PVD技術在鋰電池材料復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。銅箔作為鋰電池負極集流體和負極活性物質的載體，對鋰電池的循環壽命、能量 密度、安全性等重要性能都有較大影響。隨著銅箔技術不斷迭代，復合銅箔有望登上舞臺。與銅箔相比，復合銅箔有三大優勢：（1）高能量密度。若復合箔材中PET層厚度為4.5微米，金屬層厚度為2微米，則1GWh鋰電池需要的復合銅箔、復 合鋁箔相對傳統箔材降重55%和64%。一般將傳統銅箔替換為復合銅箔，大概可以提高電池系統能量密度5%～10%。
（2）低成本。若以復合銅箔和復合鋁箔分別替代傳統銅箔和鋁箔，在當前原材料價格情況下，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。即使考慮固定資產投資，復合銅箔的綜合成本還是明顯占優。（3）高安全。采用復合箔材后，能夠減少電芯內短路的發生，提高電芯的安全性。一方面復合箔材中金屬層更薄， 在電芯受到沖擊時，金屬層不易刺穿隔膜。另外一方面，在針刺測試時，PET膜能起到一定的隔離作用。復合銅箔也面臨一定的挑戰。由于復合箔材兩側的金屬層厚度一般只有1微米，導致復合箔材的過流能力有限。基 于當前技術進展，復合銅箔有望在儲能、換電、中低端車等市場，更有競爭力。1.復合銅箔三大優勢
鋰電池是一個復雜的系統，主要由正極材料、負極材料、電解液和隔膜等四大主材，以及銅箔、 鋁箔、導電劑、粘結劑、結構件等輔材組成。銅箔是鋰電池的重要組成部分，作為鋰電池負極的集流體和負極活性物質的載體，對鋰電池的循 環壽命、能量密度、安全性等重要性能都有較大影響。隨著銅箔技術不斷發展，復合銅箔有望登上舞臺。傳統銅箔基本上是由純銅組成，而復合銅箔為 三明治結構，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。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1GWh鋰電池正級、負極箔材用量均為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 需要的復合銅箔、復合鋁箔分別為289噸、139噸，相對傳統箔材分別減重55%和64%。鋰電池中，銅箔成本比鋁箔高。假設銅、鋁金屬的價格分別為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。并且銅箔的加工費一般高于鋁箔，考慮加工費用后，銅箔成本將更高。若以復合銅箔和復合鋁箔分別替代傳統銅箔和鋁箔，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，用復合銅箔替代銅箔，電池整體的降成本效果更明顯。采用復合箔材后，能夠減少電芯內短路的發生，提高電 芯的安全性。一方面復合箔材中金屬層更薄，在電芯受 到沖擊時，金屬層不易刺穿隔膜，降低內短路發生。另 外一方面，在針刺測試時，PET膜能起到一定的隔離作用， 也能降低內短路的發生。采用傳統箔材方案，針刺測試時，電芯容易發生內短路， 電芯電壓瞬間降低到0V，電芯內部自放電，溫度快速上 升。而采用復合箔材后，電芯溫度并沒有明顯變化，大 幅提升電芯安全性。由于復合箔材兩側的金屬層厚度 一般只有1微米，導致復合箔材的過流能力有限。在低倍率充放電時候，采用傳統 箔材或者復合箔材，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， 復合箔材性能表現有可能低于傳統箔材。基于當前技術進展，除了純電動 4C應用場景，復合銅箔有望在儲 能、換電、中低端車等市場，更 有競爭力。
2.產業協同，復合銅箔加速落地
