復(fù)合集流體 圖片來源：三孚新科
“復(fù)合集流體替代傳統(tǒng)的集流體可以本質(zhì)上提升電池的能量密度，可以從本征上提高電池的高安全性并抑制熱失控，理論上可以降低電池的成本。”11月28日，在“三孚新科（688359）&訊隆益聯(lián)3D復(fù)合集流體（Cu）新品發(fā)布會”上，伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究部總經(jīng)理/中國電池產(chǎn)業(yè)研究院院長吳輝發(fā)表主題演講時提到，盡管存在諸多優(yōu)勢，但是復(fù)合集流體目前仍存在的問題需要解決，僅有少數(shù)企業(yè)能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究部總經(jīng)理/中國電池產(chǎn)業(yè)研究院院長吳輝
01 復(fù)合集流體三大優(yōu)勢
一是可以從本質(zhì)上提升電池的能量密度。
吳輝介紹，鋰電池向高能量密度發(fā)展是必然趨勢：動力電池單體形成高比能及高性價比兩條技術(shù)路線，液態(tài)電池逐漸向固液混合電池、全固態(tài)電池升級。全固態(tài)電池的量產(chǎn)應(yīng)用還需重點(diǎn)突破材料層面的關(guān)鍵科學(xué)問題和產(chǎn)業(yè)層面的高效生產(chǎn)工藝/低成本化，預(yù)計2030年前后將可能實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池小規(guī)模量產(chǎn)，2040年將量產(chǎn)700wh/kg的電池。
提升電池能量密度，集流體減重是措施之一。
復(fù)合銅箔減重方面，作為基材的PET/PP/PI等高分子材料的密度遠(yuǎn)低于金屬銅，其中，PET密度為1.37-1.40g/cm3，PP密度為0.89-0.91g/cm3，PI密度為1.38-1.43g/cm3，而銅的密度8.96g/cm3。PET、PI密度約為銅密度的1/7，PP密度為銅的1/10。由此可見，即使復(fù)合銅箔的整體厚度與傳統(tǒng)銅箔相當(dāng)甚至高出一些，也能顯著降低集流體重量。
復(fù)合鋁箔減重方面，復(fù)合鋁箔等體積質(zhì)量相比傳統(tǒng)鋁箔有較大幅度降低，復(fù)合鋁箔減重減薄特性可帶來電池能量密度的提升。
二是可以從本征上提高電池的高安全性并抑制熱失控。
《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB38031-2025）這一新國標(biāo)要求電池系統(tǒng)在觸發(fā)單體熱失控后，需在至少2小時的觀察期內(nèi)保持無起火、無爆炸，且所有監(jiān)測點(diǎn)溫度不超過60℃。而舊標(biāo)準(zhǔn)僅要求5分鐘內(nèi)不起火。要求電池在完成300次快充循環(huán)后仍能通過外部短路測試，直接應(yīng)對當(dāng)前快充技術(shù)普及帶來的安全隱患。
吳輝介紹，復(fù)合集流體可以抑制鋰枝晶的生長，在穿刺時產(chǎn)生的毛刺尺寸小，可以有效避免內(nèi)短路。復(fù)合集流體中的高分子柔性基材具有良好的柔軟性與延展性，可以吸收部分應(yīng)力，不容易斷裂；同時可以在金屬鋰的沉積過程中將產(chǎn)生的壓應(yīng)力釋放，從而有效控制枝晶產(chǎn)生，防止穿刺導(dǎo)致內(nèi)短路。
