复合铜箔——引领新时代潮流

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01 复合铜箔的优势

铜箔作为锂电池负极集流体,主要起到承载负极活性物质+汇集电流的作用。传统铜箔以99%高纯度电解铜为主要材料,具有导电性强、散热性好、制造成本低等优势,但也存在着质量占比高、原材料成本高等问题,主要是两点:

1.传统铜箔占锂电池总重量比例约13%,但在电池的充放电过程中并没有提供任何的容量,因此电池质量能量密度有进一步提升的空间;

2.当受到穿刺时易内部短路,引起热失控甚至电池自燃,因此存在较严重的安全隐患。

比起于传统的锂电池铜箔来说,新型的复合铜箔,最关键的是可以解决掉安全的问题,万一出现线路短路的情况,高温会迅速融化外层铜镀层,里面的材料可以绝缘,导致电池直接断路,这就大大降低了电车自燃的现象。

另外,同等厚度下,复合集流铜箔单位重量下降55%,预计可以提升能量密度5%-10%。高分子膜密度远小于金属铜,经我们测算,主流6.5μm复合铜箔产品单位面积重量相对于6μm传统铜箔降低55%;且复合铜箔重量优势明显,仅当传统铜箔厚度下降至2.5μm时,其重量才低于复合铜箔。比亚迪专利测试,复合集流体可使电池能量密度提升2.6%-6.1%。比亚迪专利显示,正负极复合集流体的运用,使得电池能量密度提升6.10%;仅考虑负极集流体使用复合铜箔,能量密度也提高3.30%。

不管从重量还是从电池的能量密度来说,复合铜箔都是领先于传统铜箔的,因此复合铜箔替代掉传统铜箔只是时间问题,类似于光伏电池里面的TOPCON、HJT替代掉老式的光伏片,所以未来复合铜箔的增量空间值得期待。

02 复合铜箔的工艺

复合铜箔工艺路线更加复杂、多元,当前产业内以PET+两步法为主,量产难点在于设备和良率。

(1)材料端:PET抗拉强度更大、工艺简单成为主流选择;PP电池端性能好更受电池厂青睐,预计工艺成熟后上量。

PET膜推进较快,当前产业内以PET膜为主,未来预计PP膜与PET膜路线并行。由于工艺难度低,目前PET膜产业化进度较快,是当前产业内公司的主要选择。而PP膜在磁控溅射中结合力和抗拉强度较弱,目前仍在改性,预计随着复合箔工艺逐渐成熟,PP膜凭借在电池应用端的优势,被选做复合铜箔基膜的比例会上升。

(2)制作端:实践中分为一步法、两步法和三步法。一步法分为全湿法和全干法,产品性能优异、良率高,但尚处于实验室攻关阶段;两步法包括磁控溅射+水电镀环节,成熟度高;三步法增加真空蒸镀提升生产效率和均匀性,但损失良率。目前大多数厂商采用两步法。

l从性能来看:真空蒸镀颗粒更大、均匀度改善有限、存在烫损基膜的风险,整体看两步法性能更好。

l从良率来看:步数增加会带来新的工艺控制降低良率,真空蒸镀存在高温烫伤PET基底问题。

l从生产效率来看:真空蒸镀沉积效率更高,可以更快沉积至种子铜层厚度,因此三步法生产速度更快。

l从生产成本来看:三步法新增蒸镀设备(预计800万元/台),成本高于两步法。

产业内公司以重庆金美和万顺新材为主使用三步法,其他大多数公司如宝明科技双星新材方邦股份等选择两步法,随着工艺的成熟,成本低、良率高的两步法预计成为未来主流选择。

(3)电池生产端:增加了滚焊,并将极耳焊接改为超声焊接。

超声波焊接是一种固相焊接方法,焊件之间的连接通过声学系统的高频弹性振动以及在工件之间静压力的夹持作用下实现。

PET铜箔极耳焊接只能用超声焊。PET和铜的熔点不同,激光焊接的波长无法同时满足塑料和金属的熔点。因此使用超声波摩擦的物理特性,将PET层与铜铝材熔接。具体在电池制作中:

l在辊压之前新增滚焊(超声焊预处理):PET不导电,若只把极耳焊接在一面铜层,另一面铜层被pet阻隔无法导通,因此先需要进行滚焊(上下再加一层铜箔),为极耳焊接环节做准备。

l极耳焊接改为超声波终焊:功率更大、保证焊接强度和焊接效果。最后由制片厂主导,将超声焊和制片设备做成卷绕一体机。

03 复合铜箔产业链及相关个股

产业链分为上游材料、中游铜箔制造以及下游的电池应用。

目前处于产业化初期,设备环节格局较为集中。其中前道磁控溅射设备,腾胜科技领跑,占据半壁江山;中道水电镀设备由于属于全新设备,目前只有东威科技实现量产;后道超声焊设备,骄成超声受宁德扶持,与必能信平起平坐。

磁控溅射设备壁垒更高,整体设备厂商未来或呈整线布局趋势。设备整线布局可以提升良率,发挥协同效应,寻找合适参数实现最大产能。目前除了布局一体机的设备厂外,许多单设备厂商开始考虑整线布局,如东威科技由水电镀设备向上布局磁控溅射设备,腾胜科技在磁控溅射设备基础上或将向下布局。

目前PET铜箔处于0-1阶段,1-N阶段,首看下验证进度,反映技术实力和未来拿订单能力。金美布局最深厚,下游验证速度最快,处于第一梯队,宝明科技在二线电池厂中验证最快,处于1.5梯队,万顺新材双星新材布局较早,积极送样,验证进展靠前,处于第二梯队。

