复合集流体：新一代锂电集流体技术！

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复合集流体是以 PET 等原料膜作为基膜经过真空镀膜等工艺将其双面堆积上铜/铝分子的复合材料与传统集流体相比复合集流体采用金属-高分子材料-金属三层复合结构通过真空蒸镀磁控溅射等方式在高分子 PET/PP 膜表面形成纳米级金属再通过水电镀将金属层沉积增厚到 1μm 以上轻薄化趋势下PET 复合铜/铝箔都能做到小于 8μm 厚度的集流体对动力电池的轻量化起到重要作用

复合集流体具备高安全性高能量密度低成本等优势

1中间层采用高分子绝缘材料高分子不容易断裂且具备较强的抗穿刺性能够有效规避电池内短路情况及其导致的发热失控与电池自燃同时由于阻燃配方的加入复合集流体兼具阻燃功能能大幅提高电池的安全性

2PET/PP 聚酯材料质量较轻由于材料密度差异6.5 微米的 PET 复合铜箔对比 4.5 微米纯铜箔减重效果显著对提高电池能量密度效果明显

3聚酯材料生产工艺成熟单位成本低于铜/铝金属规模化量产后将具备成本优势以铜箔为例1GWh 电池使用 650 吨 6μm 普通铜箔铜的密度为 8900kg/m3对应面积约为 1200 万平方米如果使用 470 吨 4.5μm 的铜箔对应的面积为 1174 万平方米如果使用 1200 万平方米 6μm 复合铜箔4μm pet 基膜+2μm 铜层物料成本为 3900 万 /GWh 和 2482 万元/GWh

复合集流体存在的问题包括生产效率低影响电池输出功率由于磁控溅射和蒸镀技术复杂复合金属箔的生产效率和良品率不及传统箔材例如磁控溅镀存在靶材利用率低的问题导致薄膜的均匀性受到影响此外需要增加转接焊等新工序增加了电池的制造成本复合箔的 PET 和金属存在较大的接触电阻同时由于阻燃剂等介质的引入电池的电阻会有所增加电池功率会小幅下降

行业现状国内企业相继布局全产业链协同发展随着生产工艺的完善国内多家企业开始涉足复合集流体领域设备基膜材料制造环节均有良好发展势头

1产品端新材料厂商延伸复合集流体业务传统铜箔企业跟随重庆金美集流体产品 MA 和 MC 已进入量产阶段宝明科技拟在赣州经济技术开发区投资建设锂电池复合铜箔生产基地计划总投资 60 亿元万顺新材 2021 年研发出 PET 铜箔样品已送下游电池企业验证正处于优化生产工艺阶段传统铜箔企业中诺德股份 PET 铜箔产品完成研发步骤目前在下游客户下批量试用阶段

2设备端复合集流体设备包括磁控溅射设备与 PET 电镀设备国内厂商在电镀设备领域发展迅速东威科技凭借电镀设备领域的技术优势攻克了镀膜材料超薄超轻不变形无穿孔的高技术指标要求形成了自主研发的专有技术已实现两代 PET 镀膜设备量产是目前国内唯一一家可以实现 PET 镀铜设备量产的企业在引进真空镀技术后东威科技开启研发并有望制造出磁控溅射设备

3材料端光学级基膜技术壁垒高对日韩厂商依赖度较高东丽三菱SKC 等双星新材作为全球 BOPET 龙头厂商应用于复合集流体的 PET 基膜已实现批量化供货成本较国外厂商优势明显有望实现对国外产能的替代同时公司在 4.5 微米基材的基础上逐渐形成 PET 铜箔一体化生产能力具备较强的成本优势目前终端产品已送检多家厂商处于测试验证阶段

工艺难度大磁控溅射和水电镀最为核心

生产工艺复合工艺流程短污染小替代传统工艺

传统铝箔和铜箔主要是由辊压或电解工艺生产得到而复合铝/铜箔是在厚度 2μm 的塑料薄膜表面采用磁控溅射和真空蒸镀的方式制作一层 50-80nm 的金属层然后通过水电镀的方式将金属层加厚到 1μm制作总厚度在 6-8μm 左右的复合金属箔用以代替 4-13μm 的传统集流体

复合铝箔工艺

传统铝箔工艺为压延工艺辊压是材料通过多道次不同形状轧辊进行横向弯曲最终形成特定截面形状的工艺主要生产工序为将熔炼的铝锭经多次轧制及热处理制成制定的厚度在精轧后对铝箔进行表面处理最后分切成锂电厂家需要的尺寸其中对于铝箔的延伸率是通过轧制压力和热处理工艺实现

复合铝箔的制备工艺相比传统铝箔工艺难度更大其主要生产工序具体为一次蒸镀二次蒸镀分切等以重庆金美为例复合铝箔产品在 PET 基膜的两面都沉积上铝铝层厚度约为 0.8-1.5μm导电性可≤40mΩ使薄膜两面都具有导电性其制作工艺均为真空蒸发镀膜

