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欧博开户网址:正走向国内锂电产业链舞台中央,新一代锂电技术复合集流体有何魅力?

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动力电池安全性问题是终端车主最关切的问题,也是困扰国内外企业的世界性难题。从上游电解液、隔膜、电极材料等材料端创新,到下游pack段的结构创新,产业链从未放弃过解决电池安全问题的努力,但也一直面临安全性与能量密度之间此高彼低的“跷跷板”困境。而现在,新一代锂电集流体技术——复合集流体,正缓缓走向国内锂电产业链舞台中央。


一、什么是复合集流体?


全方位均有增强效应的复合集流体,已经是较为确定的主流技术路径。


集流体是汇集正负极电流的结构部件,其有两大功能,其一是承载性,自身承载正负极活性物质;其二是传导性,在充放电过程中,将正负极电流输入给活性物质,也将活性物质产生的电流汇集输出。


当前锂电池分别使用铜箔和铝箔作为负极和正极的集流体。铝箔厚度通常为10um,更低可达到8um;铜箔厚度通常为6um,更低可达到4.5um;质量占比方面铜箔约占9%,铝箔约占7%。


不过,由于铜箔需要保持一定机械强度,因此集流体不可能无限减薄。而且过薄的集流体,在电池循环过程中易发生集流体的变形断裂,从而导致安全问题,超薄铜箔的加工费也十分昂贵,导致整体成本不降反增。


此背景下,复合集流体成为该领域突破的新技术路径。

二、复合集流体有何优势?


复合集流体区别于传统金属集流体地,而是增加了其他成分的复合箔材,目前具备应用前景的是“金属-高分子材料-金属”三明治结构的复合集流体,中间层可选择PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PP(聚丙烯)、PI(聚酰亚胺)等高分子材料。目前复合集流体中采用的高分子层厚度一般约4um,上下两层铜层厚度各1um,合计约6um。


复合箔是少有可同时提升安全性和能量密度的技术路径,同时在工艺成熟和规模提升的趋势下成本端优化带来性价比提升,有望成为“全能下一代产品”。


首先在安全性方面,由于高分子材料代替大部分厚度的金属层,仅采用两面约1微米的金属层导电,电池针刺时无毛刺产生,同时高分子层起到“断路效应”防止电池热失控,也避免传统金属集流体老化脆断及产生毛刺的风险,安全性能显著提升。


其次在能量密度方面,以复合铜箔材料考量的话,假设6μm铜箔替换成1μm铜箔+4.5μmPET支撑层+1μm铜箔三明治结构PET铜箔(NCM523),其用量为0.35kg/kwh,较铜箔减重约50%;基于此,测算质量能量密度200wh/kg的电池包能量密度将提升至215wh/kg,质量能量密度提升约7%,效果十分显著。


而在成本方面,机构测算复合箔理论成本约3.6元/平,在良率80%水平下,完全成本约4.5元/平,折合单Gwh成本约0.45元,已和传统铜箔的单Gwh成本处于相当水平;随着产线设备迭代效率升级和良率提升,复合箔成本下降空间还比较大。


最后在使用寿命方面,在锂电池负极中,通常会因为表面凹凸不平,导致凸起处的电子电荷分布变多,导致更多的锂离子被吸引而发生沉积形成锂枝晶。锂枝晶会不可逆地造成锂电池的容量和循环寿命,同时锂枝晶增大会刺穿隔膜导致短路引发热失控等安全性问题。


复合集流体相较于纯金属层延展性更好,将产生褶皱缓解锂枝晶生长带来的局部应力,使锂离子沉积更加均匀,减少锂枝晶问题出现。复合铜箔在循环后容量保持,较纯铜箔更好,因此复合集流体总体表现的循环寿命更优。

三、复合集流体可否量产化?

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复合集流体的量产化难点在于设备、工艺,工艺目前可分为两步法(磁控溅射—水电镀)和三步法(磁控溅射—蒸镀—水电镀)。


真空磁控溅射工艺对设备要求较高,是影响产品良率和性能的关键。且磁控溅射沉积铜的效率相对于真空蒸镀和水电镀较低,是影响产线线速度的主要环节。


真空蒸镀是三步法制备复合铜箔的关键步骤。真空蒸镀是指在真空条件下,通过一定的方式将金属铜(蒸发源)加热至蒸发,蒸汽运动到基材表面沉积形成铜层的过程。三步法相较于两步法增加了真空蒸镀的工艺,能够有效提高铜层的均匀性。真空蒸镀蒸发铜的量大于磁控溅射,所以此步骤可用于磁控溅射之后,对基材铜层进行加厚,从而减少水电镀用时,在一定程度上提高产线速度。


水电镀工艺负责加厚铜沉积层,工艺技术相对成熟。水电镀又称离子置换反应,是通过外加电源,溶液中的铜离子在基膜侧得到电子还原为铜原子,沉积在基膜表面加厚铜层,而铜源表面的铜失去电子形成游离铜离子不断补充溶液中的铜离子。 根据重庆金美环评报告,水电镀工艺分为两各环节:碱性水电镀和酸性水电镀。碱性水电镀得到的镀铜层与基膜的结合力强,形成的铜层晶粒致密被称为“高密度铜层”,而酸性水电镀阴极电流效率高,镀层光亮平整。


四、巨大主流浪潮中,一众企业或将持续受益


首先,国内复合集流体产业链上游有磁控溅射设备、水电镀设备、真空镀设备、PET基材等企业。


磁控溅射和真空镀设备领域中,腾胜科技研制出了国内首台量产型复合铜箔的真空镀膜设备,在复合铜箔、复合铝箔材料工艺及装备上积累不少技术经验,设备已经供应国内外等头部企业。


此外,汇成真空主要产品有连续式磁控溅射镀膜生产线、超高真空系统等真空设备,是国家第三批“专精特新”小巨人企业;振华科技为大型真空设备制造商,主要提供连续式镀膜生产线、磁控溅射镀膜设备、阴极电弧离子镀膜设备等;东升机电则提供提供产品包括卷绕式真空镀膜机、分切机、复卷机和双向拉伸薄膜生产线等相关设备。

水电镀设备方面,东威科技可量产复合铜箔工艺中电镀增厚设备(水电镀设备),同时也重点研发磁控溅射设备。


基材领域中,主要从事光学膜、复合膜开发生产的双星新材,2020年立项布局PET铜箔,目前在自制4.5um基材基础上,完成了原料、磁控溅射、水镀工艺,已为客户送样认证,同时开发3.5um及以下基材。


在中游环节,则是一众复合铜箔制造商。


其中金美新材、厦门海辰锂电、宝明科技、双星新材、方邦股份等公司借助自身技术优势,相继布局复合材料,涉及复合铜/铝膜、复合铜箔、功能性聚酯(PET)薄膜等复合集流体项目,金美新材、海辰锂电的产品研发和产能规划节奏相对领先。


同时,道森股份、万顺新材、嘉元科技、诺德股份等传统铜箔公司,也普遍认同PET复合铜箔的应用优势与发展前景,目前多数企业技术研发尚处于实验验证阶段,机构预计明年开始将会有公司逐步推进。


当前整个复合集流体产业链参与者众多,其中头部优势明确,随着下游需求持续放量,上、中游等企业将有更大的发展空间。


来源:全景网,未来智库

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