锂电铜箔作为负极集流体,用于汇集传输电流
电解铜箔为主要产业化方向,可分为标准铜箔和锂电铜箔。根据加工工艺不同,铜箔可分为压延铜箔和电解铜箔。与电解铜箔采用电解原理相比,压延铜箔是将厚铜板多次重复压延,工艺难度较 大、成本较高。因此,从产业化生产的角度而言,电解铜箔具备优势,是制作覆铜板、印制电路板和锂离子电池制造中重要的原材料。 根据应用领域不同,电解铜箔可以分为标准铜箔和锂电铜箔。
锂电铜箔在电池中被用作负极集流体,为锂电池重要组成部分。 锂电池负极集流体在电池中作为电极负极活性物质的载体,用于汇集传输电流,是锂离子电池中电极结构的重要组成部分。铜箔凭借其 导电性较好、质地较软、成本具有优势等特点,成为负极集流体的首选。 假设单GWh锂电池的6μm铜箔用量约为650吨左右,结合2021年9.8万元/吨左右的单价,单GWh锂电池的6μm铜箔价值量接近6400万元。 从成本构成来看,6μm铜箔在锂电池成本中占比约为9%+,仅次于正负极和电解液,是构成锂离子电池的核心材料之一。
多因素叠加,催生新型集流体技术诉求
锂电铜箔要求严苛,轻薄化趋势显著。由于锂电池工作环境严苛,锂电铜箔的性能需满足相关要求。 新能源汽车续航里程焦虑下,提升动力电池能量密度逐渐成为主流趋势。而铜箔的厚薄/重量影响着电池的能量密度,因此,铜箔正朝 着轻薄化的方向发展,以满足锂离子电池的高体积容量要求。 锂电池应用高安全性的诉求,使得铜箔还需具备一定的抗拉强度和抗氧化性,以免影响电池内阻及其容量。
能量密度叠加安全需要,催生新型集流体技术诉求。 随着传统锂电铜箔的厚度持续减薄,铜箔的抗拉强度和抗压变形能力降低,成品率随之降低。而铜箔更薄也会带来工艺和配方要求的提 升,成本随之增大。随着传统锂电铜箔的加工厚度逐渐到达极限,锂电池能量密度的提升受到了制约。 目前作为动力电池材料的6-8μm铜箔在遭遇外力碰撞时,产生的毛刺较大,易产生内短路并引发热失控安全隐患,研制更加安全的新型 集流体材料已成为未来发展的趋势。
结构+工艺创新,复合铜箔具备显著优势
复合铜箔拥有三明治结构,主流核心工艺包含磁控溅射、水电镀。复合铜箔与传统铜箔在构成和制造工艺流程上具有显著差异:
构成方面:传统铜箔基本由纯铜构成。复合铜箔则为“金属导电层-高分子支撑层-金属导电层”的三明治结构;具体而言,中间层可以 采用3-8µm的PET/PP/PI等高分子材料作为基膜,上下两面沉积金属铜层,分别增厚至1μm(或以上)。
工艺方面:电解铜箔是通过电化学沉积原理在阴极辊上生成铜箔,而复合铜箔是通过磁控溅射或真空蒸镀的方式在基膜双面镀制铜层, 进行薄膜表面金属化处理,然后电镀增厚铜层。根据工艺流程的不同,复合铜箔制备包含多种技术路径,包括:①“磁控溅射+水电镀” 的“两步法”②“磁控溅射+蒸镀+水电镀”的“三步法”,其中,蒸镀是指在真空条件下,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。③多种技术路径的“一步法”:“磁控溅射一体机”的“一步法”(道森股份),即利用磁 控溅射一体机一次性完成双面镀1μm铜层的步骤。“蒸镀”的“一步法”,即采用真空蒸发镀膜技术实现一步法制备。“化学镀”的 “一步法”(三孚新科),即利用化学反应沉积铜层。
渗透率提升下,复合铜箔具备高成长空间