第一步真空反应镀膜在原材料原膜上使用化学气相沉积Chemical Vapor Deposition的方法沉积 5-15nm 的铝的氧化层作为膜面的活化物质真空设备控制真空度＜5×10-2Pa使用蒸发舟作为铝的蒸发载体向高温的蒸发舟上送入铝丝加热方式为电加热利用热传导的方式在 950-1000℃的条件下使固态铝转变为气态铝铝蒸汽沿垂直热场方向向基体表面扩散在铝蒸汽扩散的通道上同时通入氧气使氧气与铝分子发生反应生成金属化合物并沉积在基体表面形成致密性好抗蚀辅助层

第二步真空镀膜使用镀膜氧化铝的物料作为基膜使用物理气相沉积方式Physical Vapor Deposition, 真空设备控制真空度＜2×10-2Pa使用蒸发舟作为铝的蒸发载体向高温的蒸发舟上送入铝丝加热方式为电加热利用热传导的方式在 950-1000℃的条件下使固态铝转变为气态铝气态铝原子的平均自由程大于蒸发源和基体AL 后物料之间的距离而后沉积到基体表面形成具备特殊性能的金属铝薄膜厚度一般为 800-1000nm膜面导电性可达到 40-30mΩ整个镀敷过程在真空室内进行且膜面背面紧贴通入-20℃至-30℃冷却液的钢棍使膜在受热的同时可以进行急速降温使分子迅速凝结在膜面通过控制冷却液钢棍的温度保证膜面温度可始终保持在膜热熔温度以下不会使膜发生形变

铝箔工艺对比

对比传统铝箔与 PET 铝箔的生产工艺可以看出PET 铝箔生产工艺技术难度高需要更加严苛的生产环境虽然带来了成本的上升但工序减少提高了铝箔的工艺性能且无污染废渣原料使用率高

传统铜箔工艺电解或压延

传统铜箔的制造生产工艺可分为电解和压延两种方式目前主流为电解法其设备简单成本更低电解法主要生产工序为溶铜生箔后处理分切溶铜工序是用硫酸去离子水将铜料制成硫酸铜溶液为生箔工序提供符合工艺标准的电解液生箔工序就是在生箔机电解槽中硫酸铜电解液在直流电的作用下铜离子沉积而制成原箔经过后续工序剥离收卷而形成卷状原箔

复合铜箔工艺

复合铜箔的生产工艺与复合铝箔类似但主要使用的是物理气相沉积方法PVD在 4.5μm 厚度的 PET 表面溅射一层几十纳米的金属第二步再采用离子置换/水电镀的方法增厚表面的金属层形成的铜厚度约 900nm之后铜箔再经历水洗防氧化处理烘干分切即可打包出货

一种重要的 PVD 方法是真空磁控溅射活化通过纯净的氩气电子在真空条件下在飞跃过程中与氩原子发生碰撞使其电离时产生出氩正离子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氩离子在电场作用下加速飞向阴极靶并以高能量袭击铜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薄膜厚度一般为 5-20nm

酸性离子置换一般将临铜球放置于钛蓝制作的阳极袋中然后整个阳极袋都浸入酸性药剂中膜面作为阴极以膜面金属层为阴极膜面在穿过药剂槽液下辊之间穿行膜面浸入在药剂中发生反应进行离子迁移置换在膜面上得到电子后在膜面上形成铜层膜面上形成得铜堆积层厚度为 900nm

铜箔工艺对比

综上可以将 PET 铜箔与传统铜箔的生产工艺进行对比PET 铜箔相比传统铜箔实际工艺更加简单污染也更少因此逐步实现替代

产业链基膜和设备国产替代

真空溅镀核心技术设备受限

溅射是指荷能粒子轰击固体表面(靶)使固体原子或分子从表面射出的现象利用溅射现象沉积薄膜的技术即溅射镀膜具体为先让惰性气体通常为氩气产生辉光放电现象而产生带电的离子带电离子经电场加速后撞击靶材表面使靶材原子被轰击而飞出同时产生二次电子再撞击气体原子从而形成更多的带电离子靶材原子携带着足够的动能到达被镀物(基材)的表面进行沉积

磁控溅射的难点之一是靶材利用率低靶材的利用率较一般在 30%以下靶材是磁控溅射中基本耗材消耗量大且靶材的利用率高低对整个工艺过程效果以及工艺周期都有相当大的影响另一个难点是镀膜的均匀性较低镀膜机均匀性的好坏直接影响到了光学薄膜的品质高低精密的均匀性能够提高镀膜良性目前对镀膜机均匀性的精度要求 0.1% 甚至更高但目前市场上主流的镀膜机的均匀性只能达到 1%磁控溅射工艺在表面处理中已有较多的应用例如采用磁控溅射工艺生产镀膜玻璃其膜层可以由多层金属或金属氧化物组成允许调节能量通过率反射率具有良好的美观效果被应用于现代建筑领域磁控溅射技术也能够应用于织物涂层防电击电磁屏蔽和机器人防护面料等

