塑料复合铜箔专题研究:复合集流体工艺与材料推动新技术发展

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时间:2022-09-17 06:32:00 作者:ob体育app下载 来源:欧宝买球

  复合集流体是以 PET 等原料膜作为基膜经过真空镀膜等工艺,将其双面堆积上铜/铝 分子的复合材料。与传统集流体相比,复合集流体采用“金属-高分子材料-金属”三层复 合结构,通过真空蒸镀、磁控溅射等方式在高分子 PET/PP 膜表面形成纳米级金属,再通 过水电镀将金属层沉积增厚到 1μm 以上。轻薄化趋势下,PET 复合铜/铝箔都能做到小于 8μm 厚度的集流体,对动力电池的轻量化起到重要作用。

  复合集流体具备高安全性、高能量密度、低成本等优势。1)中间层采用高分子绝缘 材料,高分子不容易断裂且具备较强的抗穿刺性,能够有效规避电池内短路情况及其导致 的发热失控与电池自燃,同时由于阻燃配方的加入,复合集流体兼具阻燃功能,能大幅提 高电池的安全性;2)PET/PP 聚酯材料质量较轻,由于材料密度差异,6.5 微米的 PET 复合铜箔对比 4.5 微米纯铜箔减重效果显著,对提高电池能量密度效果明显;3)聚酯材料 生产工艺成熟,单位成本低于铜/铝金属,规模化量产后将具备成本优势。 以铜箔为例,1GWh 电池使用 650 吨 6μm 普通铜箔,铜的密度为 8900kg/m3,对应 面积约为 1200 万平方米;如果使用 470 吨 4.5μm 的铜箔,对应的面积为 1174 万平方米。 如果使用 1200 万平方米 6μm 复合铜箔(4μm pet 基膜+2μm 铜层),物料成本为 3900 万 /GWh 和 2482 万元/GWh。

  复合集流体存在的问题包括生产效率低、影响电池输出功率。由于磁控溅射和蒸镀技 术复杂,复合金属箔的生产效率和良品率不及传统箔材,例如磁控溅镀存在靶材利用率低 的问题,导致薄膜的均匀性受到影响;此外需要增加转接焊等新工序,增加了电池的制造 成本。复合箔的 PET 和金属存在较大的接触电阻,同时由于阻燃剂等介质的引入,电池的 电阻会有所增加,电池功率会小幅下降。

  行业现状:国内企业相继布局,全产业链协同发展。随着生产工艺的完善,国内多家 企业开始涉足复合集流体领域,设备、基膜材料、制造环节均有良好发展势头。

  (1)产品端,新材料厂商延伸复合集流体业务,传统铜箔企业跟随。重庆金美集流 体产品 MA 和 MC 已进入量产阶段;宝明科技拟在赣州经济技术开发区投资建设锂电池复 合铜箔生产基地,计划总投资 60 亿元;万顺新材 2021 年研发出 PET 铜箔样品已送下游 电池企业验证,正处于优化生产工艺阶段;传统铜箔企业中,诺德股份 PET 铜箔产品完成 研发步骤,目前在下游客户下批量试用阶段。

  (2)设备端,复合集流体设备包括磁控溅射设备与 PET 电镀设备,国内厂商在电镀 设备领域发展迅速。东威科技凭借电镀设备领域的技术优势,攻克了镀膜材料超薄、超轻、 不变形、无穿孔的高技术指标要求,形成了自主研发的专有技术,已实现两代 PET 镀膜设 备量产,是目前国内唯一一家可以实现 PET 镀铜设备量产的企业。在引进真空镀技术后, 东威科技开启研发,并有望制造出磁控溅射设备。

  (3)材料端,光学级基膜技术壁垒高,对日韩厂商依赖度较高(东丽、三菱、SKC 等),双星新材作为全球 BOPET 龙头厂商,应用于复合集流体的 PET 基膜已实现批量化 供货,成本较国外厂商优势明显,有望实现对国外产能的替代;同时,公司在 4.5 微米基 材的基础上,逐渐形成 PET 铜箔一体化生产能力,具备较强的成本优势;目前,终端产品已送检多家厂商,处于测试验证阶段。

