锂电池铜箔行业研究锂电产业技术迭代复合铜箔产业化在即

锂电池铜箔行业研究-锂电产业技术迭代复合铜箔产业化在即高端铜箔产品需求旺盛，复合铜箔产业化成为行业共识期待复合铜箔初露锋芒，与传统铜箔相比优势明显铜箔是现代电子行业必不可少的基础材料，传统铜箔按生产工艺的不同分为压延铜箔和电解铜箔两类。根据应用领域及产品规格不同，电解铜箔可分为锂电铜箔、电子电路铜箔，其中锂电铜箔主要应用于锂离子电池领域，如消费类锂电池、动力类锂电池及储能用锂电池等；电子电路铜箔根据其自身厚度和技术特性主要应用于不同类型的印制电路板（PCB）。铜箔下游新能源汽车市场前景广阔，将带动锂电铜箔行业快速发展，锂电铜箔行业高端铜箔产品需求旺盛。受下游新能源汽车行业续航需求增加、高能量密度电池享受更高补贴等因素影响，锂离子电池向轻薄化、高能量密度发展趋势明显。催化铜箔企业不断升级产品，厚度、抗拉强度、延伸率、耐热性和耐腐蚀性等指标提升，6微米极薄及更薄的成为布局的重心，4微米、4.5微米等产品已在宁德时代、中创新航等开展应用。新型3C数码市场如无人机、可穿戴设备等近年来发展迅速，对高端锂离子电池的需求增多，也带动了高端锂电铜箔需求增长。锂电铜箔已从关键辅材向核心主材演变，在锂电池成本占比快速攀升至第三位。电池企业争相入股投资锂电铜箔企业，表明电池企业在保障锂电铜箔供应稳定和维稳价格方面的需求急迫。铜原料涨价、加工费上涨、下游市场需求增长，锂电铜箔价格大幅上涨。据高工锂电，2022上半年，锂电铜箔在5系三元电芯中的成本占比已经上升至第三位，仅次于正极和电解液，在其它材料体系中的电芯成本占比也出现不同程度的上升。传统铜箔为复合铜箔产业奠定坚实基础已具备投资规模及运营资金壁垒。传统铜箔企业解决了复合铜箔产业化的投资规模和运营资金规模要求壁垒。（1）复合铜箔的技术含量高，对生产工艺与设备的要求严格。厂商需具备自行设计、加工生产的关键设备的能力。（2）复合铜箔设备投入规模要求高，较强的规模经济特点，在投资建厂时的关键设备购置、基础建设投入需要具备资金实力。（3）金属铜产品属于大宗商品，资金实力也要求高。技术储备完备。传统锂电企业为复合铜箔产业化解决高技术壁垒。（1）生产技术经验积累为主，需长期的生产实践摸索，如复合添加剂的制备技术、生箔技术、后处理技术等，均难以通过简单复制即掌握。（2）复合铜箔不但要具有耐热性、抗氧化性，而且要求表面无针孔、皱纹，与层压板要有较高的抗剥强度，没有处理微粒迁移等基板污染现象等，属于技术层次较高的铜加工材料。锂电铜箔扩产迅猛，极薄铜箔渗透率快速提升为进一步提升电池能量密度，动力电池企业要求锂电铜箔极薄化，加快对8μm以下铜箔的导入。据高工锂电，2018-2021年，国内6μm铜箔的市场占比已从20.5%提升至66.0%；8μm铜箔从79.5%下降至25.1%；4.5μm极薄铜箔则从0%上升至近10%。目前，锂电铜箔企业都在加快4.5μm极薄铜箔的产业化，头部动力电池企业也在加快4.5μm铜箔的导入，表明下游市场对极薄铜箔的需求持续升温。材料：体现产业化核心驱动——安全性、低成本、轻量化高安全性是复合集流体的主打优势（1）传统集流体产生毛刺会刺穿隔膜导致内短路，复合铜箔毛刺小且熔点低助力提升安全性。由于复合铜箔的中间层为PET/PP基膜等有机层，被刺穿能够有效避免电芯短路，从而可以提升电池安全。电池中电离迁移的锂离子数量超过负极石墨可嵌入的数量，锂离子将在负极表面洁宁，成为锂枝晶。