復合銅箔在鋰電行業屬于新的應用，但其本質是將非金 屬材料金屬化，類似的產品/技術在其他行業已經有廣 泛的應用，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構，一層為PI膜，另外一層為 銅箔。先對PI 膜預處理，然后對其表面濺射金屬層，最 后電鍍/解加厚，銅箔的厚度可達到9μm以下。與兩層柔性復合銅箔不同的是，鋰電復合銅箔是雙面鍍 銅，鍍層厚度一般為1微米，并且對電化學性能有非常 高的要求。復合銅箔的生產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。結合成本與效率考慮，目前復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，然后水電鍍增厚至約1微米膜材的核心功能是負載銅層，需要和銅有比較好的結合力，另外需要膜材能夠耐高溫，有較高的 抗拉強度，并且成本相對較低等。目前可用于復合銅箔的膜材有PET膜、PP膜和PI膜等。由于PI膜售價～50萬元/噸，售價過高，目 前行業的主流選擇是PET膜與PP膜。與PP膜相比，PET膜與銅結合力更強。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 著未來復合銅箔放量，未來鋰電隔膜廠也有望切入到復合銅箔膜材領域。常見的真空鍍膜技術包括蒸發鍍膜、磁控濺射和離子鍍膜。離子鍍膜是前兩者技術的有機結合。蒸發鍍膜工作原理是先加熱膜材，使表面組分以原子團或分子團形式被蒸發出來，并沉降在基材 表面。蒸鍍主要優點是效率高，1分鐘可以形成0.1～75nm厚的鍍膜層，設備工藝走速30～100m/min。但是蒸鍍的主要缺點是，鍍膜層與基層的結合力較弱，并且鍍膜層密度低。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合力更強，并且鍍膜層更致密、更均勻。不過磁控 濺射鍍膜效率相對有所下降，一般設備工藝的走速是0.5～30m/min。目前復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 米級厚度的銅層。真空鍍膜設備公司有：東威科技、廣東騰勝科技、廣東匯成真空、廣東振華科技等。經過磁控濺射處理過后的膜材，已經形成納米級厚度的銅層，并具備一定的導電能力。在水平連續 電鍍設備中，在電場作用下，銅離子在膜材表面進一步沉積，形成約1微米厚的銅層。由于銅層主要部分是在水平鍍環節形成，因此水平鍍工藝對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、抗拉強度等。水電鍍設備環節，東威科技處于行業龍頭地位。目前積極布局復合銅箔領域的 企業主要分為兩類，一類是傳 統的銅箔廠，包括諾德股份、 中一科技等，另一類則是銅箔 新勢力。傳統銅箔廠中，中一 科技計劃建設年產500萬平方米 復合銅箔生產線。銅箔新勢力企業中，往往憑借 原材料優勢，或者磁控濺射等 工藝技術積累，或者人才儲備 等，進入復合銅箔制造領域。隨著新勢力入場，疊加傳統銅 箔廠轉型，推動復合銅箔快速 迭代。從進度上來看，寶明科技整體 處于行業領先位置。由于復合銅箔中間層為高分子層，在垂直于復合箔材方向不能導電，若將復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出來。結合寧德時代公布的專利來看，一種比較可靠的解決方案是，將傳統箔材與復合銅箔焊接在一起， 傳統箔材作為極耳，從而將電芯中的電流輸送出來。假設1GWh電池需要新增6臺超 聲波設備，單臺設備價值200萬 元，則新增設備價值1200萬元。假設5年折舊，則每年新增折舊 費用240萬元。另外超聲波焊接會有耗材，假 設一年耗材費用為200萬元，則 1GWh電池每年需要新增440萬 元成本，對應采用復合銅箔需 要新增0.37元/平米。由于復合銅箔在上游原材料環 節降成本幅度較大，即使是制 造環節和電芯環節都有成本增 加，復合銅箔依然有明顯的成 本優勢。
3.迎接復合銅箔市場高速增長
鋰電池主要用于新能源車、儲能和消費等。隨著新能源車行業崛起，推動鋰電池快速降本。2021 年，寧德時代動力電池平均售價為0.78元/Wh，相對2014年下降幅度達到73%。儲能有望進一步打開鋰電池市場空間。目前全球能源供應向新能源方向轉型，能源供需錯配，以及 能源供應危機，都推動儲能需求上升。2021年國內儲能電池出貨量50.1GWh，同比增長195%。隨著復合銅箔技術成熟，明年 復合銅箔有望開始大規模出貨， 并且隨著復合銅箔滲透率提高， 復合銅箔到2025年出貨量有 望達到新的臺階。假設2023～2025年復合銅箔 滲透率分別為1%、5%和15%， 復合銅箔的平均售價分別為5 元/平米、4.5元/平米、4元/ 平米。預計到2025年復合銅箔出貨 量有望達到39.59億平米，對 應的市場規模約為158.4億元。
