经济性和安全性占优,复合铜箔有望取代传统铜箔
集流体作为电池的重要组成部分,是实现电池化学能转化为电能并对外输出的关键要素,集流体并不贡献实际的电池容量,并且其质量约占锂电池总质量的 12%,成本约占锂电池总成本的 8%。因此锂电池集流体重量及厚度的减小,不仅有利于提升电池活性物质的体积,从而提升电池的能量密度,而且有利于降低集流体的原材料成本。
越薄的锂电集流体其抗张能力和抗压变形能力越低,箔面出现断裂或裂缝的可能性较大,从而容易引发热失控。同时,传统集流体在受外力碰撞时容易产生毛刺,进而引发短路等安全隐患,因此兼具安全性等优势的复合集流体有望成为未来的发展趋势。
传统箔材与复合箔材的对比
属性对比 | 传统箔材 | 复合箔材 |
常见箔材 | 传统铝箔、传统铜箔 | PET 复合箔材、PP 复合箔材、PI 复合箔材 |
原材料 | 铝材、铜材 | 金属靶材、基膜材料、粘结剂 |
制作工艺 | 辊压(传统铝箔)、电解法和延压法(传统铜箔) | 核心工序:蒸镀、水电镀 |
优势 | 金属含量高、电阻小、导热性好;制作工艺成熟,适合规模化量产 | 材料成本低;安全性较好:重量轻,可以提升电池能量密度;环境友好;寿命长 |
劣势 | 作为电池材料时安全性较差;单位面积重量较高;材料较厚会增加电池成本、影响电池能量密度,较薄会增加电池短路风险 | 内阻较高,影响电池快充性能;工艺复杂,量产优势低 |
资料来源:公开资料整理
根据观研报告网发布的《中国复合铜箔行业发展趋势研究与未来投资预测报告(2023-2030年)》显示,复合铜箔是指以高分子材料为中间层,两边分别以金属铜为镀层的薄膜材料。目前复合铜箔中间层的主要路线包括 PET、PP、PI 三种,不同的高分子材料由于具有不同的各项性能,因此其下游应用场景也具有差异。
PET 综合性能最好,但不耐酸碱易溶于电解液;PP 密度低,集流体减重上限更高,对电池能量密度提升明显;PI 性能最优,但成本较高。具体来说,PET 材料具有较强的韧性和较好的热性能及电绝缘性,常用于制作热收缩膜、抗静电膜、高光亮膜、反光膜、化学涂布膜等材料;PP 材料的突出优势在于其化学性能稳定,通常用于制作各种化工管道及其配件;PI 材料性能突出,具有极强的耐热性、电绝缘性和优良的机械性能,但成本较高,主要应用于航空、航海、宇宙飞船、火箭导弹、原子能、电子电器工业等各个领域。
复合铜箔三种路线区别
PI(聚酰亚胺) | PP(聚丙烯) | PET(聚对苯二甲酸乙二酯) | |
稳定性 | 极好 | 一般 | 好 |
力学性能 | 极好 | 一般 | 好 |
使用温度 | -269~280℃ | -15~100℃ | -60~120℃ |
成本 | 很高 | 低 | 一般 |
应用 | 目前性能最好的薄膜绝缘材料,也是耐热性最好的品种。应用于航空、航海、宇宙飞船、火箭导弹、原子能、电子电器工业等领域。 | 用于印刷、热封膜、食品级镀铝热封膜、高透明胶带、纸类复合的高透明膜 | 化学涂布膜可应用于印刷行业;PET 高光亮膜可应用于高档真空镀铝产品和激光防伪基膜;PET 反光膜可应用于反光广告牌、交通反光标识和工业安全标志等 |
资料来源:公开资料整理
