复合集流体工艺与成本分析

最佳答案 匿名用户编辑于2024/01/04 16:33

镀膜新工艺,短期成本仍高。

1.工艺:区别传统箔类制造,采用镀膜新工艺

传统铜箔制备采用电解法,传统铝箔采用压延工艺。传统锂电铜箔制造的原材 料是电解铜和硫酸,工序包括“溶铜-生箔-后处理-分切”四大步骤。原理来看,锂 电铜箔的生成实质是铜离子在阴极辊表面的电沉积结晶结果,因此阴极辊为锂电铜 箔生产的心脏,其质量直接决定铜箔的品质和厚度。传统锂电铝箔采用压延工艺制 备,制造原材料是铝锭,具体工艺流程是先将铝锭熔化、细化和过滤做提纯预处 理,再进行铸轧、冷轧、退火、粗轧、精轧等压延加工工序,最后分切、氧化、涂 层出货。

区别于传统箔类制造,复合集流体采用镀膜新工艺。由于高分子材料大多为不 导电的绝缘体,无法直接进行电镀,需要先对高分子材料进行预处理使其表面沉积 一层导电的金属膜。因此,复合集流体的制备核心在于如何在高分子材料基膜上镀 一层兼具均匀性和致密性要求的金属铜薄膜。“卡脖子”难点从传统铜箔的进口阴 极辊设备供给限制转换成膜加工技术工艺壁垒,有别于传统箔类的技术底层逻辑。 复合铝箔 MA:一步法蒸镀铝现为成熟工艺。据东威科技投资者交流表,目前 尚未有适用于铝电镀的电镀液,因此铝箔多为蒸镀。据金美新材料环评报告,其复 合铝箔生产采用一步法蒸镀铝,相较于复合铜箔工艺,复合铝箔去掉电镀增厚工艺 完全采用蒸镀工艺,蒸镀次数增多,高温下对基膜稳定性要求更高。

复合铜箔 MC:目前行业内可供选择的技术路线有三类:一步法、两步法以及 三步法。据高工锂电,三步法是在磁控溅射步骤后加上蒸镀工艺作为过渡,减少后 半段电镀难度。三孚新科在 2022 年 11 月 4 日投资者关系活动记录表中披露,其 采用一步法新型复合铜箔镀铜工艺,具体步骤为先使用专用化学品做清洁、粗化以 提高表面粗糙度,再基于化学反应原理直接沉积铜层。

复合集流体产业化下催化的新工艺环节:磁控溅射镀膜、蒸镀、水电镀膜。 镀膜工艺按照反应性质可分为物理气相沉积法和化学气相沉积法。采用物理方 法的技术叫物理气相沉积(Physical Vapor Deposition),简称 PVD,采用化学反 应的技术叫化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition),简称 CVD。蒸发镀膜和 磁控镀膜属于物理气相沉积,水电镀属于化学气相沉积。 磁控溅射镀膜:电子在电场的作用下与氩气碰撞后,高能量的氩原子电离后撞 击靶材表面,使得靶材发生溅射,溅射粒子在基片上沉积形成薄膜。 蒸发镀膜:在真空条件下,采用一定的加热蒸发方式使得镀膜材料气化,粒子 在基材表面沉积凝聚为膜的工艺方式。 水电镀膜:在含金属盐溶液的镀液中加入化学还原剂,将镀液中的金属离子还 原后沉积在被加工零件表面的一种加工方法 。

磁控溅射结合力好,但效率低导致镀膜成本高。磁控溅射镀膜的优势在于稳定 性好、均匀度好、膜层致密、结合力好,但磁控溅射对金属材料纯度要求较高,加 工过程需要高纯氩气等特种气体,单位面积加工成本高于电镀。另外,磁控溅射单 次镀膜厚度为纳米级,若要达到微米级铜厚则需要多次溅射,效率低于电镀工艺。 蒸镀效率高,但蒸发温度高对材料要求高。铜的熔点、沸点分别为 1083℃、 2562℃,铝的熔点、沸点分别为 660℃、2327℃,可见铜和铝所需的蒸镀温度都 较高,对基材熔点要求高,若基材熔点低在高温下易出现孔洞现象。

水电镀速度快,生产效率高,但加工材料受限。相较于高能量氩原子撞击靶材 溅射金属层的磁控溅射镀膜法和高温真空蒸发沉积金属的蒸镀法,水电镀在镀液中 进行离子置换的化学反应还原沉积的镀膜方式效率更高,因化学反应机理决定,需 要加工原材料具备导电性,因此高分子基膜水电镀前需要先采用磁控溅射或蒸镀。

