集流體是正負極與外部電路的電子導體,作用在于將正負極活性物質產生的電流聚集輸出或者將電極電流輸入給活性物質,正極采用氧化電位高的鋁材,負極采用不易與鋰元素形成合金的銅材。高電導率、高穩定性、結合性強、 成本低廉及柔韌輕薄是核心。
1. 鋰電銅箔擴產迅猛,極薄銅箔滲透率快速提升
為進一步提升電池能量密度,動力電池企業要求鋰電銅箔極薄化,加快對 8μm 以下銅箔的導入。據高工鋰電統計,2018-2021 年,在國內鋰電銅箔市場產品結構中,6μm銅箔的市場占比已經從20.5%提升至66.0%; 8μm 銅箔從 79.5%下降至 25.1%;4.5μm 極薄銅箔則從零上升至接近 10%。目前,鋰電銅箔企業都在加快 4.5μm 極薄銅箔的產業化,頭部動力電池企業也在加快 4.5μm 銅箔的導入,表明下游市場對極薄銅箔的需求持續升溫。
從厚度看,目前主流需求為 6μm 與 4.5μm 鋰電銅箔。復合集流體為“金屬-PET/PP 高分子材料-金屬”三明治結構,以高分子絕緣樹脂 PET/PP 等材料作為“夾心”層,上下兩面沉積金屬鋁或金屬銅。
①4.5μm+2*1μm 銅=6.5μm→對標 6μm 鋰電銅箔
②2.5μm+2*1μm 銅=4.5μm→對標 4.5μm 鋰電銅箔
復合集流體目前處于 0-1 的產業化初期,預計未來將產業化放量。國產鋰電銅箔在抗拉強度、延伸率、表面粗糙等性能優勢都不弱于海外品牌,在極薄化和成本控制方面具備明顯的競爭優勢,這為國產銅箔進入國際市場提供了保障。
2. 復合銅箔產業化在即,核心驅動為安全性、低成本、輕量化
復合集流體是高端定制化動力電池的最佳解決方案之一。高安全性是復合集流體的主打優勢,產業在安全性方面的密切關注也是基于其有望解決高鎳電池熱失控難題;高比能與長壽命是其實現產業化的必備條件,低成本是其產業化的基石;中長期看,輕量化與強兼容為其帶來廣闊的應用前景,復合銅箔產業化成為行業共識期待。
2.1. 安全性
(1)傳統集流體產生毛刺會刺穿隔膜導致內短路,復合銅箔毛刺小且熔點低助力提升安全性。由于復合銅箔的中間層為 PET/PP 基膜等有機層,被刺穿能夠有效避免電芯短路,從而可以提升電池安全。電池中電 離遷移的鋰離子數量超過負極石墨可嵌入的數量,鋰離子將在負極表面潔寧,成為鋰枝晶。鋰枝晶會不可逆的造成鋰電池的容量和使用壽命衰減。若鋰枝晶繼續增大,出現穿透隔膜使正負極短路,電池將出現熱失效等安全問題。
(2)復合集流體毛刺小且其受熱斷路效應可有效防止鋰枝晶導致的熱失效問題,大大提升電池壽命和安全性。復合集流體材料穿刺時因其高基膜高分子不容易斷裂,即便斷裂,銅層比傳統的更薄,穿刺時產生的 毛刺更短,1 微米的鍍銅的強度無法達到刺穿隔膜的標準,從根本上降低了毛刺穿透隔膜并與電極接觸的風險。
(3)PET 等有機層不導電且熔點低。發生局部短路時較易熔斷并實現局部電流的點斷路,發生大面積短路時 PET 層和阻燃結構可提供無窮大電阻從而有效避免電池熱失控。傳統技術在電解液中添加阻燃劑,一般添加的量較少,僅能對內短路起到延緩作用,且以犧牲電池能量密度為代價,過量添加會導致電池電化學性能大幅下降。而復合集流體中間的高分子基材具有阻燃特性,其金屬導電層較薄,短路時會如保險絲般熔斷,在熱失控前快速融化,電池損壞僅局限于刺穿位點形成“點斷路”。
2.2. 低成本
在低成本方面,在技術完備條件下,復合銅箔低成本體現在原料成本低、 設備投資高但量產后綜合成本低,理論降本空間大。大規模量產后有望實現綜合成本 4.5 元每平米以下,相較傳統銅箔有望實現降低 40%的制造成本,理論上放量后單平原料成本有望降低 2 元以上。