磁控溅射是目前复合集流体的核心竞争工艺在低温升高速率及强的薄膜与衬底间的结合力等方面具有优势但磁控溅射工艺整体难度较大在磁控溅射时如果没有控制好磁/电场可能出现一些粒子轰击损坏基膜的情况因此在磁控溅射时一方面对基膜高分子有要求基膜强度更大越平整均匀越好另一方面对磁控设备控制精度也有要求控制精度越高镀铜均匀性良品率更好目前磁控溅射设备领域外国公司仍然占据主动权市场份额大技术成熟具体包括美国应材爱发科德国莱宝等以美国应材为例磁控溅射设备能够满足多种金属多种厚度多种体积的需求同时具有卓越的膜层均匀性显著缩短的处理周期先进的阴极旋转技术和并行架构国内磁控溅射设备企业包括广东振华宏大真空惠城真空等

真空蒸镀技术成熟但工艺效果不足

真空蒸镀是指在真空条件下采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料或称膜料并使之气化粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法蒸镀是使用较早用途较广泛的气相沉积技术具有成膜方法简单速率快操作容易薄膜纯度和致密性高膜结构和性能独特等优点但相较于真空溅镀技术此方法得到的薄膜密度差只能达到理论密度的 95%且附着力较小

水电镀应用广泛最先国产替代

水电镀指在电解质溶液里在外电流作用下在一种金属表面上镀上一种或几种金属 (非金属)过程具体为将零件浸在金属盐的溶液中作为阴极金属板作为阳极接直流电源后在零件上沉积出所需的镀层

水电镀广泛应用适合特定应用场景水电镀的技术已经相对成熟稳定且因工艺较简单从设备到环境的要求均没有真空镀苛刻被广泛应用但水电镀弱点明显仅能镀 ABS 料和 ABS+PC 料效果也不是很理想且 ABS 料耐温只有 80℃应用范围被限制而真空电镀可达 200℃左右这使得可以在高温进行电镀处理

基膜优劣影响复合集流体性能国产材料快速前进

复合铜/铝箔中金属箔需要直接附着在基膜上基膜的重要性与高要求不言而喻目前工艺要求基材聚合物兼具柔软性和强度既能承受电池制作过程中涂布和滚压又能起到支撑作用如果本身柔韧性不够那么后续滚压时会影响延展性另一方面在电池正常工作或热失控时基材需要承受较高温度需要保证受热不分解不产生有毒物质另外出于环保和可持续发展的角度考虑基材可回收是基本要求多种类基材各有优势常见的塑料种类有 PETPEPVCPPPSPCPI 等其中 PVCPSPC 有毒且难以回收不适宜用作基材而在剩下的几种塑料中聚乙烯拉伸强度较低在卷曲时可能出现断裂因此也不适宜用作基材PP 耐热性电绝缘性较好PET 电绝缘性优良抗蠕变性耐疲劳性PI 耐热性好耐极低温机械性能优异

基膜属于典型的技术密集型行业基膜的重要性涉及分子结构强度平整度厚薄均匀延展性等技术指标薄膜生产商在生产过程中对产品配方设计制造工艺生产设备等方面具备较强的技术实力在产品配方设计方面设计者根据不同组分在基膜中的作用和功能选择不同的助剂体系以及不同数量及粒径大小的粒子再根据产品设计的目标性能对不同原料进行组分配比对不同配比下制造出的试样进行多方面性能测试通过大量的实验与筛选最终确定出符合目标性能的最优化配方设计

在制造工艺方面根据基膜拉伸技术的不同可分为单向拉伸技术和双向拉伸技术目前基膜多采用双向拉伸技术可有效改善薄膜的拉伸性能光学性能耐热耐寒性尺寸稳定性以及厚度均匀性等多种性能并具有生产速度快效率高等优点在生产设备方面PET 基膜生产线的主要设备包括挤出系统铸片系统拉伸系统收卷系统四部分挤出系统是将原料由固态转变为熔体同时将各自原料充分混炼的设备铸片系统是将挤出系统输送来的均匀稳定的熔体通过模头流延在转动的急冷辊上使之形成无定型的厚片拉伸系统是将从铸片系统中形成的厚片在一定的温度下经过纵向和横向拉伸使分子链向特定的结晶面取向形成薄膜的过程收卷系统主要作用是将成型的薄膜用芯轴卷成指定长宽的成品同时控制卷轴张力