復(fù)合集流體的受熱短路效應(yīng)可以控制電池?zé)崾Э亍?fù)合集流體中間的高分子基材具有阻燃特性，其金屬導(dǎo)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?fù)p壞僅局限于刺穿位點(diǎn)形成“點(diǎn)斷路”。
三是理論上可以降低電池的成本。
吳輝分析稱，相較于傳統(tǒng)銅箔，復(fù)合銅箔原材料成本擁有明顯優(yōu)勢：對比4.5+1+1結(jié)構(gòu)的6μm復(fù)合銅箔和4-8μm的傳統(tǒng)銅箔原材料成本。4μm、4.5μm、6μm、8μm的鋰電銅箔原材料成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于復(fù)合銅箔，僅有復(fù)合銅箔良率小于70%，且銅價不超過75,000元/噸時，傳統(tǒng)6μm銅箔才具備經(jīng)濟(jì)性，如對比4.5μm銅箔，則復(fù)合銅箔良率為80%以上或銅價為85,000元/噸以上時才具備經(jīng)濟(jì)性。
復(fù)合鋁箔與復(fù)合材料價格相差較小，因此復(fù)合銅箔能有效應(yīng)對下游降本需求，而復(fù)合鋁箔在成本方面優(yōu)勢并沒有如此顯著。
02 復(fù)合集流體四大難點(diǎn)
一是工藝難度問題。
吳輝介紹，目前復(fù)合集流體制備工藝中仍存在幾大難點(diǎn)問題，在磁控濺射環(huán)節(jié)主要有中間層基膜較薄，收卷時容易起皺變形，當(dāng)設(shè)備幅寬較寬時容易將材料拉扯變形，并且在鍍膜時，溫度較高，需要注重散熱，因此在磁控濺射鍍膜時會出現(xiàn)：
①箔材穿孔問題，主要是由于濺射銅種子層的過程中，高溫的金屬熔融物飛濺熔穿箔材，形成穿孔；其次因常規(guī)磁控濺射一般為原子沉積，銅種子層致密度差，也增加了后續(xù)電鍍加厚環(huán)節(jié)中的針孔出現(xiàn)率。
②銅膜結(jié)合力差。常規(guī)磁控濺射技術(shù)的粒子密度低，無法對PET/PP聚合物基體表面進(jìn)行有效活化，導(dǎo)致銅膜與聚合物基體的結(jié)合力差，增加電池安全風(fēng)險。
同時，金屬材料與高分子材料的界面結(jié)合也是復(fù)合材料制備加工的難點(diǎn)。當(dāng)前行業(yè)常用的復(fù)合集流體焊接方式為超聲焊接，但超聲波能量有限，傳統(tǒng)工藝難以將由數(shù)十層的復(fù)合集流體做成的電芯極耳焊接在一起，易導(dǎo)致焊接不牢固；同時復(fù)合集流體表面的金屬層較薄，易導(dǎo)致焊接結(jié)合力差，進(jìn)而容易引起復(fù)合集流體外接金屬極耳的虛焊現(xiàn)象，增大電池的內(nèi)阻，后續(xù)電池充放電過程中溫度易升高。
二是成本問題。
吳輝分享的數(shù)據(jù)顯示，從復(fù)合銅集流體MC成本來看，以6μm銅箔為例，假設(shè)目前銅價為6.8萬元/噸，PP基膜的價格為0.7萬元/噸，僅考慮原材料成本，計算的1GWh的鋰電池中傳統(tǒng)鋰電銅箔的原材料成本為4386.8萬元，復(fù)合銅集流體MC的原材料成本為1492.8萬元，原材料成本下降約65%。但是現(xiàn)階段受限于設(shè)備壁壘、產(chǎn)能利用率、良率等問題，現(xiàn)階段總成本與鋰電銅箔總成本相差無幾，總成本優(yōu)勢還未體現(xiàn)。
