鋰電池銅箔行業(yè)分析

鋰電池銅箔行業(yè)分析高端銅箔產品需求旺盛，復合銅箔產業(yè)化成為行業(yè)共識期待復合銅箔初露鋒芒，與傳統(tǒng)銅箔相比優(yōu)勢明顯銅箔是現(xiàn)代電子行業(yè)必不可少的基礎材料，傳統(tǒng)銅箔按生產工藝的不同分為壓延銅箔和電解銅箔兩類。根據(jù)應用領域及產品規(guī)格不同，電解銅箔可分為鋰電銅箔、電子電路銅箔，其中鋰電銅箔主要應用于鋰離子電池領域，如消費類鋰電池、動力類鋰電池及儲能用鋰電池等；電子電路銅箔根據(jù)其自身厚度和技術特性主要應用于不同類型的印制電路板（PCB）。銅箔下游新能源汽車市場前景廣闊，將帶動鋰電銅箔行業(yè)快速發(fā)展，鋰電銅箔行業(yè)高端銅箔產品需求旺盛。受下游新能源汽車行業(yè)續(xù)航需求增加、高能量密度電池享受更高補貼等因素影響，鋰離子電池向輕薄化、高能量密度發(fā)展趨勢明顯。催化銅箔企業(yè)不斷升級產品，厚度、抗拉強度、延伸率、耐熱性和耐腐蝕性等指標提升，6微米極薄及更薄的成為布局的重心，4微米、4.5微米等產品已在寧德時代、中創(chuàng)新航等開展應用。新型3C數(shù)碼市場如無人機、可穿戴設備等近年來發(fā)展迅速，對高端鋰離子電池的需求增多，也帶動了高端鋰電銅箔需求增長。鋰電銅箔已從關鍵輔材向核心主材演變，在鋰電池成本占比快速攀升至第三位。電池企業(yè)爭相入股投資鋰電銅箔企業(yè)，表明電池企業(yè)在保障鋰電銅箔供應穩(wěn)定和維穩(wěn)價格方面的需求急迫。銅原料漲價、加工費上漲、下游市場需求增長，鋰電銅箔價格大幅上漲。據(jù)高工鋰電，2022上半年，鋰電銅箔在5系三元電芯中的成本占比已經上升至第三位，僅次于正極和電解液，在其它材料體系中的電芯成本占比也出現(xiàn)不同程度的上升。傳統(tǒng)銅箔為復合銅箔產業(yè)奠定堅實基礎已具備投資規(guī)模及運營資金壁壘。傳統(tǒng)銅箔企業(yè)解決了復合銅箔產業(yè)化的投資規(guī)模和運營資金規(guī)模要求壁壘。（1）復合銅箔的技術含量高，對生產工藝與設備的要求嚴格。廠商需具備自行設計、加工生產的關鍵設備的能力。（2）復合銅箔設備投入規(guī)模要求高，較強的規(guī)模經濟特點，在投資建廠時的關鍵設備購置、基礎建設投入需要具備資金實力。（3）金屬銅產品屬于大宗商品，資金實力也要求高。技術儲備完備。傳統(tǒng)鋰電企業(yè)為復合銅箔產業(yè)化解決高技術壁壘。（1）生產技術經驗積累為主，需長期的生產實踐摸索，如復合添加劑的制備技術、生箔技術、后處理技術等，均難以通過簡單復制即掌握。（2）復合銅箔不但要具有耐熱性、抗氧化性，而且要求表面無針孔、皺紋，與層壓板要有較高的抗剝強度，沒有處理微粒遷移等基板污染現(xiàn)象等，屬于技術層次較高的銅加工材料。鋰電銅箔擴產迅猛，極薄銅箔滲透率快速提升為進一步提升電池能量密度，動力電池企業(yè)要求鋰電銅箔極薄化，加快對8μm以下銅箔的導入。據(jù)高工鋰電，2018-2021年，國內6μm銅箔的市場占比已從20.5%提升至66.0%；8μm銅箔從79.5%下降至25.1%；4.5μm極薄銅箔則從0%上升至近10%。目前，鋰電銅箔企業(yè)都在加快4.5μm極薄銅箔的產業(yè)化，頭部動力電池企業(yè)也在加快4.5μm銅箔的導入，表明下游市場對極薄銅箔的需求持續(xù)升溫。材料：體現(xiàn)產業(yè)化核心驅動——安全性、低成本、輕量化高安全性是復合集流體的主打優(yōu)勢（1）傳統(tǒng)集流體產生毛刺會刺穿隔膜導致內短路，復合銅箔毛刺小且熔點低助力提升安全性。由于復合銅箔的中間層為PET/PP基膜等有機層，被刺穿能夠有效避免電芯短路，從而可以提升電池安全。