复合铜箔未来的成长空间在于下游锂电池需求的增长和自身渗透率的不断提升。我们对复合铜箔渗透率分别进行保守、中性、乐观的预测, 对应2025年渗透率分别为10%、15%、20%。在中性预测下,2025年复合铜箔市场空间有望达到161亿元;而在乐观情形下,2025年复合铜箔 市场空间有望达到214亿元。
复合铜箔产业链全景
复合铜箔的产业链可划分为: 上游,基膜、靶材、辅材以及相关设备厂商(磁控溅射设备、水电镀设备、焊接设备等); 中游,新老企业入局复合铜箔制造,包括重庆金美、宝明科技、中一科技、诺德股份等; 下游,主要应用于锂电池,厂商主要包括动力电池、储能电池和消费电池厂商。
工艺核心:磁控溅射+水电镀,与传统铜箔差异明显
电解铜箔的核心工序为溶铜与生箔。 电解铜箔主要分为四道生产工序:溶铜造液工序、生箔工序、后 处理工序和分切工序。 主要生产流程是将铜材溶解后制成硫酸铜电解液,然后将硫酸铜 电解液通过直流电沉积制成原箔,再对其进行防氧化等处理,最 后经分切、检测后制成成品并包装。 其中,锂电铜箔与标准铜箔的后处理工序存在一定差异,锂电铜 箔的后处理工序包括防氧化处理、烘干、收卷等,标准铜箔的后 处理工序包括酸洗、粗化、固化、水洗、防氧化处理、收卷等。
复合铜箔的核心工序为磁控溅射与水电镀(离子置换)。复合铜箔的主要生产流程包括,首先利用氩离子轰击铜靶材,使 靶材溅射出铜原子或铜离子在基膜上;然后采用无氧铜/磷铜球作 为阳极,以膜面金属层为阴极,进行离子迁移置换。上述步骤间 会穿插分切等工序,主要是切除镀铜不均匀的膜面。 上文提过的三步法会在磁控溅射和水电镀(离子置换)步骤间加 入蒸镀的工序。无论两步法和三步法,均需进行磁控溅射和水电 镀(离子置换)的工序,最后进行后处理和分切。
设备端:国外厂商真空镀膜设备市场领先,国产设备加速替代
国外厂商具备先发优势,占据真空镀膜领先地位。 真空镀膜工艺起源于国外,国外厂商凭借技术积累与设备材料优势,在真空镀膜的设备和技术应用等方面占据领先地位,主要设备供应 商包括美国应用材料、日本爱发科、日本光驰、德国莱宝等。 面对真空镀膜多元的应用市场,国内厂商也在持续追赶。目前,国内厂商在传统的五金、塑胶、钟表卫浴等领域具备低成本、服务便捷 的优势,并已参与消费电子领域的市场份额竞争,在集成电路、高端光学等领域正在持续追赶。 我国的真空镀膜设备供应商主要有宏大真空、振华科技、汇成真空、腾胜科技等。
国内企业切入布局复合铜箔镀膜设备。针对复合铜箔这块新领域,国内设备厂正积极研发开拓。其中,腾胜科技于2021年研发出第二代可镀4.5μm超薄膜的复合铜箔真空镀膜 设备并出口,实现国内首台真空镀膜大型装备出口发达国家。除腾胜科技之外,汇成真空也是国内少数实现复合铜箔量产的设备企业之 一,并且其针对当前行业难点对镀膜技术和设备进行研发,持续推动复合铜箔的产业化进程。
材料端:基膜选择多元并行,产业链布局纵向延伸
基膜要求严苛,材料选择多元并行。 基膜作为重要载体,要求严苛。首先是复合铜箔不穿孔的要求,由于4.5μm基膜材料很薄,在极薄基膜上要进行磁控溅射和水镀两道工序, 并且在全面完成后,2000倍电镜下不能观察到针孔。此外,针对基膜还有持续加工过程不打褶皱、后续应用端不断带等等要求。 复合铜箔可采用的基膜材料包括PI(聚酰亚胺)、PP(聚丙烯)和PET(聚对苯二甲酸乙二酯)。PI耐温性较好,但是成本较高;PP耐强酸 强碱,但是其抗拉强度较低;PET不耐强酸强碱,但其具有良好的耐高温性能和抗拉强度。三种材料中从当前厂商选择上看PET应用相对成 熟。