国内基膜企业积极推进有望加速国产替代美国 3M日本东丽日本帝人和韩国 SKC 等公司占据全球大部分市场份额十三五期间国家新材料产业规划将先进高分子材料列入重点发展六大材料之一国内自主企业向上突破

主要企业分析

东威科技国内电镀设备龙头PET 镀膜领域具备先发优势

东威科技是国内电镀设备生产龙头公司主要从事高端精密电镀设备及其配套设备的研发设计生产及销售主要产品包括应用于 PCB 电镀领域的垂直连续电镀设备水平式表面处理设备以及应用于通用五金电镀领域的龙门式电镀设备滚镀类设备凭借公司自主研发的垂直连续电镀等技术公司 VCP 设备在电镀均匀性贯孔率(TP)等关键指标上均达到了业内领先水平其中柔性板片对片 VCP 在板厚 36μm-300μm 时电镀均匀性能够达到 10μm±1μm达到了国际同类设备的技术水平

东威科技是国内 PET 电镀设备主要供应商且具备先发优势公司通过拓展现有卷对卷垂直连续电镀技术体系在膜材料行业的应用进行自主研发和创新生产出可进行高品质量产 PET 铜箔的设备目前国内只有东威科技一家公司实现了 PET 镀铜设备的量产由于该设备的生产具有较高的技术壁垒东威科技具有明显的先发优势此外公司通过引进真空镀技术加码前道磁控溅射设备的研发预计下半年达成量产能力实现复合集流体设备成套销售

万顺新材已开发出 PET 铜箔样品正在配合客户需求优化产品工艺

万顺新材是一家集环保包装材料高精度铝箔功能性薄膜三大业务于一体的国家高新技术企业公司深耕包装材料行业逐步发展成为国内具有领先优势的龙头企业公司登陆创业板以来借力资本平台调整发展战略确立了以中高档包装材料铝箔包装业务功能性薄膜为三驾马车的多元化发展战略

公司已研发出 PET 铜箔样品正处于优化生产工艺阶段复合 PET 铜箔领域公司已开展在有机载体薄膜上镀双面铜箔工艺项目研发工作根据万顺新材 2021 年 11 月公告公司已开发出应用于电池负极的载体铜膜样品可降低电池重量提升能量密度及安全性已送下游电池企业验证2022 年 1 月万顺新材表示公司目前正在配合下游电池客户的需求优化产品工艺

宝明科技延伸布局复合铜箔业务计划投资 60 亿新建生产基地

公司主业集中在平板显示器件跨界布局复合铜箔业务宝明科技主要产品为 LED 背光源和电容式触摸屏两大类是平板显示屏的关键配套组件广泛应用于智能手机平板电脑车载显示器等领域经过多年创新与积累公司在产品研发生产工艺质量管理供货能力等方面稳步提升至行业先进水平获得下游客户的广泛认可受下游景气度下行行业竞争加剧影响公司短期业绩承压延伸布局复合铜箔业务将有效整合优势资源缓解业绩周期性影响拓展公司业务发展空间

投资 60 亿新建产能有望开启增长空间2022 年 7 月 7 日公司发布公告拟在赣州投资建设锂电池复合铜箔生产基地项目计划总投资 60 亿元人民币项目一期拟投资 11.5 亿元人民币项目二期拟投资 48.5 亿元人民币一期项目建设周期 12 个月公司预计 2023 年 3-4 月投产供应消费电子与动力电池领域客户二期具体投资进度和金额将视一期项目情况进行调整本次投资有望为公司未来业绩增长带来新的驱动力提升公司盈利能力和综合竞争能力促进公司持续健康发展

双星新材具备 PET 铜箔一体化生产能力已进入客户验证阶段

公司是全球 BOPET 龙头厂商顺势切入复合铜箔制造领域双星新材主营产品为聚酯薄膜材料已形成国内具有影响力聚酯功能膜材料光学膜生产及深加工产业集群产品线覆盖 60 多个系列聚焦五大新材料板块持续开拓国内外市场公司通过多年技术积累实现了PET 切片-基膜-应用膜产业链一体化是国内少有具备大批量基膜生产能力的企业PET 铜箔基膜厚度 4.5μm与公司信息材料膜产品厚度一致制程和工艺具有技术同源性为公司顺势进入 PET 铜箔业务创造有利条件

PET 基膜具备成本与工艺优势持续推进下游客户验证复合铜箔领域公司依托基膜自主生产核心优势通过引进国外先进磁控溅射设备建立起 PET 铜箔一体化产线已具备量产能力相比其他复合铜箔厂商双星掌握关键材料生产技术4.5μm PET 基膜自产自用大幅降低成本目前公司 4.5μm 基膜已实现对外销售加速基膜材料国产替代终端产品层面2021 年以来 PET 铜箔已送检中韩多家厂商进入测试验证阶段

来源：锂电那些事

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首次发布时间：2023-07-01