  传统铝箔和铜箔主要是由辊压或电解工艺生产得到,而复合铝/铜箔是在厚度 2μm 的 塑料薄膜表面采用磁控溅射和真空蒸镀的方式,制作一层 50-80nm 的金属层,然后通过 水电镀的方式,将金属层加厚到 1μm,制作总厚度在 6-8μm 左右的复合金属箔,用以代 替 4-13μm 的传统集流体。

  传统铝箔工艺为压延工艺。辊压是材料通过多道次不同形状轧辊进行横向弯曲,最终 形成特定截面形状的工艺,主要生产工序为将熔炼的铝锭经多次轧制及热处理制成制定的 厚度,在精轧后对铝箔进行表面处理,最后分切成锂电厂家需要的尺寸。其中对于铝箔的 延伸率是通过轧制压力和热处理工艺实现。

  复合铝箔的制备工艺相比传统铝箔工艺难度更大。其主要生产工序具体为一次蒸镀、 二次蒸镀、分切等。以重庆金美为例,复合铝箔产品在 PET 基膜的两面都沉积上铝,铝 层厚度约为 0.8-1.5μm,导电性可≤40mΩ,使薄膜两面都具有导电性,其制作工艺均为 真空蒸发镀膜。

  第一步:真空反应镀膜。在原材料原膜上使用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)的方法沉积 5-15nm 的铝的氧化层,作为膜面的活化物质,线Pa,使用蒸发舟作为铝的蒸发载体向高温的蒸发舟上送入铝丝,加热方式为 电加热,利用热传导的方式在 950-1000℃的条件下,使固态铝转变为气态铝,铝蒸汽沿 垂直热场方向向基体表面扩散,在铝蒸汽扩散的通道上同时通入氧气,使氧气与铝分子发 生反应生成金属化合物,并沉积在基体表面,形成致密性好、抗蚀辅助层。

  第二步:真空镀膜。使用镀膜氧化铝的物料作为基膜,使用物理气相沉积方式(Physical Vapor Deposition), 线Pa,使用蒸发舟作为铝的蒸发载体向 高温的蒸发舟上送入铝丝,加热方式为电加热,利用热传导的方式在 950-1000℃的条件 下,使固态铝转变为气态铝,气态铝原子的平均自由程大于蒸发源和基体(AL 后物料)之 间的距离,而后沉积到基体表面,形成具备特殊性能的金属铝薄膜,厚度一般为 800-1000nm,膜面导电性可达到 40-30mΩ。整个镀敷过程在真空室内进行,且膜面背面 紧贴通入-20℃至-30℃冷却液的钢棍,使膜在受热的同时可以进行急速降温,使分子迅速凝结在膜面,通过控制冷却液钢棍的温度保证膜面温度可始终保持在膜热熔温度以下,不 会使膜发生形变。

  对比传统铝箔与 PET 铝箔的生产工艺,可以看出,PET 铝箔生产工艺技术难度高, 需要更加严苛的生产环境,虽然带来了成本的上升,但工序减少,提高了铝箔的工艺性能, 且无污染废渣,原料使用率高。

  传统铜箔的制造生产工艺可分为电解和压延两种方式,目前主流为电解法,其设备简 单,成本更低。电解法主要生产工序为溶铜、生箔、后处理、分切。溶铜工序是用硫酸、 去离子水将铜料制成硫酸铜溶液,为生箔工序提供符合工艺标准的电解液。生箔工序就是 在生箔机电解槽中,硫酸铜电解液在直流电的作用下,铜离子沉积而制成原箔,经过后续 工序剥离、收卷而形成卷状原箔。

  复合铜箔的生产工艺与复合铝箔类似。但主要使用的是物理气相沉积方法(PVD)在 4.5μm 厚度的 PET 表面溅射一层几十纳米的金属,第二步再采用离子置换/水电镀的方法增厚表面的金属层,形成的铜厚度约 900nm。之后铜箔再经历水洗、防氧化处理、烘干、 分切即可打包出货。

