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復合銅箔性能優(yōu)勢明顯，銅價高位再論產(chǎn)業(yè)化邏輯
思瀚 財信    2024-10-19

復合銅箔，是指將塑料薄膜（PET 等）表面鍍銅形成三明治結構復合材料，用來替代傳統(tǒng)鋰電銅箔，作為鋰電池的負極集流體，同樣地，復合鋁箔則是塑料薄膜表面鍍鋁形成的復合材料，作為鋰電池的正極集流體。

復合銅箔使用三明治結構：以 PET/PP/PI等高分子材質(zhì)作為基材，上下兩面采用鍍膜工藝沉積金屬銅層而制成。一般來說用作基膜的 PET 或 PP 塑料薄膜，也可以使用 PP 薄膜。不過由于目前 PI 材料價格過高，當前進入產(chǎn)業(yè)化流程的主要是使用 PET 薄膜和 PP 薄膜的復合銅箔，且 PI 材料在試驗階段表現(xiàn)較差，因此 PI 材料作為基材的未來前景并不明朗。

復合銅箔在能量密度、安全性和成本方面相較于傳統(tǒng)鋰電銅箔均有優(yōu)勢，但由于導電金屬材料用量較少，根據(jù)內(nèi)阻理論，導致同電流通過帶來的發(fā)熱和內(nèi)阻成倍增加。

從材料價格來看，復合銅箔的降本效果明顯高于復合鋁箔。短期來看，現(xiàn)貨銅價近期在 7.2-7.8 萬元/噸高位震蕩，過去四個月銅價一度高至 8.74 萬元/噸，電解銅周價格也與銅價趨同。而用作復合集流體的 PP 和 PET 材料價格常年穩(wěn)定，且遠低于銅價。而鋁價雖然也有上漲，但幅度較低，且與復合材料價格相差較少，因此復合銅箔能有效應對下游降本需求，而復合鋁箔在成本方面優(yōu)勢并沒有如此顯著。

基于各類試驗和材料屬性本身的考慮，PP 目前為復合集流體主要基膜材料。在復合集流體概念被提出時，基材和銅層的結合力成為了首要考量的因素，因為這決定著是否能夠順利生產(chǎn)出首批產(chǎn)品，因此當時大多選擇膜層附著力強的 PET 作為基膜材料。

但后續(xù)證實了在鋰電池中應用 PET 材料存在潛在風險（通電場景下和電解液中的溶劑反應導致 PET 分解，且容易發(fā)生可逆自放電），通過篩選其他聚合物，發(fā)現(xiàn)以聚丙烯為基礎的PP 膜在電解液中穩(wěn)定，用 PP 基膜替代 PET 基膜幾乎可以消除電池的可逆自放電。但 PP基膜由于膜層附著力較差，需要更好的工藝和更長的時間來獲得質(zhì)量過關的產(chǎn)品，導致復合銅箔產(chǎn)業(yè)化進度放緩。

1、能量密度方面

復合銅箔能有效降低集流體重量。傳統(tǒng)鋰電銅箔趨于極薄化，即通過壓縮體積的方式來降低重量并提升電池的能量密度，為材料輕薄的 PET 復合銅箔帶來了機遇。目前復合銅箔產(chǎn)業(yè)化處于早期階段，復合銅箔的結構一般為中間 4.5 微米的塑料膜材料，正反兩面各有 1 微米的銅鍍層，總厚度 6.5 微米。從重量來看，作為基材的 PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）/PP（聚丙烯）/PI（聚酰亞胺）等高分子材料的密度遠低于金屬銅，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，即使復能量密度方面復合銅箔能有效降低集流體重量。

傳統(tǒng)鋰電銅箔趨于極薄化，即通過壓縮體積的方式來降低重量并提升電池的能量密度，為材料輕薄的 PET 復合銅箔帶來了機遇。目前復合銅箔產(chǎn)業(yè)化處于早期階段，復合銅箔的結構一般為中間 4.5 微米的塑料膜材料，正反兩面各有 1 微米的銅鍍層，總厚度 6.5 微米。

從重量來看，作為基材的 PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）/PP（聚丙烯）/PI（聚酰亞胺）等高分子材料的密度遠低于金屬銅，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，即使復合銅箔的整體厚度與傳統(tǒng)銅箔相當甚至高出一些，也能顯著降低集流體重量。復合銅箔替代傳統(tǒng)鋰電銅箔能使電芯能量密度提升 6.5%以上。

