鋰電池材料復合銅箔專題研究：量產(chǎn)在即星辰大海

鋰電池材料復合銅箔專題研究：量產(chǎn)在即，星辰大海核心觀點：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(zhì)的載體，對鋰電池的循環(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，復合銅箔有望登上舞臺。與銅箔相比，復合銅箔有三大優(yōu)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(tǒng)箔材降重55%和64%。一般將傳統(tǒng)銅箔替換為復合銅箔，大概可以提高電池系統(tǒng)能量密度5%～10%。（2）低成本。若以復合銅箔和復合鋁箔分別替代傳統(tǒng)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(chǎn)投資，復合銅箔的綜合成本還是明顯占優(yōu)。（3）高安全。采用復合箔材后，能夠減少電芯內(nèi)短路的發(fā)生，提高電芯的安全性。一方面復合箔材中金屬層更薄，在電芯受到?jīng)_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(zhàn)。由于復合箔材兩側(cè)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(shù)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(yōu)勢鋰電銅箔的下一代產(chǎn)品：復合銅箔鋰電池是一個復雜的系統(tǒng)，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(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，作為鋰電池負極的集流體和負極活性物質(zhì)的載體，對鋰電池的循環(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，復合銅箔有望登上舞臺。傳統(tǒng)銅箔基本上是由純銅組成，而復合銅箔為三明治結(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。復合銅箔優(yōu)勢一：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、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(tǒng)箔材分別減重55%和64%。復合銅箔優(yōu)勢二：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(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，用復合銅箔替代銅箔，電池整體的降成本效果更明顯。復合銅箔優(yōu)勢三：高安全性（降低內(nèi)短路）采用復合箔材后，能夠減少電芯內(nèi)短路的發(fā)生，提高電芯的安全性。一方面復合箔材中金屬層更薄，在電芯受到?jīng)_擊時，金屬層不易刺穿隔膜，降低內(nèi)短路發(fā)生。另外一方面，在針刺測試時，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，針刺測試時，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。復合箔材挑戰(zhàn)：快充性能有待提升由于復合箔材兩側(cè)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(tǒng)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(xiàn)有可能低于傳統(tǒng)箔材?；诋斍凹夹g(shù)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(chǎn)業(yè)協(xié)同，復合銅箔加速落地復合銅箔已有一定的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)復合銅箔在鋰電行業(yè)屬于新的應用，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。復合銅箔生產(chǎn)工藝復合銅箔的生產(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微米上游原材料：PET膜/PP膜膜材的核心功能是負載銅層，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(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。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(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或分子團形式被蒸發(fā)出來，并沉降在基材表面。蒸鍍主要優(yōu)點是效率高，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，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(shè)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(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)形成納米級厚度的銅層，并具備一定的導電能力。在水平連續(xù)電鍍設(shè)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(huán)節(jié)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(shè)備環(huán)節(jié)，東威科技處于行業(yè)龍頭地位。中游：復合銅箔廠商目前積極布局復合銅箔領(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力。傳統(tǒng)銅箔廠中，中一科技計劃建設(shè)年產(chǎn)500萬平方米復合銅箔生產(chǎn)線。銅箔新勢力企業(yè)中，往往憑借原材料優(yōu)勢，或者磁控濺射等工藝技術(shù)積累，或者人才儲備等，進入復合銅箔制造領(lǐng)域。隨著新勢力入場，疊加傳統(tǒng)銅箔廠轉(zhuǎn)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(yè)領(lǐng)先位置。下游電池廠：工藝創(chuàng)新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(jié)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(tǒng)箔材與復合銅箔焊接在一起，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，復合銅箔占優(yōu)假設(shè)1GWh電池需要新增6臺超聲波設(shè)備，單臺設(shè)備價值200萬元，則新增設(shè)備價值1200萬元。假設(shè)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(shè)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(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，復合銅箔依然有明顯的成本優(yōu)勢。3.迎接復合銅箔市場高速增長新能源車+儲能，推動鋰電池市場快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(yè)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(zhuǎn)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(nèi)儲能電池出