  一种重要的 PVD 方法是真空磁控溅射活化。通过纯净的氩气,电子在真空条件下, 在飞跃过程中与氩原子发生碰撞,使其电离时产生出氩正离子和新的电子;受磁控溅射靶 材背部磁场的约束,大多数电子被约束在磁场周围,氩离子在电场作用下加速飞向阴极靶, 并以高能量袭击铜合金靶表面,使靶材发生溅射,在溅射粒子中,中性的靶原子或部分离 子沉积在基膜上形成薄膜,厚度一般为 5-20nm。

  酸性离子置换一般将临铜球放置于钛蓝制作的阳极袋中,然后整个阳极袋都浸入酸性 药剂中,膜面作为阴极,以膜面金属层为阴极,膜面在穿过药剂槽液下辊之间穿行,膜面 浸入在药剂中,发生反应,进行离子迁移置换,在膜面上得到电子后,在膜面上形成铜层, 膜面上形成得铜堆积层厚度为 900nm。

  综上,可以将 PET 铜箔与传统铜箔的生产工艺进行对比,PET 铜箔相比传统铜箔实 际工艺更加简单,污染也更少,因此逐步实现替代。

  溅射是指荷能粒子轰击固体表面(靶),使固体原子或分子从表面射出的现象。利用溅 射现象沉积薄膜的技术即溅射镀膜,具体为先让惰性气体(通常为氩气)产生辉光放电现 象而产生带电的离子;带电离子经电场加速后撞击靶材表面,使靶材原子被轰击而飞出, 同时产生二次电子,再撞击气体原子从而形成更多的带电离子;靶材原子携带着足够的动 能到达被镀物(基材)的表面进行沉积。

  磁控溅射的难点之一是靶材利用率低。靶材的利用率较一般在 30%以下,靶材是磁控 溅射中基本耗材,消耗量大,且靶材的利用率高低对整个工艺过程、效果以及工艺周期都 有相当大的影响;另一个难点是镀膜的均匀性较低。镀膜机均匀性的好坏直接影响到了光 学薄膜的品质高低,精密的均匀性能够提高镀膜良性,目前对镀膜机均匀性的精度要求 0.1% 甚至更高,但目前市场上主流的镀膜机的均匀性只能达到 1%。 磁控溅射工艺在表面处理中已有较多的应用。例如,采用磁控溅射工艺生产镀膜玻璃, 其膜层可以由多层金属或金属氧化物组成,允许调节能量通过率、反射率,具有良好的美观效果,被应用于现代建筑领域;磁控溅射技术也能够应用于织物涂层、防电击、电磁屏 蔽和机器人防护面料等。

  磁控溅射是目前复合集流体的核心竞争工艺,在低温升、高速率及强的薄膜与衬底间 的结合力等方面具有优势,但磁控溅射工艺整体难度较大。在磁控溅射时,如果没有控制 好磁/电场,可能出现一些粒子轰击损坏基膜的情况。因此在磁控溅射时,一方面对基膜 高分子有要求,基膜强度更大,越平整均匀越好;另一方面对磁控设备控制精度也有要求, 控制精度越高镀铜均匀性、良品率更好。 目前磁控溅射设备领域外国公司仍然占据主动权,市场份额大技术成熟,具体包括美 国应材、爱发科、德国莱宝等。以美国应材为例,磁控溅射设备能够满足多种金属、多种 厚度、多种体积的需求,同时具有卓越的膜层均匀性,显著缩短的处理周期,先进的阴极 旋转技术和并行架构。国内磁控溅射设备企业包括广东振华、宏大真空、惠城真空等。

  真空蒸镀是指在真空条件下,采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料(或称膜料)并 使之气化,粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。蒸镀是使用较早、用途较广泛的气相 沉积技术,具有成膜方法简单、速率快、操作容易、薄膜纯度和致密性高、膜结构和性能 独特等优点。但相较于真空溅镀技术,此方法得到的薄膜密度差(只能达到理论密度的 95%) 且附着力较小。

