集流体是正负极与外部电路的电子导体,作用在于将正负极活性物质产生的电流聚集输出或者将电极电流输入给活性物质,正极采用氧化电位高的铝材,负极采用不易与锂元素形成合金的铜材。高电导率、高稳定性、结合性强、 成本低廉及柔韧轻薄是核心。

1. 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。据高工锂电统计,2018-2021 年,在国内锂电铜箔市场产品结构中,6μm铜箔的市场占比已经从20.5%提升至66.0%; 8μm 铜箔从 79.5%下降至 25.1%;4.5μm 极薄铜箔则从零上升至接近 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。

复合铜箔在产业化路径上优劣势介绍

从厚度看,目前主流需求为 6μm 与 4.5μm 锂电铜箔。复合集流体为“金属-PET/PP 高分子材料-金属”三明治结构,以高分子绝缘树脂 PET/PP 等材料作为“夹心”层,上下两面沉积金属铝或金属铜。

①4.5μm+2*1μm 铜=6.5μm→对标 6μm 锂电铜箔

②2.5μm+2*1μm 铜=4.5μm→对标 4.5μm 锂电铜箔

复合集流体目前处于 0-1 的产业化初期,预计未来将产业化放量。国产锂电铜箔在抗拉强度、延伸率、表面粗糙等性能优势都不弱于海外品牌,在极薄化和成本控制方面具备明显的竞争优势,这为国产铜箔进入国际市场提供了保障。

2. 复合铜箔产业化在即,核心驱动为安全性、低成本、轻量化

复合集流体是高端定制化动力电池的最佳解决方案之一。高安全性是复合集流体的主打优势,产业在安全性方面的密切关注也是基于其有望解决高镍电池热失控难题;高比能与长寿命是其实现产业化的必备条件,低成本是其产业化的基石;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。

2.1. 安全性

(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”。

2.2. 低成本

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。

(1)原料成本低。复合铜箔由于减少了铜的使用,相较传统 6μm 铜箔, 原材料成本可降低40%以上。若以后基膜可国产替代,成本降幅可达50%。 复合铜箔的技术路线主要有 PET 和 PP 基材两大类:

①PP∶原料便宜,耐强酸强碱,不耐低温(30 度以下脆化),不适合很多环境,铜附着力差,抗拉强度弱(影响后边涂附等工序);

②PET∶原料比 PP 贵,耐弱酸弱碱(电解液为弱酸性),铜附着力强。

(2)PET 铜箔规模化成本显著低于传统铜箔。复合铜箔制备工艺更复杂,设备投入、制造费用更高,产业化初期良率低,当前复合铜箔综合成本高于传统铜箔。但若考虑大规模量产化后良率、效率的提升,理论上复合铜箔成本有望比传统铜箔降低 30%以上。以 6μm 铜箔为例,其单位材料成本为 3.39 元/平方米;6μm PET 铜箔的铜箔厚度为 2μm, 单位总成本为 1.27 元/平方米,理论上规模化后单位成本更低。

复合铜箔设备投资高,比传统铜箔高约 1 倍多,但综合成本可低 40%。 据嘉元科技与中一科技公告,扩产 1 万吨传统铜箔的投资额约为 6 亿元。 以铜箔厚度为 6 微米为例,则 1 万吨铜箔面积为 1.86 亿平米,传统铜箔单平米投资额约为 3.2 元。据宝明科技公告,PET 铜箔单平米投资额约为 7.7 元。传统铜箔与复合铜箔的成本结构中,主要成本项目为原材料 费用和折旧费用,括人工费用等其他成本项目一般占比较低,暂且忽略。 据测算结果综合成本可低 40%。即使复合铜箔的折旧成本再上升 50%, 原材料成本上升 10%-20%,复合铜箔的综合成本还是明显占优。

2.3. 轻量化

在轻量化方面,复合铜箔有望实现超 50%的质量减轻。复合铜箔中铜厚度相比 6μm 铜箔减少 66.67%。金属用量的节省部分用 PET 等材料进行替代后,保障安全性的同时重量更轻,产品综合性能更优。复合集流体中间层采用轻量化高分子材料,重量比纯金属集流体降低 50%-80%。随着重量占比降低、电池内活性物质占比增加,能量密度可提升 5%-10%。

复合铜箔 1GWh 锂电池箔材于传统铜箔减重 56%。由于铜密度为 8.96 g/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,则 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。

3. 复合铜箔仍存多项技术与功能有待提升

(1)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。

(2)复合铜箔快充性能有待提升。 以 6 微米的复合铜箔为例,箔材两侧的金属层厚度只有 1 微米,复合箔材的过流能力有限。在低倍率充放电时候,采用传统铜箔或 PET 铜箔, 电芯的充放电曲线没有明显的差异。然而, 2C、4C 等高倍率充放电时,因其金属层更薄,复合铜箔的快充性能表现有可能低于传统箔材。因此, 除了纯电动 4C 应用场景,复合铜箔有望在储能、换电、中低端车等市场,更有竞争力。

复合铜箔

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