電池中電離遷移的鋰離子數(shù)量超過負極石墨可嵌入的數(shù)量，鋰離子將在負極表面潔寧，成為鋰枝晶。鋰枝晶會不可逆的造成鋰電池的容量和使用壽命衰減。若鋰枝晶繼續(xù)增大，出現(xiàn)穿透隔膜使正負極短路，電池將出現(xiàn)熱失效等安全問題。（2）復合集流體毛刺小且其受熱斷路效應可有效防止鋰枝晶導致的熱失效問題，大大提升電池壽命和安全性。復合集流體材料穿刺時因其高基膜高分子不容易斷裂，即便斷裂，銅層比傳統(tǒng)的更薄，穿刺時產生的毛刺更短，1微米的鍍銅的強度無法達到刺穿隔膜的標準，從根本上降低了毛刺穿透隔膜并與電極接觸的風險。（3）PET等有機層不導電且熔點低。發(fā)生局部短路時較易熔斷并實現(xiàn)局部電流的點斷路，發(fā)生大面積短路時PET層和阻燃結構可提供無窮大電阻從而有效避免電池熱失控。傳統(tǒng)技術在電解液中添加阻燃劑，一般添加的量較少，僅能對內短路起到延緩作用，且以犧牲電池能量密度為代價，過量添加會導致電池電化學性能大幅下降。而復合集流體中間的高分子基材具有阻燃特性，其金屬導電層較薄，短路時會如保險絲般熔斷，在熱失控前快速融化，電池損壞僅局限于刺穿位點形成“點斷路”。低成本是產業(yè)化的基石在低成本方面，在技術完備條件下，復合銅箔低成本體現(xiàn)在原料成本低、設備投資高但量產后綜合成本低，理論降本空間大。大規(guī)模量產后有望實現(xiàn)綜合成本4.5元每平米以下，相較傳統(tǒng)銅箔有望實現(xiàn)降低40%的制造成本，理論上放量后單平原料成本有望降低2元以上。中長期輕量化帶來廣闊的應用前景復合銅箔1GWh鋰電池箔材于傳統(tǒng)銅箔減重56%。由于銅密度為8.96g/cm3，高于PET膜材的1.37g/cm3，因此將部分銅換成PET材料，能減少箔材的重量。假設1GWh鋰電池負極箔材用量為1200萬平米，銅箔厚度為6微米，則需要的銅箔用量為645噸。若將銅箔、鋁箔換成復合箔材，其中PET層厚度為4微米，金屬層厚度為2微米。1GWh鋰電池需要的復合銅箔為281噸，相對傳統(tǒng)箔材減重達56%。中長期看，輕量化與強兼容為其帶來廣闊的應用前景，復合銅箔產業(yè)化成為行業(yè)共識期待。制造工藝：兩步法+PET基膜工藝成熟度較高，推動產業(yè)化加速落地復合銅箔有三種生產方案，產業(yè)內使用兩步法居多復合銅箔工藝路線多元，當前產業(yè)內以基膜PET+兩步法為主，量產難點在設備和良率。從基膜材料選擇看來，PET材料抗拉強度更大、工藝簡單，成為主流選擇。PP材料電池端性能好更受電池廠青睞，或工藝成熟后成為更優(yōu)選。從制造工藝看來，分為一步法、兩步法和三步法。一步法分為全濕法和全干法，其產品性能優(yōu)異、良率高，但目前成本高昂，尚處實驗室攻關階段。兩步法包括磁控濺射+水電鍍環(huán)節(jié)，成熟度較高。三步法在兩步法基礎上增加真空蒸鍍環(huán)節(jié)，即磁控濺射+真空蒸鍍+水電鍍，提升生產效率和均勻性，但損失良率。復合銅箔制造技術仍存多項功能有待提升復合集流體對生產工藝及設備要求極高，需要將有機高分子材料和金屬材料之間做到完美復合。傳統(tǒng)集流體直接升級為復合集流體不會影響原有電池內部電化學反應，因此復合集流體可運用于各種規(guī)格、不同體系的動力電池。PET材料的引入，電池制造需新增工序。復合集流體對生產工藝及設備要求極高，除優(yōu)化工序外，影響產業(yè)化是主要因素還有性能領域與制造工藝領域。性能領域其快充性能有待提升、制造工藝領域其磁控濺射均勻性+水電鍍兩面夾是影響產業(yè)化的主要因素。設備：產業(yè)化的基礎，設備先行鋰電產業(yè)鏈技術加速迭代，設備更新先行鋰電產業(yè)技術迭代設備更新先行。