PP 和 PET 现为两种主流基膜材料,二者性能各有缺陷。市场上通用的高分子 材料选择有三类:PI、PP 和 PET。PI 是目前综合性能最好的薄膜类绝缘材料,具 有优良的力学性能、电性能、化学稳定性以及很高的抗辐射性能、耐高温和耐低温 性能,但单价较高,在电池各环节降本增效大背景下,目前产业链选取倾向较小。 PP 耐强酸强碱,但抗拉强度较低,高涂布速度下易断裂导致生产良率低,且 PP 是非极性分子,熔点低、粘结力较差,长卷加工过程中易产生孔洞、和金属层贴合 能力较差;PET 抗拉强度较高,但不耐强酸强碱,电解液高温下易被腐蚀,导致电 池循环性能减弱。

PET 复合集流体产业化中存在的问题: (1)应用在负极侧的电解液兼容问题:目前商业化的锂电池中的电解液绝大 部分是以 LiPF6 为电解质的有机溶液。LiPF6 最大的缺点是热稳定性差和对湿度的 高敏感性。在电解液配置及电池组装过程中不可避免会存在微量的水分,会促使负 极侧 LiPF6 分解,产生 POF3、HF 等强酸物质,负极侧产生的强酸会腐蚀 PET, 导致 PET 结构被破坏从而削弱电池高温循环性能。

PP 复合集流体产业化存在的问题: (1)铜层附着力差。PP 是非极性分子,表面附着力较弱,在产业化应用中该 性能缺陷也得到验证,据宝明科技投资者交流活动记录表披露,PP 遇到的问题中 存在 PP 和铜层的附着力不佳,需要着力解决。据双星新材投资者交流活动记录表 披露,PP 基膜因与铜结合力较差,试验中 PP 基膜在溅射完成后铜层易被擦去。 综合来看,我们认为 PET 复合铝箔和 PP 复合铜箔路线产业化选择的可能性 更高。PET 复合铝箔:重庆金美 2022 年 11 月宣布已实现 8 微米复合铝箔,主供 全球动力电池龙头,本次量产的 8 微米复合铝箔是新一代多功能复合铝导电膜产 品。

2018 年,其第一代铝复合集流体已随着客户高镍三元项目在欧洲某车型上量 产应用。PP 复合铜箔:PET 铜箔的循环性能差问题需要电芯厂调整电解液配方解 决,技术难度高,且该解决方案同时需要电芯厂对现有产线做调整,未规模化前对 成本影响大。PP 铜箔需要材料厂做技术,我国聚丙烯薄膜公司如东材科技、泉州 嘉德利、铜峰电子、南洋科技等均拥有多年镀膜生产和管理经验,PP 膜产品厚度 范围覆盖 2 微米到 15 微米,多年雄厚的镀膜技术积累,对基膜本身的特性认知和 加工工艺将助于 PP 膜在集流体的产业化应用。

2.成本:产业化初期较高,降本看良率+规模

绝缘材料替代金属,理论成本低,产业化初期受限于工艺和规模,成本较高。 现阶段复合铜箔成本较传统铜箔仍不具竞争力。根据金美环评报告,我们测算在磁 控溅射和水电镀两个环节良率 80%、采用日本东丽进口 PET 基膜的前提下,6.5 微米复合铜箔成本约为 4.92 元/平。据 Mysteel 官网,传统 6 微米锂电铜箔的生产 成本约为 4.32 元/平方米,复合铜箔现成本尚高于传统铜箔成本。

复合铜箔降本路径:基膜国产化、提生产线良率、设备效率。据阿里巴巴平台 价格,日本东丽 PET 基膜价格约为 0.6-0.8 元/平,据宝明科技投资者交流记录 表,国产 PET 基膜价格约为 2-3 万元/吨,折合约为 0.2-0.3 元/平,但质量和进口 仍有差距;由于复合集流体属于拉膜新材料业务,目前尚处于产业化初期,在材料 良率上仍有较大提升空间;磁控溅射和水电镀设备的设备效率由生产线速度衡量,线速度越大,单位时间内的镀铜产品越多,可减少设备折旧和人工费用。我们测 算,在磁控溅射和水电镀铜良率 90%、国产化优质 PET 基膜价格 0.25 元/平、设 备效率提升 60%的中性假设下,复合 PET 铜箔成本可降至 3.76 元/平,较传统铜 箔成本降幅可达约 10%。