從復(fù)合鋁集流體MA成本來看，鋁原材料在傳統(tǒng)鋁箔的生產(chǎn)成本中占比接近90%，中間替換PET材料后，復(fù)合鋁集流體MA的原材料成本將有效降低，但是由于鋁錠價格明顯低于銅價格，因此復(fù)合鋁集流體MA材料成本下降效應(yīng)較復(fù)合銅集流體MC來看不明顯，疊加復(fù)合鋁集流體MA生產(chǎn)設(shè)備為真空蒸鍍設(shè)備，較傳統(tǒng)的鋁箔壓延工藝在設(shè)備上成本大幅增加，在考慮設(shè)備成本后，難以實(shí)現(xiàn)降本效應(yīng)。復(fù)合鋁集流體MA采用一步法真空蒸鍍加厚，目前價格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電池鋁箔（7-10倍），后期隨著工藝的優(yōu)化復(fù)合鋁集流體MA成本會逐步下降，但成本仍然會是傳統(tǒng)鋁箔的兩倍以上，但與其他提高安全性能的材料相比，復(fù)合鋁集流體MA的成本仍具有成本優(yōu)勢。
三是生產(chǎn)效率及良品率問題。
受常規(guī)磁控濺射技術(shù)節(jié)拍限制，銅金屬沉積速度20～30nm/min，厚銅箔沉積時間長，難以實(shí)現(xiàn)卷對卷生產(chǎn)導(dǎo)致生產(chǎn)線效率較低。目前復(fù)合銅集流體MC材料幅寬一般達(dá)到1.5米左右，幅寬越寬，材料張力控制越難。復(fù)合銅集流體MC基膜需要在電鍍槽液體中持續(xù)穿行幾十米的距離，傳輸過程中若傳動輪速不均勻，張力控制不當(dāng)，更薄更寬的材料很容易出現(xiàn)膜拉伸變形現(xiàn)象。此外，更薄的膜會更容易出現(xiàn)因發(fā)熱熔穿和電擊穿等穿孔現(xiàn)象。另外，由于不同客戶對產(chǎn)品的尺寸要求不同，產(chǎn)品在下線時會有部分廢料的產(chǎn)生，其次在質(zhì)量檢測過程中會淘汰部分不合格產(chǎn)品，導(dǎo)致產(chǎn)品的良品率在80%左右。
四是對電池性能的負(fù)面影響。
復(fù)合集流體目前還存在阻值高、產(chǎn)熱高，電池內(nèi)部導(dǎo)熱受阻、影響電池倍率等性能。
03復(fù)合集流體帶動設(shè)備和材料迎變
設(shè)備端
吳輝分析稱從復(fù)合集流體的生產(chǎn)工藝來看，復(fù)合集流體的制造過程主要是在高分子材料層上鍍上一層薄薄的金屬層，復(fù)合集流體生產(chǎn)底層技術(shù)磁控濺射、真空蒸鍍、化學(xué)沉銅、水電鍍等在 PCB 制造、五金鍍膜等領(lǐng)域均有成熟應(yīng)用，目前的生產(chǎn)工藝為其中一種或幾種技術(shù)的組合，根據(jù)使用技術(shù)的數(shù)量可以分為一步、兩步、三步法。
其中，磁控濺射是利用磁場約束電子運(yùn)動進(jìn)行濺射，使靶材原子沉積到基材表面形成鍍膜。目前，國內(nèi)磁控濺射由于起步較晚，相對國外設(shè)備廠商在技術(shù)積累方面仍然不足，但行業(yè)發(fā)展迅速，國產(chǎn)替代加速。目前外資企業(yè)在磁控濺射設(shè)備方面占據(jù)主導(dǎo)地位，海外企業(yè)主要有美國應(yīng)材、日本發(fā)那科、德國萊寶等，國內(nèi)磁控濺射設(shè)備企業(yè)有騰勝科技、匯成真空、漢嵙新材等，東威科技和道森股份等企業(yè)也在積極研發(fā)并推出磁控濺射設(shè)備。
真空蒸鍍是利用真空蒸鍍裝置加熱膜材，使膜材粒子凝結(jié)并沉積形成固態(tài)薄膜。復(fù)合鋁箔及復(fù)合銅箔三步法中所要使用的真空蒸鍍設(shè)備，仍主要依賴進(jìn)口日本發(fā)那科的設(shè)備，價格較昂貴。國內(nèi)目前僅有重慶金美提到過三步法的可行性，其子公司四川海格銳特主要研發(fā)真空磁控濺射和真空蒸鍍設(shè)備，以及道森股份（洪田科技）在研的磁控濺射+蒸鍍一體機(jī)。
