『說明:股市有風(fēng)險(xiǎn),瞎買天臺(tái)見,本號(hào)文章是基于自身有限的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),僅作為研究分享、交流參考,不作為投資建議,不對大家的買賣盈虧負(fù)責(zé)。』 今天談?wù)?/span>復(fù)合銅箔,這是鋰電池領(lǐng)域前景不錯(cuò)的一個(gè)細(xì)分賽道,正處于從0到1的快速發(fā)展階段,潛力無窮。 先說說什么是鋰電池集流體? 鋰電池是一種二次電池,主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間的往返嵌入和脫出來工作,實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。 充電時(shí),鋰離子會(huì)在電場的驅(qū)動(dòng)下從正極晶格中脫出,經(jīng)電解質(zhì)后嵌入到負(fù)極晶格中。 電池放電,此時(shí)負(fù)極上的電子通過外部電路進(jìn)入正極,鋰離子Li +從負(fù)極進(jìn)入到電解液里并到達(dá)正極,接受電子還原。 集流體顧名思義就是匯集電流的物體,其作用主要是通過涂覆將粉狀的活性物質(zhì)(正極材料和負(fù)極材料)連接起來,將活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集輸出、將電極電流輸入給活性物質(zhì)。 集流體純度的要求較高并且電導(dǎo)率較好,化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度高,能夠與電極活性物質(zhì)結(jié)合的比較牢固。 為什么正極用鋁,負(fù)極用銅? 傳統(tǒng)集流體中,負(fù)極使用銅箔,正極使用鋁箔。(鋁和銅導(dǎo)電性、延展性好,價(jià)格相對便宜) 銅箔不用于正極:因?yàn)檎龢O電位高,金屬銅容易在高電位下氧化,所以銅不宜作正極集流體。 鋁箔用于正極:而鋁的氧化電位高,且鋁表面生成的致密氧化鋁薄膜可以進(jìn)一步保護(hù)內(nèi)層的鋁。當(dāng)然,鋁箔表面生成的鈍化層并不是電子的良好導(dǎo)體,但該鈍化層很薄,可通過隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子傳導(dǎo)。 鋁箔不用做負(fù)極:鋁在低電位下與鋰會(huì)發(fā)生合金反應(yīng)因而被消耗。金屬鋁的晶格八面體空隙大小與Li大小相近,極易與Li形成金屬間隙化合物,消耗鋰破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 銅箔用作負(fù)極:銅的嵌鋰容量很小,保持了結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的穩(wěn)定,可作為鋰離子電池負(fù)極的集流體。 鋰電銅箔的重要性及種類 根據(jù)中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)及YanoResearch數(shù)據(jù),銅箔材料占鋰電池總成本8%;根據(jù)《車用鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э卣T發(fā)與擴(kuò)展機(jī)理、建模與防控》,銅箔材料質(zhì)量占三元鋰離子動(dòng)力電池總質(zhì)量11%,因此銅箔是影響鋰電池能量密度和成本的關(guān)鍵材料之一。 集流體有極薄化趨勢:可降低成本并減少銅箔的用量,從而提升質(zhì)量能量密度。目前國內(nèi)銅箔主流的厚度為8、6、4.5μm,相比較8μm銅箔,6μm和4.5μm能分別提升能量密度5.11%和8.82%。 負(fù)極銅箔按制備方法可分為電解銅箔,壓延銅箔和復(fù)合銅箔。目前電解銅箔為主流工藝;壓延銅箔主要用于柔性覆銅板、電子電路板等;復(fù)合銅箔能夠提升安全性及電芯能量密度,有望成為未來鋰電負(fù)極集流體的主流材料。 