锂枝晶会不可逆的造成锂电池的容量和使用寿命衰减。若锂枝晶继续增大，出现穿透隔膜使正负极短路，电池将出现热失效等安全问题。（2）复合集流体毛刺小且其受热断路效应可有效防止锂枝晶导致的热失效问题，大大提升电池寿命和安全性。复合集流体材料穿刺时因其高基膜高分子不容易断裂，即便断裂，铜层比传统的更薄，穿刺时产生的毛刺更短，1微米的镀铜的强度无法达到刺穿隔膜的标准，从根本上降低了毛刺穿透隔膜并与电极接触的风险。（3）PET等有机层不导电且熔点低。发生局部短路时较易熔断并实现局部电流的点断路，发生大面积短路时PET层和阻燃结构可提供无穷大电阻从而有效避免电池热失控。传统技术在电解液中添加阻燃剂，一般添加的量较少，仅能对内短路起到延缓作用，且以牺牲电池能量密度为代价，过量添加会导致电池电化学性能大幅下降。而复合集流体中间的高分子基材具有阻燃特性，其金属导电层较薄，短路时会如保险丝般熔断，在热失控前快速融化，电池损坏仅局限于刺穿位点形成“点断路”。低成本是产业化的基石在低成本方面，在技术完备条件下，复合铜箔低成本体现在原料成本低、设备投资高但量产后综合成本低，理论降本空间大。大规模量产后有望实现综合成本4.5元每平米以下，相较传统铜箔有望实现降低40%的制造成本，理论上放量后单平原料成本有望降低2元以上。中长期轻量化带来广阔的应用前景复合铜箔1GWh锂电池箔材于传统铜箔减重56%。由于铜密度为8.96g/cm3，高于PET膜材的1.37g/cm3，因此将部分铜换成PET材料，能减少箔材的重量。假设1GWh锂电池负极箔材用量为1200万平米，铜箔厚度为6微米，则需要的铜箔用量为645吨。若将铜箔、铝箔换成复合箔材，其中PET层厚度为4微米，金属层厚度为2微米。1GWh锂电池需要的复合铜箔为281吨，相对传统箔材减重达56%。中长期看，轻量化与强兼容为其带来广阔的应用前景，复合铜箔产业化成为行业共识期待。制造工艺：两步法+PET基膜工艺成熟度较高，推动产业化加速落地复合铜箔有三种生产方案，产业内使用两步法居多复合铜箔工艺路线多元，当前产业内以基膜PET+两步法为主，量产难点在设备和良率。从基膜材料选择看来，PET材料抗拉强度更大、工艺简单，成为主流选择。PP材料电池端性能好更受电池厂青睐，或工艺成熟后成为更优选。从制造工艺看来，分为一步法、两步法和三步法。一步法分为全湿法和全干法，其产品性能优异、良率高，但目前成本高昂，尚处实验室攻关阶段。两步法包括磁控溅射+水电镀环节，成熟度较高。三步法在两步法基础上增加真空蒸镀环节，即磁控溅射+真空蒸镀+水电镀，提升生产效率和均匀性，但损失良率。复合铜箔制造技术仍存多项功能有待提升复合集流体对生产工艺及设备要求极高，需要将有机高分子材料和金属材料之间做到完美复合。传统集流体直接升级为复合集流体不会影响原有电池内部电化学反应，因此复合集流体可运用于各种规格、不同体系的动力电池。PET材料的引入，电池制造需新增工序。复合集流体对生产工艺及设备要求极高，除优化工序外，影响产业化是主要因素还有性能领域与制造工艺领域。性能领域其快充性能有待提升、制造工艺领域其磁控溅射均匀性+水电镀两面夹是影响产业化的主要因素。设备：产业化的基础，设备先行锂电产业链技术加速迭代，设备更新先行锂电产业技术迭代设备更新先行。对于锂离子动力电池而言，能量密度和安全性为其最重要的两个指标。