在传统锂电铜箔中,直接材料成本占锂电铜箔总成本的比例较大,达83%,因此传统锂电铜箔的总成本对阴极铜价格变动的敏感性较高。近年来,锂电铜箔趋于极薄化,即通过压缩体积的方式提升电池的能量密度,为轻薄的 PET铜箔带来了机遇。目前 PET 铜箔处于产业化阶段,其生产工序中所需设备成本较高,在总成本中占据较大的比例。由于 PET 价格远低于阴极铜价格,随着设备良率提升,在 PET 铜箔实现量产后,将具备成本优势。据测算在当前技术条件下,PET铜箔相对于传统铜箔能够降低 65%的原材料成本。
资料来源:观研天下数据中心整理
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在整个锂电池成本当中,铜箔的成本占比也是相对较高的。
资料来源:公开资料整理
动力电池的安全性能是新能源汽车产业可持续发展的基石,在电池材料高镍化大趋势下,安全焦虑仍然是绕不过去的头号难关。在引发电池热失控的各类诱因中,电池内短路是共性环节,且内短路的发生具有很高的隐蔽性。如何攻克电池内短路是世界性难题。
由于主流材料各项属性之间的关系很难平衡,安全性、能量密度、循环寿命在理论上形成了不可能三角。由此限制了电池内短路的防护路径选择空间,也提升了热管控的实现难度与成本。因此,任何有望打破不可能三角的材料/结构新技术路线都会成为学术界、业界和资本方关注的焦点。
普通集流体材料穿刺时会产生大尺寸毛刺,造成内短路,引起热失控,而热失控则是新能源汽车电池爆炸起火的直接因素。传统技术仅对内短路起到延缓作用,而且以牺牲电池能量密度为代价。复合集流体中间的高分子基材具有阻燃特性,其金属导电层较薄,短路时会如保险丝般熔断,在热失控前快速融化,电池损坏仅局限于刺穿位点形成“点断路”。复合集流体产生的毛刺尺寸小,叠加高分子材料层受热发生的断路效应,短时间内可大大降低短路电流,也可有效防止锂枝晶穿透隔膜引发的热失控。
导入复合铜箔替代传统锂电铜箔,被业内认为是当前解决动力电池安全问题的有效路径之一。
与此同时,随着动力电池市场需求持续增长和产能大规模扩充,动力电池企业在近一步降成本和提升产品竞争力方面的需求急迫,而复合集流体的性能优势正与电池企业的诉求完美契合。由于PET高分子材料的电绝缘性、抗蠕变性,耐疲劳性,耐热性等性能优异,当前成为锂电复合集流体的主流选择。
复合铜箔群雄逐鹿,2023年开启商业化元年
复合铜箔行业目前进入玩家较多,行业呈现群雄逐鹿态势。产业链上,1)上游为原材料及设备厂商,主要包括高分子基膜材料厂商,靶材厂商,真空镀膜设备、水电镀设备厂商。2)中游为铜箔制造环节,新老企业积极入局,除去自主研发厂商外还包括:①上游材料厂、设备厂纵向切入;②下游电池厂卡位赛道,集成铜箔生产、焊接及电池制造;③传统铜箔厂商凭借镀铜技术先发优势顺势布局;④光电薄膜、电磁屏蔽膜及其他功能性薄膜厂商依靠技术同源优势积极扩充产品矩阵。3)下游主要为电池应用环节,主要应用于锂电池,包括动力、储能和消费电池厂商。
复合铜箔产业链结构
资料来源:公开资料整理
从发展进程来看,复合铜箔的发展尚处于行业生命周期的成长期阶段,且是成长早期阶段,2023年有望成为复合铜箔商业化元年,此前已有多方企业布局。
国内复合铜箔产业链主要企业相关领域布局
企业 | 布局进展 |
重庆金美 | 主打产品为多功能复合集流体铝箔(MA)和多功能复合集流体铜箔(MC),项目2022年开始量产,完全达产后年 MC 产能为 2.95 亿平方米 |