復(fù)合銅箔為“銅-高分子材料-銅”三明治結(jié)構(gòu),以高分子絕緣樹脂PET/PP/PI等材料作為“夾心”層,上下兩面沉積金屬銅。 PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯):化學(xué)性質(zhì)為耐弱酸弱堿,高分子層表面附著力、材料耐高溫性以及材料機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于PP材料; PP(聚丙烯):化學(xué)性質(zhì)為耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿,耐腐蝕性優(yōu)于PET材料;具有很好的光學(xué)性能,透明度好;在高溫下不釋放有毒物質(zhì)。但銅層在高分子層面的附著力較差,且PP熔點(diǎn)較低,濺射工藝中基膜易被擊穿,導(dǎo)致良品率較低; PI(聚酰亞胺):目前性能最好的薄膜絕緣材料,也是耐熱性最好的品種,在機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫性能、耐化學(xué)腐蝕性能均優(yōu)于前二者,但受制于工藝水平與制造生產(chǎn)成本,目前暫未成為主流路線。 目前從三種材料PI、PET、PP選擇來看,PET最優(yōu),也是主流路線。 具備能量密度、成本、安全性三大優(yōu)勢,復(fù)合銅箔發(fā)展前景看好 復(fù)合銅箔三大優(yōu)勢: 首先,相對于傳統(tǒng)銅箔、鋁箔,復(fù)合銅箔、復(fù)合鋁箔能有效提升鋰電池的能量密度提升,并降低成本。 根據(jù)測算,假設(shè)單GWh鋰電池所需正、負(fù)極集流體均為1200萬平方米,單GWh電池需要6μ銅箔、6μPET 銅箔(4μPET+2μ銅)、12μ鋁箔、12μPET鋁箔(10PET+2μ鋁)重量分別為645噸、281噸、389噸、230噸。 相較于傳統(tǒng)銅箔,PET銅箔可以減重約56%,而PET鋁箔可以減重約41%。以6μ銅箔為例,傳統(tǒng)銅箔占電池質(zhì)量約11%,若換成PET銅箔可減重56%,對應(yīng)電池能量密度預(yù)計(jì)可提升5%。 成本方面,不考慮其他成本,僅從原材料角度測算,6μ銅箔、6μPET銅箔、12μ鋁箔、12μPET鋁箔對應(yīng)的原材料成本分別為2.99、1.13、0.60、0.44 元/平方米。PET銅箔原材料成本下降潛力更大。 (相對于復(fù)合鋁箔,復(fù)合銅箔對能量密度提升和成本下降的潛力更大,更能激發(fā)產(chǎn)業(yè)去發(fā)展復(fù)合銅箔,本文也將復(fù)合銅箔作為重點(diǎn)研究對象) 其次,相較于傳統(tǒng)銅箔,PET銅箔具備更高的安全性能。 1)復(fù)合銅箔在受到穿刺時(shí),產(chǎn)生的毛刺較小,降低電池短路風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)銅箔在受到穿刺時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大尺寸的毛寸,毛寸有可能會(huì)刺穿隔膜從而引發(fā)電池內(nèi)短路。而復(fù)合集流體在受到穿刺時(shí),由于基膜為高分子材料層,可有效吸收形變應(yīng)力,使得產(chǎn)生毛寸的尺寸較小,降低電池內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)。 2)復(fù)合集流體高分子材料遇熱會(huì)發(fā)生熔斷,阻止電流流通和升溫。在“點(diǎn)接觸”內(nèi)短路時(shí),導(dǎo)電層在短路點(diǎn)受力開裂剝離或在短路大電流瞬間熔斷,毫秒內(nèi)切斷短路電流回路;在“面接觸”內(nèi)短路時(shí),支撐層在短路面受熱熔融收縮形成集流體結(jié)構(gòu)局部坍塌,在熱失控前切斷短路電流回路。 