从锂离子动力电池应用于电动汽车以来，实际装车产品的能量密度从100Wh/kg提升到200-300Wh/kg，向高能量密度发展是动力电池的必然趋势。但在现有的材料体系下，能量密度的提升将导致电池的热稳定性变差，造成安全性风险，从而对锂电池的生产技术与加工工艺提出了更高的要求。新工艺、新产品往往需要新的设备来实现，较快的行业工艺更新速度和产品迭代，促使锂电制造设备的更新周期缩短。原本设计使用寿命为5-8年的设备，实际更新周期仅3-5年，进一步推动了锂电制造设备向高效率、高精度、更兼容方向发展。复合铜箔产业化趋势确定。铜箔材料是锂电池负极材料的重要组成部分，约占锂电池总成本的8%。锂电池中铜箔降班、减重趋势显著，为顺应行业发展，PET复合铜箔应运而生，产业化趋势基本确定。复合集流体目前处于0-1的产业化初期，设备持续迭代，目前正逐步实现国产化。初代设备以进口为主，如应用材料、爱发科、德国莱宝等，其技术水平领先，但造价昂贵，约为国产设备的2.5-3.5倍，生产周期长，拿货周期较国产长，后续不易维护。国产设备目前已逐步切入，包括磁控溅射、水电镀以及后续的超声焊已经基本实现国产替代，目前产业内新增产能基本采购国产设备。磁控溅射/真空蒸镀（PVD）设备以进口为主，国产化加速磁控溅射/真空蒸镀设备以进口为主，国产替代加速。目前磁控溅射设备以进口为主，成本较高。磁控溅射是两步法制复合铜箔中的第一步，由于基膜不导电且铜不容易直接沉积，因此需要在基膜上先通过磁控溅射形成纳米级的铜层。海外设备较为先进，海外厂商如爱发科、德国莱宝等占据真空镀膜较大市场份额。国内广东腾胜已大批量供货，汇成真空也在加速追赶中。代加工材料的机械化特性不同。PET/PP膜很薄，不像之前代加工材料半导体和通用五金材料比较硬，二者机械化特性不同。溅射参数不同。原来可以开很高的频率，温度高不会对产品有影响，但PP/PET膜温度高会引起起皱、穿膜等，因此其压力和溅射速率都不能高，需找到合适的生产参数、速度、张力控制，对膜的机械性需要精密控制。目前解决方案有多靶材逐级溅射等，据GGII，已经有厂商使用16、20靶材，相较之下半导体仅用1、2个靶材。在于防止基膜击穿。PET基膜仅有4μm，溅射铜原子仅靠动能穿透嵌进去，基膜很容易被完全打穿，做到嵌入高分子却不打穿，需生产参数、速度、张力控制等极为合适。水电镀以国产双边夹镀膜设备为主，先发优势明显电镀是三种方法都要使用的工艺，归类为物理气相沉积（CVD）。电镀总结来说即借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，使导电体例如金属的表面沉积一金属或合金层。突破超声焊技术才可实现PET铜箔量产超声波焊接技术具有不可替代性。锂电池发展的重点方向包括安全性和续航能力，多功能复合集流体在这两点均能带来提升。以复合铜箔替代传统的铜箔，锂电池在前段工序需多出一道采用超声波高速滚焊技术的极耳转印焊工序，同时中段工序的多层极耳超声波焊接工序依旧保持不变，进一步拓宽超声波技术在锂电行业的应用范围。在锂电池生产工序中，多层极耳的超声波焊接不存在迭代风险，且随着锂电池技术的发展，超声波焊接技术的应用范围还将进一步扩大。超声波焊接是把高频振动的能量聚集到金属件的待焊表面以焊接金属。超声波金属焊接是将焊件置于焊座上，焊头在压力作用下在焊件表面来回高频振动摩擦，焊件界面间氧化物或污染被破坏挤走，从而形成纯净金属之间的接触，在高频超声摩擦的