  水电镀指在电解质溶液里在外电流作用下,在一种金属表面上镀上一种或几种金属 (非金属)过程。具体为将零件浸在金属盐的溶液中作为阴极,金属板作为阳极,接直流电 源后,在零件上沉积出所需的镀层。

  水电镀广泛应用,适合特定应用场景。水电镀的技术已经相对成熟稳定,且因工艺较 简单,从设备到环境的要求均没有真空镀苛刻,被广泛应用。但水电镀弱点明显,仅能镀 ABS 料和 ABS+PC 料(效果也不是很理想),且 ABS 料耐温只有 80℃,应用范围被限制。而 线℃左右,这使得可以在高温进行电镀处理。

  复合铜/铝箔中,金属箔需要直接附着在基膜上,基膜的重要性与高要求不言而喻。目 前工艺要求基材聚合物兼具柔软性和强度,既能承受电池制作过程中涂布和滚压,又能起 到支撑作用。如果本身柔韧性不够,那么后续滚压时会影响延展性。另一方面,在电池正 常工作或热失控时,基材需要承受较高温度,需要保证受热不分解,不产生有毒物质。另 外出于环保和可持续发展的角度考虑,基材可回收是基本要求。 多种类基材各有优势。常见的塑料种类有 PET、PE、PVC、PP、PS、PC、PI 等。 其中 PVC、PS、PC 有毒且难以回收,不适宜用作基材。而在剩下的几种塑料中,聚乙烯 拉伸强度较低,在卷曲时可能出现断裂,因此也不适宜用作基材。PP 耐热性、电绝缘性 较好;PET 电绝缘性优良,抗蠕变性、耐疲劳性;PI 耐热性好、耐极低温、机械性能 优异。

  基膜属于典型的技术密集型行业。基膜的重要性涉及分子结构、强度、平整度、厚薄 均匀、延展性等技术指标,薄膜生产商在生产过程中对产品配方设计、制造工艺、生产设 备等方面具备较强的技术实力。 在产品配方设计方面,设计者根据不同组分在基膜中的作用和功能,选择不同的助剂 体系以及不同数量及粒径大小的粒子;再根据产品设计的目标性能对不同原料进行组分配 比,对不同配比下制造出的试样进行多方面性能测试。通过大量的实验与筛选,最终确定 出符合目标性能的最优化配方设计。

  在制造工艺方面,根据基膜拉伸技术的不同,可分为单向拉伸技术和双向拉伸技术, 目前基膜多采用双向拉伸技术,可有效改善薄膜的拉伸性能、光学性能、耐热耐寒性、尺 寸稳定性以及厚度均匀性等多种性能,并具有生产速度快、效率高等优点。 在生产设备方面,PET 基膜生产线的主要设备包括挤出系统、铸片系统、拉伸系统、 收卷系统四部分。挤出系统是将原料由固态转变为熔体,同时将各自原料充分混炼的设备。 铸片系统是将挤出系统输送来的均匀稳定的熔体通过模头流延在转动的急冷辊上,使之形 成无定型的厚片。拉伸系统是将从铸片系统中形成的厚片在一定的温度下,经过纵向和横 向拉伸,使分子链向特定的结晶面取向形成薄膜的过程。收卷系统主要作用是将成型的薄 膜用芯轴卷成指定长宽的成品,同时控制卷轴张力。

  国内基膜企业积极推进,有望加速国产替代。美国 3M、日本东丽、日本帝人和韩国 SKC 等公司占据全球大部分市场份额。“十三五”期间,国家新材料产业规划将先进高分 子材料列入重点发展六大材料之一,国内自主企业向上突破。

  东威科技是国内电镀设备生产龙头。公司主要从事高端精密电镀设备及其配套设备的 研发、设计、生产及销售,主要产品包括应用于 PCB 电镀领域的垂直连续电镀设备、水平式表面处理设备,以及应用于通用五金电镀领域的龙门式电镀设备、滚镀类设备,凭借 公司自主研发的垂直连续电镀等技术,公司 VCP 设备在电镀均匀性、贯孔率(TP)等关键 指标上均达到了业内领先水平,其中柔性板片对片 VCP 在板厚 36μm-300μm 时电镀均匀 性能够达到 10μm±1μm,达到了国际同类设备的技术水平。