3)復(fù)合銅箔可減緩鋰枝晶的產(chǎn)生,提升安全性能。充放電過程中如果鋰離子無法及時(shí)嵌入石墨層間,會(huì)在負(fù)極和銅箔表面沉積,形成枝晶,枝晶生長刺穿隔膜是鋰電池較常見的失效模式。復(fù)合銅箔的高分子基膜韌性強(qiáng),在鋰沉積的過程中,可以有效分散銅箔表面應(yīng)力,使得鋰離子在集流體的表面均勻分布,從而抑制鋰枝晶的生長。 復(fù)合銅箔的技術(shù)工藝 傳統(tǒng)電解銅箔的工藝路線:溶銅-生箔-后處理-分切 ,其中,核心在于生箔環(huán)節(jié),核心工藝是電解。 1)溶銅:銅料溶解在硫酸中形成硫酸銅溶液,通過循環(huán)過濾,為生箔供需提供符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的電解液。 2)生箔:在生箔機(jī)電解槽中,硫酸銅電解液在直流電作用下,于陰極輥表面電沉積而制成原箔,經(jīng)陰極輥連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),并將銅箔連續(xù)剝離,收卷形成卷狀銅箔。 3)后處理:對生箔工序制得的銅箔進(jìn)行粗化、固化、灰化、鈍化等表面處理工序,使銅箔表面結(jié)構(gòu)及防氧化性能達(dá)到客戶要求。 4)分切:根據(jù)客戶對銅箔品質(zhì)、幅寬、重量等要求,進(jìn)行分切、分類、檢驗(yàn)和包裝。 復(fù)合集流體工藝的核心邏輯在于使高分子材料表面“金屬化”。 由于高分子材料的結(jié)晶度大、極性小、表面光滑等特性,會(huì)影響鍍層與基材之間的黏合力,且高分子材料大多數(shù)為不導(dǎo)電的絕緣體,因此無法直接進(jìn)行電鍍,需要先對高分子材料進(jìn)行表面處理、活化等,使其表面沉積一層導(dǎo)電的金屬膜。 與傳統(tǒng)電解銅箔相比,復(fù)合銅箔的生產(chǎn)工藝流程縮短,但工藝難度大大提升,核心為磁控濺射+水電鍍工藝。 復(fù)合銅箔生產(chǎn)工藝可分為兩步法(磁控濺射-水電鍍)和三步法(磁控濺射-蒸鍍-水電鍍),其中磁控濺射和水電鍍是核心工藝,具體步驟為:①通過真空磁控濺射鍍膜工藝,在高分子基膜上鍍50nm厚度左右的超薄銅箔;②采用水電鍍的方式加厚銅層,直至銅層達(dá)到1μm左右的厚度。“三步法”與“兩步法”區(qū)別點(diǎn)在于在磁控濺射與水電鍍之間加入了真空蒸鍍環(huán)節(jié)作為過渡,減少后半段電鍍工藝要求。結(jié)合當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研來看,經(jīng)過測試,三步法良率較低,兩步法(磁控濺射-水電鍍)是目前最適合量產(chǎn)的工藝路線。 (1)第一步:磁控濺射。磁控濺射是一種物理氣相沉積技術(shù),通過荷能粒子轟擊固體靶材,使靶材原子濺射出來并沉積到基體表面形成薄膜的鍍膜技術(shù),具體來看: 1.真空磁控濺射活化環(huán)節(jié):采用4.5μ厚度的PET作為基膜,通過PVD(物理氣相沉積)方式,通入純凈的氬氣。電子在真空條件下,在飛躍過程中與氬原子發(fā)生碰撞,電離產(chǎn)生氬正離子和新的電子;受磁控濺射靶材背部磁場的約束,大多數(shù)電子被約束在磁場周圍,氬離子在電場作用下加速飛向陰極靶,并以高能量轟擊銅合金靶表面,使銅靶材發(fā)生濺射,在濺射粒子中,中性的銅靶原子或部分銅離子沉積在基膜上形成薄膜,厚度一般為5-20nm; 2.真空磁控濺射鍍銅環(huán)節(jié):采用前段工藝環(huán)節(jié)過后的物料作為基膜,重復(fù)相同工藝,在基膜上形成銅薄膜,厚度一般為10-40nm; 磁控濺射環(huán)節(jié)的主要工藝難點(diǎn)包括:①基膜較薄,收放卷時(shí)容易起皺變形;②鍍膜過程中溫度升高,需要散熱;③張力控制方面,因?yàn)榛し鶎捿^寬,材料容易拉扯變形;④磁控濺射過程需要高壓放電,可能存在膜穿孔現(xiàn)象。