復(fù)合銅箔的水電鍍是指利用電流電解作用，通過氧化還原反應(yīng)在基材表面形成銅鍍層的過程。國外的水電鍍設(shè)備技術(shù)領(lǐng)先，國內(nèi)的設(shè)備具有價格優(yōu)勢，國產(chǎn)替代進(jìn)行中。國外較早開始進(jìn)行水鍍設(shè)備的生產(chǎn)，在水鍍配方優(yōu)化方案、連續(xù)性自動化進(jìn)料、產(chǎn)品均一性等技術(shù)指標(biāo)上具有優(yōu)勢。國內(nèi)水電鍍設(shè)備具有制造成本優(yōu)勢，在設(shè)備采購價格方面具有競爭力，隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，國產(chǎn)替代持續(xù)進(jìn)行中。目前，全球主要水電鍍設(shè)備企業(yè)有安美特、臺灣競銘、東莞宇宙、深圳寶龍、東威科技、三孚新科等等。
焊接設(shè)備方面，復(fù)合集流體中高分子結(jié)構(gòu)層具有絕緣性，導(dǎo)致兩側(cè)金屬鍍層無法導(dǎo)通電流，因此需要滾焊。為解決以上問題，設(shè)備端需采用極耳轉(zhuǎn)印焊工藝，將兩層導(dǎo)電金屬箔材與復(fù)合集流體進(jìn)行上下包邊焊接，以實(shí)現(xiàn)電流輸送。當(dāng)前主流的極耳焊接均無法適用，例如超聲焊接無法解決箔材兩側(cè)金屬鍍層不通電問題，導(dǎo)電性能較差；激光焊接則溫度過高，容易產(chǎn)生箔材收縮變形。 復(fù)合集流體材料焊接是在高分子材料表面鍍上金屬后進(jìn)行焊接，高分子材料和金屬材料熔點(diǎn)差異巨大，采用激光焊接在當(dāng)下沒有工藝可行性。目前全球主要布局復(fù)合銅箔超聲波滾焊設(shè)備企業(yè)有驕成超聲、新棟力、蘇州達(dá)牛、先導(dǎo)智能、必能信等。
材料端
基膜方面，行業(yè)內(nèi)存在PP/PET/PI之爭，三種基材各有優(yōu)勢，且應(yīng)用場景不同，由于PI基膜成本較高，未來或出現(xiàn)PP/PET二者并存于市場的格局。兩種產(chǎn)品近年迭代均有加速——PET基膜產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度較快，目前為行業(yè)內(nèi)主流路線。國內(nèi)主要PET生產(chǎn)廠商雙星新材、康輝新材等均具備量產(chǎn)能力，萬順新材、雙星新材已獲得PET復(fù)合銅箔訂單。PP基膜進(jìn)展較之前有較大突破，處于送樣測試過程中。寶明科技突破PP銅箔技術(shù)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；萬順新材和勝利精密緊跟其后，持續(xù)推進(jìn)，其進(jìn)展情況為制造工藝端的焦點(diǎn)。
靶材方面，國產(chǎn)市占率不斷提高，阿石創(chuàng)等企業(yè)領(lǐng)跑。全球市場先前為日、美企業(yè)所壟斷，產(chǎn)業(yè)集中度較高，國內(nèi)企業(yè)市占率較低。“近年來，國內(nèi)廠商紛紛入局，快速發(fā)展，不斷突破關(guān)鍵技術(shù)壁壘，并擴(kuò)大產(chǎn)能，國產(chǎn)替代進(jìn)程加速，可供應(yīng)復(fù)合集流體銅靶材的國產(chǎn)龍頭制造商主要為阿石創(chuàng)、江豐電子和有研新材。”吳輝介紹。