對于鋰離子動力電池而言，能量密度和安全性為其最重要的兩個指標。從鋰離子動力電池應用于電動汽車以來，實際裝車產品的能量密度從100Wh/kg提升到200-300Wh/kg，向高能量密度發(fā)展是動力電池的必然趨勢。但在現(xiàn)有的材料體系下，能量密度的提升將導致電池的熱穩(wěn)定性變差，造成安全性風險，從而對鋰電池的生產技術與加工工藝提出了更高的要求。新工藝、新產品往往需要新的設備來實現(xiàn)，較快的行業(yè)工藝更新速度和產品迭代，促使鋰電制造設備的更新周期縮短。原本設計使用壽命為5-8年的設備，實際更新周期僅3-5年，進一步推動了鋰電制造設備向高效率、高精度、更兼容方向發(fā)展。復合銅箔產業(yè)化趨勢確定。銅箔材料是鋰電池負極材料的重要組成部分，約占鋰電池總成本的8%。鋰電池中銅箔降班、減重趨勢顯著，為順應行業(yè)發(fā)展，PET復合銅箔應運而生，產業(yè)化趨勢基本確定。復合集流體目前處于0-1的產業(yè)化初期，設備持續(xù)迭代，目前正逐步實現(xiàn)國產化。初代設備以進口為主，如應用材料、愛發(fā)科、德國萊寶等，其技術水平領先，但造價昂貴，約為國產設備的2.5-3.5倍，生產周期長，拿貨周期較國產長，后續(xù)不易維護。國產設備目前已逐步切入，包括磁控濺射、水電鍍以及后續(xù)的超聲焊已經基本實現(xiàn)國產替代，目前產業(yè)內新增產能基本采購國產設備。磁控濺射/真空蒸鍍（PVD）設備以進口為主，國產化加速磁控濺射/真空蒸鍍設備以進口為主，國產替代加速。目前磁控濺射設備以進口為主，成本較高。磁控濺射是兩步法制復合銅箔中的第一步，由于基膜不導電且銅不容易直接沉積，因此需要在基膜上先通過磁控濺射形成納米級的銅層。海外設備較為先進，海外廠商如愛發(fā)科、德國萊寶等占據(jù)真空鍍膜較大市場份額。國內廣東騰勝已大批量供貨，匯成真空也在加速追趕中。代加工材料的機械化特性不同。PET/PP膜很薄，不像之前代加工材料半導體和通用五金材料比較硬，二者機械化特性不同。濺射參數(shù)不同。原來可以開很高的頻率，溫度高不會對產品有影響，但PP/PET膜溫度高會引起起皺、穿膜等，因此其壓力和濺射速率都不能高，需找到合適的生產參數(shù)、速度、張力控制，對膜的機械性需要精密控制。目前解決方案有多靶材逐級濺射等，據(jù)GGII，已經有廠商使用16、20靶材，相較之下半導體僅用1、2個靶材。在于防止基膜擊穿。PET基膜僅有4μm，濺射銅原子僅靠動能穿透嵌進去，基膜很容易被完全打穿，做到嵌入高分子卻不打穿，需生產參數(shù)、速度、張力控制等極為合適。水電鍍以國產雙邊夾鍍膜設備為主，先發(fā)優(yōu)勢明顯電鍍是三種方法都要使用的工藝，歸類為物理氣相沉積（CVD）。電鍍總結來說即借助外界直流電的作用，在溶液中進行電解反應，使導電體例如金屬的表面沉積一金屬或合金層。突破超聲焊技術才可實現(xiàn)PET銅箔量產超聲波焊接技術具有不可替代性。鋰電池發(fā)展的重點方向包括安全性和續(xù)航能力，多功能復合集流體在這兩點均能帶來提升。以復合銅箔替代傳統(tǒng)的銅箔，鋰電池在前段工序需多出一道采用超聲波高速滾焊技術的極耳轉印焊工序，同時中段工序的多層極耳超聲波焊接工序依舊保持不變，進一步拓寬超聲波技術在鋰電行業(yè)的應用范圍。在鋰電池生產工序中，多層極耳的超聲波焊接不存在迭代風險，且隨著鋰電池技術的發(fā)展，超聲波焊接技術的應用范圍還將進一步擴大。超聲波焊接是把高頻振動的能量聚集到金屬件的待焊表面以焊接金屬。超聲波金屬焊接是將焊件置于焊座上，焊頭在壓力作用下在焊件表面來回高頻振動摩擦，焊件界面間氧化物或污染被破壞擠走，從而形成純凈金屬之間的接觸，在高頻超聲摩擦的作