目前,國內(nèi)磁控濺射設(shè)備廠仍缺乏一定技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累,存在箔材穿孔、鍍銅不均、基材起皺變形等問題,且由于磁控和后續(xù)步驟的節(jié)拍限制,目前復(fù)合銅箔的單位設(shè)備效率尚不及傳統(tǒng)箔材,限制了產(chǎn)品放量。 (2)第二步:真空蒸鍍。真空蒸鍍工藝環(huán)節(jié)是“兩步法”與“三步法”技術(shù)路線的主要差異。真空蒸鍍的原理是:在真空條件下,把金屬加熱至蒸發(fā),使其均勻蒸發(fā)鍍在薄膜的表面上。與磁控濺射鍍膜相比,蒸鍍法蒸發(fā)銅的量更大,對銅的沉積效率較高,能夠加快復(fù)合銅箔生產(chǎn)效率,但缺點(diǎn)是蒸鍍法在超高溫環(huán)境下工作,而PET材料耐溫性在180-190度左右,高溫環(huán)境下PET材料易被燙穿形成孔洞,影響成品良率。 (3)第三步:水電鍍。電鍍過程為氧化還原過程,其工作原理為利用電流電解作用將金屬沉積于電鍍件表面,形成金屬涂層?;谇暗拦に囍瞥傻你~基膜,膜面導(dǎo)電性已滿足酸性離子置換條件,此時(shí)將待加工的鍍件接通陰極放入電解質(zhì)溶液(例如硫酸銅)中,將金屬板接通陽極(例如銅球),在外界直流電的作用下,金屬銅以二價(jià)銅離子的形式進(jìn)入鍍液,并不斷遷移到陰極表面發(fā)生還原反應(yīng),在陰極上得到電子還原成金屬銅,逐步在鍍件上形成金屬銅鍍層,最終將金屬化PET膜的銅層厚度增加到1μm,使復(fù)合銅箔整體的厚度在6.5 ~8μm之間。 水電鍍環(huán)節(jié)的主要工藝難點(diǎn)包括:①平整性:目前復(fù)合銅箔材料幅寬一般達(dá)到1200mm以上,幅寬越寬,材料張力控制越難。復(fù)合銅箔基膜需要在電鍍槽液體中持續(xù)穿行幾十米的距離,傳輸過程中若傳動(dòng)輪速不均勻,張力控制不當(dāng),更薄更寬的材料很容易出現(xiàn)膜拉伸變形現(xiàn)象;②易穿孔:更薄的膜會(huì)更容易出現(xiàn)因發(fā)熱熔穿和電擊穿等穿孔現(xiàn)象;③均勻性:復(fù)合銅箔鍍銅均勻性需要至少達(dá)到1μm〒0.1μm;④效率低:復(fù)合銅箔電鍍設(shè)備速度至少需要達(dá)到7m/min以上,距規(guī)?;慨a(chǎn)仍有較大提升空間。 此外,在極耳焊接環(huán)節(jié),復(fù)合銅箔新增一道采用超聲波滾焊的極耳轉(zhuǎn)印焊工序。由于高分子基材層的絕緣性能,復(fù)合集流體的極耳無法將集流體電芯中的電流輸出至電極端子,為解決這一問題,需將極耳箔材(鋁箔或銅箔)的兩端分別與復(fù)合集流體的導(dǎo)電層焊接到一起,從而輸送電芯中的電流。由于復(fù)合集流體極耳和箔材之間焊接難度大、焊接效率低下、易撕裂,傳統(tǒng)的焊接方式無法實(shí)現(xiàn)符合要求的焊接強(qiáng)度,因此,鋰電池在前段工序?qū)⒍喑鲆坏啦捎贸暡ǜ咚贊L焊技術(shù)的極耳轉(zhuǎn)印焊工序。 復(fù)合銅箔市場空間測算 核心假設(shè): 1)新能源車:2025年我國新能源車市場滲透率達(dá)到50%,國內(nèi)車市2025年達(dá)到3000萬輛,2030年達(dá)到3315萬輛左右,新能源滲透率80%,歐洲新能源車和美國等地維持較高速增長; 2)儲(chǔ)能:未來全球和國內(nèi)將維持快速增長,國內(nèi)儲(chǔ)能2025年達(dá)到75GWh,全球達(dá)到280GWh,2030年國內(nèi)儲(chǔ)能達(dá)到150GWh,全球超過563GWh; 3)3C消費(fèi)、兩輪車、電動(dòng)工具:維持5%的常規(guī)增長速度; 4)復(fù)合銅箔滲透率:假設(shè)23-25年滲透率為5%、10%、20%,2030年可達(dá)到70%; 5)復(fù)合銅箔價(jià)格:預(yù)計(jì)22-25年分別為6.5、6、5.5、5元/平,30年達(dá)到4元/平; 6)復(fù)合銅箔單耗:2022年為1200萬平/GWh,此后以20萬平/GWh的幅度每年下降至1100萬平/GWh,此后維持不變; 