如果使用上述采用 4.5+1+1 結構的 6.5 微米的復合銅箔替代原有 6 微米鋰電銅箔，如果使用PET 和 PI 基材則可降低負極集流體質(zhì)量約 55%，如果使用 PP 基材可降低負極集流體質(zhì)量約 59%。假設 6 微米鋰電銅箔占據(jù)電芯質(zhì)量 11%，則采用復合銅箔可使電芯整體質(zhì)量下降 6.1-6.5%，電芯質(zhì)量能量密度可提高約 6.5-7.0%。

2、安全性方面

電池熱失控會嚴重影響電動汽車的安全系數(shù)。2021 年度，全國發(fā)生電動汽車火災事故 3000 余起，是影響電動汽車安全性的最大因素。鋰電池純電動汽車在熱失控后會釋放出大量熱量，短時間內(nèi)造成短路引發(fā)起火，且電池內(nèi)部的起火會引發(fā)連鎖反應，進而壓縮車內(nèi)人員的逃生時間，嚴重危害人身安全。

此外，鋰電池的起火具有很大危險性，起火后產(chǎn)生大量熱量，需要大量的水降溫，并且干粉滅火器即使撲滅了明火，并不能降低鋰電池內(nèi)部的溫度，內(nèi)部的化學反應也仍在繼續(xù)，在熱量積蓄之后，很容易復燃，甚至爆炸鋰電池受破壞后仍然具有復燃危險。

熱失控可能由機械濫用，電濫用和熱濫用誘發(fā)。機械濫用（外力擠壓或針刺）導致電池的發(fā)生變形，而電池的變形導致內(nèi)短路的發(fā)生，即導致了電濫用的發(fā)生。電濫用（過度充電或過度放電）導致焦耳熱以及化學反應熱的產(chǎn)生，從而形成枝晶并穿刺隔膜，即電池的熱濫用。而熱濫用則是因為各種原因造成溫度的升高，引發(fā)鋰離子電池熱失控鏈式反應，最終導致熱失控發(fā)生。

傳統(tǒng)鋰電銅箔在穿刺后會引起熱失控。傳統(tǒng)銅箔在受到應力時容易形成穿刺，且穿刺時會產(chǎn)生較大尺寸的毛刺，毛刺方向也不可控，毛刺會刺穿隔膜從而引發(fā)電池內(nèi)短路。鋰電池內(nèi)阻相對干電池小很多、直接短路電流形成很大，從而引起燃燒，這也是新能源汽車受到外力擠壓引起電池爆炸起火的直接因素。復合銅箔在穿刺后能夠有效降低電池短路風險。

復合銅箔在受到穿刺時，由于基膜為高分子材料層可有效吸收形變應力，不易斷裂。即使形成短路，1 微米的銅金屬鍍層產(chǎn)生的毛刺尺寸也較小，刺穿隔膜的概率也較低。且高分子材料層是絕緣材料，電阻較大，可大幅降低短路電流。同時，高分子材料層熔點也相對較低，溫度提升至熔點后，高分子材料層會被熔斷，繼而發(fā)生斷路效應，切斷電路，從而有效控制電池在極端情況下的熱失控風險。根據(jù) Soteria 的實驗，使用復合銅箔的電芯在針刺實驗后不會起火冒煙，且?guī)缀鯖]有電流。

鋰枝晶是鋰電池充放電反應中形成的金屬鋰，會不可逆地造成鋰電池容量和使用壽命的衰減。鋰電池中電離遷移的鋰離子數(shù)量超過石墨負極可嵌入數(shù)量后，鋰離子將在負極表面結晶，即鋰枝晶。鋰枝晶是鋰電池在充電過程中鋰離子還原時形成的樹枝狀金屬鋰，是影響鋰離子電池安全性和穩(wěn)定性的根本問題之一。鋰枝晶的生長會導致鋰離子電池在循環(huán)過程中電極和電解液界面的不穩(wěn)定，破壞生成的固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，鋰枝晶在生長過程中會不斷消耗電解液并導致金屬鋰的不可逆沉積，形成死鋰。