国产厂商布局基膜,部分厂商向下延伸至复合铜箔制造。 目前,国内部分厂商针对复合铜箔用基膜进行了布局,部分公司也具备相关技术储备。其中,双星新材镀铜用基膜已对外销售;康辉新材目 前已通过下游厂商前期验证,多条产线具备量产能力。 部分膜材料厂商将业务向下延伸至复合铜箔制造。其中,上文提到镀铜用基膜已对外销售的双星新材,其复合铜箔产品目前处于送样阶段, 并预计在12月中旬进行量产评价。根据双星新材今年11月的调研活动信息披露,其复合铜箔磁控溅射端的良率在98%,整体良率达到92%。
制造端:电池箔&标箔厂商具备深厚经验,优势可延伸至复合铜箔领域
锂电铜箔端:锂电应用经验丰富,客户合作基础牢固。 铜箔厂在传统电池箔的技术、成本、规模、供应链以及 客户端具备成熟的经验,在箔材的应用与技术优化、客 户黏性等方面更具优势。目前,嘉元科技、诺德股份、 中一科技等传统铜箔厂公告切入复合铜箔领域,有望实 现供应产品品类的丰富,同时凭借与电池厂长期合作关 系,有望在复合铜箔的技术交流以及导入方面获得助力。
下游应用端布局技术及设备,推动复合集流体进程加速
下游布局集流体应用及焊接设备,推进产业化进程。 根据国家知识产权局专利系统,包括亿纬锂能、国轩高科、蜂巢能源、厦门海辰、天合储能在内的多家动力电池和储能厂商,以及中国 一汽、蔚来等整车厂,均在近三年内布局复合集流体以及配套电池的专利。 此外,由于复合集流体中间高分子薄膜形成的绝缘层使得两侧金属镀层无法导通,传统的焊接方式不再适用。因此多家电池厂商也对复 合集流体的加工焊接等设备装置进行了专利布局。 我们认为,复合铜箔在安全、成本、性能上的优势对电池厂具备明确吸引力,起到一定的需求倒逼作用;同时,下游端对复合集流体在电 池里的应用的清晰和精准的认知以及设备上的准备,有望加速推动复合集流体的产业化进程。
产业化进程持续推进,先送样/量产厂商具备先发优势
产业化0-1前夕,多家企业公布送样/量产规划。 据各公司公告等公开信息,产业链各环节均积极推进复合铜箔的送样、量产规划以及应用,包括设备厂商、膜材料厂商、传统及新进入 的铜箔制造商和下游电池厂商,复合铜箔的产业化进程有望持续推进。 目前,包括宝明科技、胜利精密、中一科技、重庆金美、纳力新材料等多家企业已经公布量产规划,双星新材、万顺新材、诺德股份等 厂商也已经进行送样交流。 我们认为,在复合铜箔大规模量产应用的前夕,持续的技术交流验证和量产规划的积极布局准备,有望为相关企业带来先发优势。
降本推进应用提速,工艺流程的Know-How是核心
复合铜箔核心在于降本,产业链合力推动。 成本是决定复合铜箔应用速度与规模的关键因素,良率、幅宽、速度是影响制造成本的重要指标,从目前水平来看,仍有较大的改进和 提升空间。例如在电镀速度方面,不同应用水平下前期整体范围约为6-10米/分钟;据东威科技12月8日公告介绍,其与胜利精密合作开 发的新型复合铜箔电镀设备,设计生产速度可达20米/分钟,保底15米/分钟,速度提升明显。另外,设备国产化替代也将助推成本下探, 据东威科技公告,若前后道工序的技术配套更加完整,全套使用其设备,技术配套+产品良率提高,未来综合镀膜成本可降至2块多。除PVD和水电镀设备外,工艺水平及对工艺流程的理解应用、基膜品质、焊接设备匹配等均对复合铜箔制造成本和品质造成影响,我们 认为,复合铜箔未来的产业化和降本速度需要全产业链合力推动。
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