7)設(shè)備投資:2022年約為0.7億元/GWh,預(yù)計(jì)23-25年呈下降趨勢,分別為0.65、0.6、0.55億元,2030年達(dá)到0.45億元; 8)超聲波焊接設(shè)備:2022年為0.12億元/GWh,預(yù)計(jì)23-25年呈下降趨勢,分別為0.12、0.115、0.11億元,2030年達(dá)到0.085億元; 根據(jù)測算: 1)復(fù)合銅箔:25年復(fù)合銅箔市場空間為172億元,CAGR=194%,30年市場空間1028億元,CAGR=81% 2)復(fù)合銅箔設(shè)備:25年市場空間為98億元,CAGR=158%;30年市場空間355億元,CAGR=65%; 3)超聲焊接設(shè)備:25年市場空間為20億元,CAGR=146%;30年市場空間為66億元,CAGR=59%。 產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展及相關(guān)標(biāo)的 當(dāng)前復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)鏈正處于快速發(fā)展階段,相關(guān)企業(yè)進(jìn)展整體較快。 設(shè)備商方面,東威科技于2022年8-9月連續(xù)簽署3份共計(jì)17億元訂單;廣東騰勝科技目前主要提供真空鍍膜設(shè)備,供貨重慶金美,日本TDK;匯成真空、振華科技、合肥東昇等均為國內(nèi)真空鍍膜設(shè)備領(lǐng)先企業(yè)。 PET基材企業(yè)方面,雙星新材在自制4.5um基材基礎(chǔ)上完成了各項(xiàng)工藝,目前已為客戶送樣; PET銅箔制造商方面,重慶金美最早布局復(fù)合銅箔,目前一期總投資15億元年產(chǎn)能3.5億平,二期、三期規(guī)劃2025年形成產(chǎn)值100億元;廈門海辰一期投資10.5億建設(shè)年產(chǎn)2.1億平復(fù)合銅箔及0.73億平復(fù)合鋁箔產(chǎn)線;寶明科技目前已投資60億元建設(shè)贛州復(fù)合銅箔基地,一期11.5億,二期48.5億,其中一期達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)年產(chǎn)1.5億-1.8億。萬順新材已開發(fā)出銅模樣品并為下游客戶送樣。嘉元科技、中一科技、諾德股份亦開展復(fù)合銅箔布局。 納力新能源一期投資6.5億元,預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能2.2億平,二期投資112億,全部達(dá)產(chǎn)后可實(shí)現(xiàn)售價(jià)200億元。此外,英聯(lián)股份、勝利精密、方邦股份、阿石創(chuàng)陸續(xù)布局復(fù)合銅箔制造。 在其他輔材方面,光華科技為國內(nèi)少數(shù)提供電鍍液的企業(yè),目前正在加快推進(jìn)PET鍍銅專用化學(xué)品的應(yīng)用與整套化學(xué)品解決方案推廣。 此外,下游應(yīng)用方面,電池廠商如寧德時(shí)代、廈門海辰等均在積極推進(jìn)復(fù)合銅箔的應(yīng)用。如寧德時(shí)代在 2019年7月申請發(fā)明專利《負(fù)極集流體、負(fù)極極片及電化學(xué)裝置》,明確提到復(fù)合集流體在降低重量提升能量密度方面具有重要作用。整體而言,設(shè)備廠商、材料廠商等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)加速推進(jìn),復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速。 復(fù)合銅箔產(chǎn)業(yè)基本情況就說這么多,接下去會(huì)從產(chǎn)業(yè)鏈中選擇2-3家公司做進(jìn)一步研究,敬請期待。 |
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