鋰枝晶的形成甚至還會刺穿隔膜導致鋰離子電池內(nèi)部短接，造成電池的熱失控引發(fā)燃燒爆炸。復合銅箔能有效減少鋰枝晶的產(chǎn)生。傳統(tǒng)銅箔由純金屬銅構成，因此柔韌性和延展性較差，導致表面應力分布不均勻，無法控制鋰枝晶的形成。而復合銅箔由于復合材料層的存在，相較于純金屬銅的延展性更好，將產(chǎn)生褶皺緩解鋰枝晶生長帶來的局部應力，使充放電過程中多余的鋰離子在集流體和負極材料表面沉積更加均勻，能有效減少鋰枝晶的出現(xiàn)，從而提升電池安全性。

3、成本方面

相較于傳統(tǒng)銅箔，復合銅箔原材料成本擁有明顯優(yōu)勢。6.5 微米復合銅箔在原材料用料方面主要包含：

①4.5μm 復合材料基材；

②0.06-0.14μm 銅靶材銅鍍層；

③1.86-1.94μm金屬銅鍍層。

由于銅靶材價格高于銅價，消耗銅靶材形成的鍍層我們?nèi)?0.1μm，因此 1.9μm銅鍍層將消耗金屬銅形成。我們做出如下假設：金屬銅單價取 2022 年下半年長江有色市場銅均價，為 6.34 元/噸；銅靶材單價為金屬銅的 2 倍，為 12.68 萬元/噸，且利用率為 100%；PET 基材單價取2022 年下半年國內(nèi) PET 纖維級切片均價，為 0.82 萬元/噸。PP 基膜單價取 2022 年下半年期貨結算均價，為 0.78 萬元/噸。

綜上，在以上假設下對比 4.5+1+1 結構的 6μm 復合銅箔和 4-8μm 的傳統(tǒng)銅箔原材料成本，可得：在復合銅箔良率為 80%時，PET 復合銅箔原材料單位成本為 1.56 元/平方米，PP 復合銅箔原材料單位成本為 1.53 元/平方米；在復合銅箔良率為 90%時，PET 復合銅箔原材料單位成本為 1.38 元/平方米，PP 復合銅箔原材料單位成本為 1.36 元/平方米；在復合銅箔良率為 97%時，PET 復合銅箔原材料單位成本為 1.28 元/平方米，PP 復合銅箔原材料單位成本為 1.26 元/平方米。

而傳統(tǒng)銅箔在良率為 100%的前提下，4μm、4.5μm、6μm、8μm 的鋰電銅箔原材料單位成本分別為 2.27、2.56、3.41、4.54 元/平方米，即使是4μm 的極薄鋰電銅箔，原材料成本也遠高于復合銅箔。

假設供給單 GWh 電池的復合銅箔產(chǎn)能需要 2 臺磁控濺射設備和 3 臺電鍍設備，單臺價格分別為 1400 萬元（磁控濺射設備）和 1000 萬元（水電鍍設備），折舊年限為 8年，5 臺設備所需工人為 10 人，每人每年 10 萬元薪酬，水電費為 0.214 元/平方米，得出不同銅價和良率下復合銅箔的總成本變化。又以 6μm 以及 4.5μm 傳統(tǒng)銅箔為基準計算了其對銅價敏感性測試，最終得出結論，僅有復合銅箔良率小于 70%，且銅價不超過75000 元/噸時，傳統(tǒng) 6μm 銅箔才具備經(jīng)濟性，如對比 4.5μm 銅箔，則復合銅箔良率為80%以上或銅價為 85000 元/噸以上時才具備經(jīng)濟性。

電解銅箔加工費維持低位，導致廠商盈利能力逐步下滑。傳統(tǒng)鋰電銅箔加工費連年走低，自 2022 年 Q2 以來快速下滑，8μm 鋰電銅箔加工費從 3.6-3.85 元/平方米一度下調(diào)至 1.45 元/平方米，目前仍只有 1.55 元/平方米；6μm 鋰電銅箔加工費從 4.6-4.85 元/平方米下調(diào)至 1.6-1.8 元/平方米震蕩。占比較低的 4.5μm 鋰電銅箔加工費也從 7.65-8.15元/平方米下調(diào)至 3 元/平方米左右。在短短 2 年內(nèi)，鋰電銅箔加工費迅速下跌，疊加銅價高位震蕩，對銅箔廠商盈利能力影響巨大。

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