宝明科技 | 2022 年 7 月,发布公告称拟在赣州投资建设锂电池复合铜箔生产基地,主要生产锂电池复合铜箔。项目总计划投资 60 亿元,分两期建设,一期拟投资 11.5 亿元,建设期为 12 个月;二期拟投资 48.5亿元,建设期根据一期项目建设投产和运行情况确定。一起项目达产后年产约 1.4-1.8 亿平米锂电复合铜箔(相当于 6 微米电解铜箔约 1 万吨)。PET 复合铜箔产品生产良率约 80% |
双星新材 | 2020 年着手 PET 铜箔项目立项,2021 年开始开发。公司在 4.5um 基材的基础上自主完成原料、母带(磁控溅射)、水电镀等工序。目前项目进展顺利,已送往客户进行评价认证,先期规划 5 千万平方米,远期规划 5 亿平方米产能 |
中一科技 | 对外投资设立全资子公司武汉中一,主要从事复合材料研究、开发、生产和销售等业务,先期计划建设 500 万平方米生产线 |
诺德股份 | 旗下拥有四大电解铜箔生产基地,是锂电铜箔龙头供应商。极薄化 3.5 微米铜箔产品已具备量产供应,同时在复合铜箔、复合铝箔也已实现中试线量产并给下游客户送样测试。拟 2.49 亿元入股铜箔设备供应商道森股份,双方将在铜箔设备技术研发、3 微米等极薄铜箔产品和复合铜箔产品的技术研发、设备技术改造等领域合作。产品目前小批量送样,按客户需求适时布局中试线和量产线 |
万顺新材 | 载体铜模项目正在配合下游电池进行产品优化。已开展“在有机载体薄膜上镀双面铜箔公益项目”。已开发处应用于电池负极的载体铜模样品,可提升能量密度,提升安全性,已送下游电池企业验证 |
嘉元科技 | 前期已开展复合铜箔立项研发,并取得一定的科技成果,目前已有计划购置中试生产设备,以进一步开展研究 |
万邦股份 | 在 PET 复合铜箔领域进行了研发布局,但尚处于早期阶段,未进行产品送样、认证 |
阿石创 | 正在研发测试锂电池复合集流体,复合铜箔项目现已完成与设备厂商的技术交流环节,下一步将进入设备选型阶段。复合铜箔是公司在研项目之一,公司将加快中试线建设 |
胜利精密 | 拟以公司全资子公司安徽飞拓新材料科技有限公司为投资单位,计划总投资 56 亿元,分二期投资,项目一期投资而约 8.5 亿元,拟投资建设 15 条高性能复合铜箔生产线、2 条 3A 光学膜生产线,项目二期投资额约 47.5 亿元,拟投资建设 100 条高性能复合铜箔现金技术生产线 |
资料来源:公司公告
兼容锂电、钠电、固态电池,复合铜箔成长空间巨大
2022 年,全球锂离子电池总体出货量 957.7GWh,同比增长70.3%。未来十年,锂离子电池仍然是新能源汽车和储能领域的主要电池技术路线。
2022 年中国企业得益于汽车动力电池(EV LIB)和储能电池(ESS LIB)出货量的大幅度增长,其总体锂离子电池出货量的全球占比进一步提升。在锂电池大规模扩产和产品性能提升的背景下,复合铜箔有望凭借其高安全、低成本、兼容性强等性能优势在新能源领域打开广阔的市场增长空间。
复合铜箔兼容性较好,能够匹配锂离子电池、钠离子电池、固态电池等。采用复合铜箔不会影响电池内部的电化学反应,复合铜箔可以应用于不同规格、不同电化学体系的电池体系,具有较强的兼容性。数据显示,预测到 2030 年钠离子电池的实际出货量将达到 347.0GWh,届时最大的应用领域将是储能。相比于2023年,增长空间达到百倍。
资料来源:观研天下数据中心整理
预计到2030年,全球复合铜箔市场规模将达到129.15亿美元。
资料来源:GGII,EVTANK,观研天下数据中心整理(YM)
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