订单先行的设备龙头厂商:东威科技骄成超声三孚新科道森股份

量产在即的复合铜箔制造厂商:璞泰来,关注元琛科技宝明科技双星新材阿石创万顺新材

加快布局的传统铜箔厂商:嘉元科技诺德股份,关注中一科技

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全部讨论

2022-12-03 09:32

继续聊 复合铜箔这个伪产业,全网全部在吹那几个仅有的所谓优点!无人分析和提及真实缺点:
A、锂电铜箔产生的废箔是循环利用,按成品率为80%,其仅要付出200kg/t额外溶铜质量成本,计算该成本为150元/吨产品,合6um锂电铜箔废箔质量成本仅为0.008元/m2。而“复合铜箔”就无法实现循环使用,其废箔只能当含铜废料出售处理,按照60%的成品率计算,18700平方米(合6μm锂电池铜箔1吨)将形成12470平方米报废,按2μm的铜厚计算,其金属量为222kg,如废品按铜价60%计算,18700平方米成品箔将产生40%×70元/kg×222kg=6216元质量成本,合单位面积铜报废质量成本为0.33元/m2,远高于锂电池铜箔的质量成本。
以上仅列出电耗、人工、质量三项主要变动成本项,分析得知,同样的产能(按面积计算),“复合铜箔”变动成本为4.67元/m2(高限),6μm电解铜箔为0.65元/m2,“复合铜箔”的变动成本是6μm电解铜箔的7.18倍;
经计算,立出项的“复合铜箔低限”固定成本+变动成本为6.67元/m2,高限成本为8.67元/m2,完全项合并计算,其变动成本还将更高。
B、使用端面临技术难点
(1)单面镀1μm铜层的“复合铜箔”可以安全使用到高倍率充放电动力电池中吗?
依据内阻模型,如用单面镀1μm铜层的“复合铜箔”替代6μm锂电池用电解铜箔使用,以同样电流进行充放电,其单位时间发热将增加三倍,电芯充放电电能内损增加三倍,随充放电倍率提高、电芯加大、电池组加大,热效应愈加明显,电芯、电池组热失控风险数倍增加!单面镀1μm铜层的“复合铜箔”能否用到较高充放电倍率动力电池做集流体取决于电池散热与管控技术进展,目前为止尚未看到突破!
(2)超薄铜层难以逾越负极压实质量关
为提升锂电池负极体积能量密度、负极材料与集流体的粘接强度,需对涂覆完成负极卷材进行压实处理,压实过程的巨大垂直压力在“凹凸不平”(微观层面)负极材料表面上形成“剪切力”,附着在“软基”PET膜上的1μm铜层,在“剪切力”作用下产生塌陷、断裂、与基膜分离“概率”大幅度增加,理论上负极材料不平整度越大、铜层越薄,其“剪切力”破坏越大,预计压实工序合格率(与用锂电池铜箔相比)将大幅度降低。
(3)极耳问题
主流电芯负极极耳由负极卷材“留白处”激光切出单极耳,单极耳组合形成阴极极耳,无须焊接;如“复合铜箔”也采用该方法,其“整极耳”由数个复合结构单极耳组成,复合结构使电流传输在厚度方向隔断,必须附加极耳“截面”导电工序,不知成本几何?
可能有人认为可以返回焊接极耳工艺,如如此,不但极耳要加倍(两面均要抽头),也将面临在1μm铜层焊接诸多质量难题(击穿、虚焊、脱焊等),总而言之,铜层减薄的“尺寸效应”与“复合结构”给极耳制造带来新的难题。
(4)基材耐老化、塑性形变性能对产品质量影响
PET、PP膜是目前行业主要选用基材,属线性高分子材料,为提升该类材料塑性与耐久性,一般会添加增塑剂与抗氧化剂,其长期在紫外线、酸碱盐、热环境时,增塑剂与抗氧化剂就会缓慢分解、消耗,随时间推移,轻者表现为物理性能衰减,重者表现为断裂、粉化;再有在外力作用下,会产生“塑性形变”,局部外力产生局部“塑性形变”,重度“塑性形变”将会发生铜层与基材“脱离”现象,这些都是业界要充分关注并要解决问题。
实际上“复合铜箔”应用还存在涂覆、倍率充放电过程面临高温、循环寿命、耐电解液与电解质化学腐蚀难题,鉴于篇幅限制,在此不做过多分析。仅依照以上重点分析,我们大体可以得出:a、单侧1μm铜厚复合铜箔替代6μm锂电池铜箔在锂电池应用时,难以实现6μm锂电池铜箔在锂电池内的“等效目标”;b、如使用单侧铜层加厚产品,如单侧铜层厚度2μm产品,或许锂电池产品性能指标离“等效目标”更近,但成本几乎会成倍上升;
C、“复合铜箔”未来
基于锂离子电池用“复合铜箔”生产工艺、工序质量难点与质量成本、拟生产成本核算、使用机理、使用质量难点与成本、拟使用成本核算、产品质量标准编制与主要技术指标量值难点分析,我们认为以既有工艺(技术路线)生产、既有锂电池制造工艺使用的“复合铜箔”,在技术、质量、安全、成本乃至能量密度上,与锂电池用电解铜箔不具备技术、经济竞争的可比性。
对于极小规模实验室出品的锂离子电池用“复合铜箔”,有可能在下游部分客户(忽略成本、质量焦虑的情况下)中得到研发试验应用,实验产品能否以批量交付到终端客户不得而知。
在下游电芯客户及终端应用客户对上端供应链材料逐年降本的基本采购宗旨下,锂电池用“复合铜箔”就现状的技术而言,且不说能否大规模生产,其目前高于电解锂电铜箔6倍余的生产成本和近乎10倍余的投资成本,短期内代替电解锂电池铜箔的可能性极小。下游行业应用信息的缺失、产品质量标准的不可确定性应证了我们今天分析的结论。
摘自 蒋卫东《“复合铜箔”的前世、技术现状与未来》2022-11-30 09:58 发表于北京