前一般認為，特別設計的連續濕法電鍍設備所需要的預鍍銅層方阻至少應小于2.5歐姆（或者2歐姆），相對通用一些的連續濕法電鍍設備則要求預鍍銅層方阻更低些，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，預鍍銅導電層的方阻越小，連續濕法電鍍設備的生產速度就越高（單位產能連續濕法電鍍設備的投資相應也較低一些），從而導致單位面積產品在濕法電鍍環節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節一定存在相對最優的工藝參數匹配組合方案，能夠實現復合銅箔產品的綜合成本最低目標（或者是單位投資綜合產能最大等其它目標）。以下進一步舉例說明，分類總結計算出第一步PVD真空鍍銅環節在幾種不同條件下的產能及成本參數，供行業內技術和研究人員參考。
