锂电池复合集流体新材料异军突起
发布时间:2022-03-10 15:39:01

  铜箔和铝箔是锂电池的正负极集流体材料,成本占比在15%左右。近年来,电池用铜箔、铝箔行业随着新能源汽车市场飞速发展而同步起飞。在2014年,国内锂电池出货量只有30GWh,但到了2020年已经达到158.4GWh,6年里翻5倍。同期锂电铜箔的出货量从3.1万吨提升至14.6万吨,复合增速高达29%,增长也是接近5倍。有机构预计2025年全球电动车销量将达到1800万辆,2021-2025年复合增速为36%,在此背景下,预计铜箔到2025年的总需求约为109万吨,而锂电铝箔需求增长同样是受新能源汽车产业的拉动,预计全球电池箔需求量在2025年达到74万吨,年复合增速37%。目前锂电铝箔平均售价4万元/吨,据此测算,2025年电池箔市场空间296亿元。


锂电池复合集流体新材料异军突起


  2021年随着电动车爆发式增长,铜箔的需求量急剧上升。而通常一条传统的电解铜箔产线的扩建周期在1-2年。因此,尽管从去年下半年开始,铜箔企业大幅扩产,但供需缺口持续存在。供需失衡下,铜箔的加工费持续涨价,2021年上半年6微米和8微米铜箔加工费涨幅分别超过30%和50%。而锂电池用铝箔以“铝价+加工费”方式进行定价,目前电池箔厚度在8-15μm之间,海外电动力电池和储能领域的主流铝箔厚度为15μm ,出口产品加工费2.2-2.6万元吨;国内电池厂对减薄趋势要求较为积极,动力电池和储能领域 的主流型号为13μm,加工费1.5-1.8万元


锂电池复合集流体新材料异军突起


  复合铜箔或铝箔是一种以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等材质作为基础材料,两边分别采用先进工艺沉积金属铜/铝层而制成的一种新型材料,目前已经有量产产品推向市场,据电池厂家测试确认,新材料完全可以替代目前的电解铜箔和压延铝箔作为锂电池正负极集流体的作用。

锂电池复合集流体新材料异军突起

  新材料制作工艺


  新材料工艺:传统的锂电铜箔主要是电解工艺生产而成,而复合铜箔是在基材厚度3-8um的PET或PP等材质表面采用磁控溅射的方式,制作一层30-70nm的金属层,方阻约为0.5-2欧姆,实现基材表面金属化。然后通过水电镀增厚的方式,将金属层加厚到1μm或以上,制作总厚度在5-10um的复合铜箔,用以代替4.5-9um的电解铜箔。而复合铝箔的制作工序则更加简单,只需要在PET或PP等材质的超薄薄膜表面采用真空蒸镀的方式将金属铝层沉积上去就可以完成。


  由于有机薄膜材料和金属铜或者铝等材料的特性有较大的差异,因此如何实现材料间的良好结合力,并确保好的导电性能以及表面无缺陷等等要求,都是这项工艺技术的难点。


  技术及设备


  新型锂电池复合集流体材料包括复合铜箔和复合铝箔两种。其中新型的复合铜箔材料是通过采用磁控溅射真空镀膜技术时对有机薄膜首先进行材料表面金属化处理,实现材料导电并保证膜层的致密度和结合力。磁控溅射真空镀膜技术优点是:具有稳定性好、重复性好、均匀度好、适合大面积镀膜、膜层致密、结合力好、工艺灵活度高等。在磁控溅射完成了底层之后再通过水电镀增厚的办法将铜层增厚至1um左右,就可以实现负极集流体的导电需求。


  新型的复合铝箔材料则是通过真空蒸镀的方法直接在有机薄膜表面进行沉积,金属铝层的最终厚度在1um左右,以满足正极集流体的技术要求。


锂电池复合集流体新材料异军突起


  据了解广东腾胜科技创新有限公司研制出国内首台量产型复合铜箔的真空镀膜设备。这家企业拥有较强的真空镀膜技术与设备的设计制造经验,在复合铜箔、复合铝箔材料工艺及装备上已经有多年的技术积累。设备已经销售到重庆金美、日本TDK等企业。据进一步的了解,国内已经有另外多家企业订购了他们研制的新一代的复合集流体的真空镀膜设备,但出于技术保密的原因,设备厂家并没有透露具体的订货厂商。广东腾胜科技创新有限公司目前也在积极进行产能扩充布局和下一代新型设备的研发,以应对未来快速增长的市场对设备的需求。


  创新优势


  新材料的主要优势包括以下几点:


  1、大幅度提升了安全性。复合集流体中间的有机绝缘层,当发生热失控时可以为电路系统提供无穷大的电阻,并且它本身是不燃的,从而降低电池燃烧起火爆炸的可能性,提升电池的安全性。


  2、有效提升电池的能量密度,因为PET材料较轻,所以PET铜箔整体质量较小(相当于把金属箔中间部分换成一层PET),减轻电池的重量,提升了电池的能量密度。以复合铜箔为例在总体厚度基本不增加的情况下,比原来的传统电解铜箔集流体的重量减轻了将近60%。


  3、因为减少金属材料的厚度,因此可以有效降低原材料的成本。以复合铜箔为例,如果产线能够实现稳定的连续生产,制作成本能比传统的电解铜箔节省40%左右。具有很大的竞争优势。


  市场机会


  随着锂电池行业快速增长的需求,锂电集流体正向着更薄、高抗拉强度、高延伸率和更低的成本的方向发展。由于复合集流体材料可以提升电池能量密度、提高电池的安全性并有效降低成本,使得复合集流体有可能在不久的将来逐步替代金属集流体而成为锂电集流体的主要材料。


  2022年随着铜箔、铝箔供应的持续紧张,金属材料的价格可能会继续上涨。复合集流体有望获得更大的使用机会,并迅速打开市场。


  目前国内已经有多家电池头部企业提前进行新材料的布局。比如重庆金美,目前就是宁德时代的复合集流体材料供应商之一。在2022年内重庆金美预计将实现PET复合集流体新材料的快速放量,目标是到年底能够达到过亿平米的产量。日本TDK公司以及厦门海辰公司等锂电池生产企业也在积极布局复合集流体材料的制作和应用。传统电解铜箔的主要生产厂家之一的诺德股份也曾经在公开场合透露了公司正在推动复合铜箔的新材料的工艺研发和测试,并且已经可以进行小批量的样板制作。


  总结


  随着越来越多的锂电池及锂电池上下游厂家关注复合集流体这种新材料,以及不断厂商投入到这个产业,未来几年锂电池集流体产业格局有可能会发生重大的变化。这种复合集流体新型材料有望成为锂电池产业未来几年内的一个重要的关注焦点,也必将引起更多投资机构以及企业的关注。新型复合集流体材料未来的发展非常值得期待。

稿件来源: 电池中国网
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