電鍍化學(xué)品方面，光華科技主要供應(yīng)水電鍍環(huán)節(jié)，三孚新科主要供應(yīng)化學(xué)鍍環(huán)節(jié)。光華科技主要為PVD工藝的水電鍍環(huán)節(jié)供應(yīng)電鍍液，其為PET復(fù)合銅箔領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多可提供全套化學(xué)品解決方案的供應(yīng)商，產(chǎn)品包括硫酸銅溶液、氧化銅等。
三孚新科主要布局化學(xué)銅鍍液，配合復(fù)合銅箔專用化學(xué)品開展一步式全濕法復(fù)合銅箔電鍍設(shè)備業(yè)務(wù)，提供專用配套的生產(chǎn)設(shè)備，通過“藥水+設(shè)備”的方式為下游客戶提供復(fù)合銅箔制造的一站式技術(shù)解決方案，公司同時也供應(yīng)銅電鍍的電鍍添加劑。
“復(fù)合集流體的商業(yè)化仍處于導(dǎo)入驗(yàn)證階段，復(fù)合集流體參與企業(yè)逐步增加，整個行業(yè)處于驗(yàn)證小批量試產(chǎn)階段。”吳輝總結(jié)道，動力電池方面，一些領(lǐng)先企業(yè)的高端車型率先嘗試復(fù)合集流體作為集流體材料。2023年4月，吉利極氪推出的009車型所搭載的寧德時代麒麟電池中已使用了復(fù)合鋁箔集流體；同年6月發(fā)布的極氪001長續(xù)航版也采用了復(fù)合鋁箔。國內(nèi)動力電池龍頭寧德時代早在2017年就開始布局該技術(shù)，其供應(yīng)商深圳金美新材料的鋁復(fù)合集流體產(chǎn)品曾于2018年裝載在法國標(biāo)致的電動車上約3萬輛，驗(yàn)證了技術(shù)可行性。2023年末，賽力斯與華為合作的問界M9車型也應(yīng)用了復(fù)合鋁箔集流體。此外，廣汽埃安于2023年3月發(fā)布了彈匣電池2.0，宣稱采用復(fù)合集流體材料并通過了軍標(biāo)級別的槍擊安全測試，計劃率先搭載于埃安旗下高端跑車品牌昊鉑系列。以上項(xiàng)目標(biāo)志著復(fù)合集流體已從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵻囇b機(jī)驗(yàn)證階段，特別是在高端新能源汽車上實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模上車應(yīng)用。
消費(fèi)電子方面，復(fù)合集流體的商業(yè)化亦在嘗試起步。早在2021年，手機(jī)廠商OPPO推出“三明治”結(jié)構(gòu)的安全電池方案，利用復(fù)合集流體取代傳統(tǒng)鋁箔集流體，在容量衰減方面表現(xiàn)出色——循環(huán)1500次后電池仍能保持80%的初始容量。這表明在3C電池中引入復(fù)合集流體有望提升能量密度和循環(huán)壽命。目前多家復(fù)合集流體材料廠商已向筆記本、電動工具等消費(fèi)電池領(lǐng)域客戶送樣測試。
此外，近年來，安邁特、納力科技、金美新材、可川科技、元琛科技、璞泰來、寶明科技、諾德股份、萬順新材、雙星新材、英聯(lián)股份等公司均在復(fù)合集流體領(lǐng)域有所布局。
今年11月，在第12屆中國（蘇州）電池新能源產(chǎn)業(yè)國際高峰論壇上，諾德股份總經(jīng)理陳郁弼也提到，從負(fù)極集流體銅箔行業(yè)看，從2023年第四季度到去年整個行業(yè)幾乎處于虧損狀態(tài)，到今年行業(yè)開始復(fù)蘇，而到目前整個鋰電銅箔行業(yè)處于爆單狀態(tài)。未來幾年，銅箔技術(shù)迭代方面將會有很多驚喜的地方，行業(yè)有望迎來發(fā)展的春天。
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