(1)原料成本低。復合銅箔由于減少了銅的使用,相較傳統 6μm 銅箔, 原材料成本可降低40%以上。若以后基膜可國產替代,成本降幅可達50%。 復合銅箔的技術路線主要有 PET 和 PP 基材兩大類:
①PP∶原料便宜,耐強酸強堿,不耐低溫(30 度以下脆化),不適合很多環境,銅附著力差,抗拉強度弱(影響后邊涂附等工序);
②PET∶原料比 PP 貴,耐弱酸弱堿(電解液為弱酸性),銅附著力強。
(2)PET 銅箔規模化成本顯著低于傳統銅箔。復合銅箔制備工藝更復雜,設備投入、制造費用更高,產業化初期良率低,當前復合銅箔綜合成本高于傳統銅箔。但若考慮大規模量產化后良率、效率的提升,理論上復合銅箔成本有望比傳統銅箔降低 30%以上。以 6μm 銅箔為例,其單位材料成本為 3.39 元/平方米;6μm PET 銅箔的銅箔厚度為 2μm, 單位總成本為 1.27 元/平方米,理論上規模化后單位成本更低。
復合銅箔設備投資高,比傳統銅箔高約 1 倍多,但綜合成本可低 40%。 據嘉元科技與中一科技公告,擴產 1 萬噸傳統銅箔的投資額約為 6 億元。 以銅箔厚度為 6 微米為例,則 1 萬噸銅箔面積為 1.86 億平米,傳統銅箔單平米投資額約為 3.2 元。據寶明科技公告,PET 銅箔單平米投資額約為 7.7 元。傳統銅箔與復合銅箔的成本結構中,主要成本項目為原材料 費用和折舊費用,括人工費用等其他成本項目一般占比較低,暫且忽略。 據測算結果綜合成本可低 40%。即使復合銅箔的折舊成本再上升 50%, 原材料成本上升 10%-20%,復合銅箔的綜合成本還是明顯占優。
2.3. 輕量化
在輕量化方面,復合銅箔有望實現超 50%的質量減輕。復合銅箔中銅厚度相比 6μm 銅箔減少 66.67%。金屬用量的節省部分用 PET 等材料進行替代后,保障安全性的同時重量更輕,產品綜合性能更優。復合集流體中間層采用輕量化高分子材料,重量比純金屬集流體降低 50%-80%。隨著重量占比降低、電池內活性物質占比增加,能量密度可提升 5%-10%。
復合銅箔 1GWh 鋰電池箔材于傳統銅箔減重 56%。由于銅密度為 8.96 g/cm3,高于 PET 膜材的 1.37g /cm3 ,因此將部分銅換成 PET 材料,能減少箔材的重量。假設 1GWh 鋰電池負極箔材用量為 1200 萬平米,銅箔厚度為 6 微米,則需要的銅箔用量為 645 噸。若將銅箔、鋁箔換成復合箔材,其中 PET 層厚度為 4 微米,金屬層厚度為 2 微米,則 1GWh 鋰電池需要的復合銅箔為 281 噸,相對傳統箔材減重達 56%。
中長期看,輕量化與強兼容為其帶來廣闊的應用前景,復合銅箔產業化成為行業共識期待。
3. 復合銅箔仍存多項技術與功能有待提升
(1)復合集流體對生產工藝及設備要求極高,需要將有機高分子材料和金屬材料之間做到完美復合。
傳統集流體直接升級為復合集流體不會影響原有電池內部電化學反應,因此復合集流體可運用于各種規格、不同體系的動力電池。PET 材料的引入,電池制造需新增工序。
(2)復合銅箔快充性能有待提升。 以 6 微米的復合銅箔為例,箔材兩側的金屬層厚度只有 1 微米,復合箔材的過流能力有限。在低倍率充放電時候,采用傳統銅箔或 PET 銅箔, 電芯的充放電曲線沒有明顯的差異。然而, 2C、4C 等高倍率充放電時,因其金屬層更薄,復合銅箔的快充性能表現有可能低于傳統箔材。因此, 除了純電動 4C 應用場景,復合銅箔有望在儲能、換電、中低端車等市場,更有競爭力。