  东威科技是国内 PET 电镀设备主要供应商,且具备先发优势。公司通过拓展现有卷 对卷垂直连续电镀技术体系在膜材料行业的应用,进行自主研发和创新,生产出可进行高 品质量产 PET 铜箔的设备。目前,国内只有东威科技一家公司实现了 PET 镀铜设备的量 产。由于该设备的生产具有较高的技术壁垒,东威科技具有明显的先发优势。此外,公司 通过引进真空镀技术,加码前道磁控溅射设备的研发,预计下半年达成量产能力,实现复 合集流体设备成套销售。

  万顺新材是一家集环保包装材料、高精度铝箔、功能性薄膜三大业务于一体的国家高 新技术企业。公司深耕包装材料行业,逐步发展成为国内具有领先优势的龙头企业。公司 登陆创业板以来,借力资本平台,调整发展战略,确立了以中高档包装材料、铝箔包装业 务、功能性薄膜为“三驾马车”的多元化发展战略。

  公司已研发出 PET 铜箔样品,正处于优化生产工艺阶段。复合 PET 铜箔领域,公司 已开展“在有机载体薄膜上镀双面铜箔工艺项目”研发工作,根据万顺新材 2021 年 11 月 公告,公司已开发出应用于电池负极的载体铜膜样品,可降低电池重量,提升能量密度及 安全性,已送下游电池企业验证;2022 年 1 月,万顺新材表示公司目前正在配合下游电 池客户的需求优化产品工艺。

  公司主业集中在平板显示器件,跨界布局复合铜箔业务。宝明科技主要产品为 LED 背光源和电容式触摸屏两大类,是平板显示屏的关键配套组件,广泛应用于智能手机、平 板电脑、车载显示器等领域。经过多年创新与积累,公司在产品研发、生产工艺、质量管 理、供货能力等方面稳步提升至行业先进水平,获得下游客户的广泛认可。受下游景气度 下行、行业竞争加剧影响,公司短期业绩承压,延伸布局复合铜箔业务将有效整合优势资 源,缓解业绩周期性影响,拓展公司业务发展空间。

  投资 60 亿新建产能,有望开启增长空间。2022 年 7 月 7 日公司发布公告,拟在赣州 投资建设锂电池复合铜箔生产基地,项目计划总投资 60 亿元人民币,项目一期拟投资 11.5 亿元人民币,项目二期拟投资 48.5 亿元人民币。一期项目建设周期 12 个月,公司预计 2023 年 3-4 月投产,供应消费电子与动力电池领域客户,二期具体投资进度和金额将视一期项 目情况进行调整。本次投资有望为公司未来业绩增长带来新的驱动力,提升公司盈利能力 和综合竞争能力,促进公司持续健康发展。

  公司是全球 BOPET 龙头厂商,顺势切入复合铜箔制造领域。双星新材主营产品为聚 酯薄膜材料,已形成国内具有影响力聚酯功能膜材料、光学膜生产及深加工产业集群,产 品线 多个系列,聚焦五大新材料板块,持续开拓国内外市场。公司通过多年技术 积累,实现了“PET 切片-基膜-应用膜”产业链一体化,是国内少有具备大批量基膜生产 能力的企业。PET 铜箔基膜厚度 4.5μm,与公司信息材料膜产品厚度一致,制程和工艺具 有技术同源性,为公司顺势进入 PET 铜箔业务创造有利条件。

  PET 基膜具备成本与工艺优势,持续推进下游客户验证。复合铜箔领域,公司依托基 膜自主生产核心优势,通过引进国外先进磁控溅射设备,建立起 PET 铜箔一体化产线,已 具备量产能力。相比其他复合铜箔厂商,双星掌握关键材料生产技术,4.5μm PET 基膜自产自用,大幅降低成本。目前公司 4.5μm 基膜已实现对外销售,加速基膜材料国产替代, 终端产品层面,2021 年以来 PET 铜箔已送检中、韩多家厂商,进入测试验证阶段。

  (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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