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锂电铜箔新技术 蓄势待发-4.5μm PET、PP 基膜镀1μm 厚的铜膜

Time:2022-10-04Number:2130

锂电铜箔目前作为锂电池的负极集流体,因锂电铜箔用铜量较高,材料成本受到铜价影响较大,电池安全性和能量密度存在瓶颈等原因,动力电池厂商出于成本、安全性和能量密度等方面考虑,有动力和需求寻找新型替代材料。PET 铜箔基于原材料成本节省约2/3、安全性和能量密度更高等特性,契合下游发展规律,有望在一定程度上替代传统铜箔,实现从0到1 的过程。
    1、什么是复合铜箔?复合铜箔是一种形状类似“三明治”的电池集流体材料,其中中间层为4.5μm 厚的PET、PP 基膜,外层各镀1μm 厚的铜。因此,从结构来看,相比于目前传统6μm 的锂电铜箔,PET 铜箔是将造价较低的PET 基膜替代金属铜,从而实现用铜量减少2/3,达到降低原材料成本的目标。
    2、为什么复合铜箔受到市场关注?复合铜箔具备四大优势,有望替代传统铜箔。
    1)安全性高:电池自燃是由于发热失控导致的内短路。传统铜箔,受压后易断裂,断裂后易刺穿隔膜,造成内短路引起发热失控。而PET 材料由于中间有个隔膜,高分子不容易断裂,有阻燃的效果。即使发生了断裂情况,1μm 的镀铜也无法达到刺穿隔膜的强度标准,从而规避内短路的风险,提高电池安全性。
    2)提升能量密度:PET 材料相较金属铜轻,所以复合铜箔整体质量较小,可以有效减轻电池重量,提升电池能量密度。
    3)寿命长:在电池充放电的过程中,相较于金属,高分子材料的膨胀率更低,表面更为均匀,寿命较传统铜箔延长5%。
    3、目前PET 铜箔的壁垒?我们从PET 铜箔的生产流程着手,探寻目前行业遇到的困难及壁垒。我们根据重庆金美的环评报告,可以将制造流程归为以下3 大步骤。我们以二步法为例:
    1)原材料及设备采购:PET 铜箔主要是采购厚度为4.5μm 的PET 基膜、铜靶材、辅材等原材料。目前,行业中生产PET 铜箔的主要设备为磁控溅射设备/电子束蒸镀设备、水电镀等。其中磁控溅射部分的设备多采用进口设备、水镀设备多采用进口的设备。
    2)PVD 方法镀膜:目前在基膜上金属化,主要采用磁控溅射以及蒸发镀膜等方式。在真空环境下,利用磁控溅射设备在基膜上先镀50nm 左右的铜膜。具体的原理为,电子在真空的条件下,在飞跃过程中与氩原子发生碰撞(期间会通入纯净的氩气),使其电离产生出Ar+和新的电子;受磁控溅射靶材背部磁场的约束,大多数电子被约束在磁场周围,而Ar+在电场作用下加速飞向Cu 靶,并以高能量轰击Cu 合金靶表面,使靶材发生溅射,在溅射粒子中,中性的靶原子或部分离子沉积在基膜上形成厚度为50nm 左右的薄膜。在此过程中,铜靶材的利用率较低,为32.12%。
    3)离子置换工艺/水电镀:通过离子置换机进行金属置换金属层增厚。将膜面金属层作为阴极,膜面在穿过药剂槽液下辊之间穿行,膜面在药剂中,发生离子迁移置换反应,膜面上得到电子后,在膜面上形成铜层,铜层堆积厚度为1μm 左右。
    在此过程中,铜球和无氧铜角的利用率为80%左右。
    综上,我们认为目前PET 铜箔的壁垒主要体现在工艺和设备方面。
    1)工艺壁垒:磁控溅射方法是工艺环节中难度较高的环节,即在极薄的基膜上,如何将铜镀的均匀且贴合紧密。这就需要对溅射路径、溅射力度进行不断试错,否则会出现溅射不均匀、击穿基膜/掉粉等问题。后续进行的增厚镀铜工艺,实则来源于PCB 的电镀工艺。与PCB 电镀工艺不同的是,在基膜金属化后,由于附着在基膜上的铜更薄(PET 铜膜厚度在50nm 左右,PCB 的铜膜厚度在μm 级别),因此对张力控制、均匀性的要求更高。
    2)设备壁垒:真空磁控溅射的设备主要采用海外设备为主,水镀增厚设备以东威科技等设备厂商为主。由于PET 铜箔为新兴产品,设备或需进行新的研发和改造。主要难点体现在膜较薄后,设备如何能够满足PET 铜箔的基材或膜材均匀度好、不变形、不穿孔等需求。
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