复合集流体优势及加工工艺有哪些？

复合集流体性价双优，产业升级趋势开启。

集流体是用于汇集电流的结构，在锂电中用于汇集正极与负极产生的电流。铜铝 箔导电性好、质地软、价格便宜，因此被选做集流体材料。因为正极电位高，铜 箔在正极容易被氧化，而铝氧化电位高，表层有致密的氧化层可以起到保护作用， 因此锂电池集流体负极采用铜箔，正极采用铝箔。

集流体材料在锂电中成本质量占比高，同时是影响电池成本性能的关键材料。以 传统集流体铜箔铝箔为例，其质量在整个电池中占比 18%，成本占比 13%，仅次 于四大主材中正极材料和负极材料，与电解液相当，对电池的成本与能量密度起 着关键影响。高电导率、高稳定性、结合性强、成本低廉及柔韧轻薄是电池厂商 对集流体的核心诉求，因此集流体材料的厚度、纯度、表面致密程度、韧性等方 面要求较高。

锂电中常见的复合集流体包括复合铜箔/铝箔，是极具潜力的新型锂电集流体材料。 铜/铝箔的机械强度与厚度要求存在天然矛盾，同时减薄加工环节会进一步增加其 成本，因此复合铜/铝箔成为集流体轻薄化的新方案。复合集流体中间层的高分子 材料两面镀上金属箔组成，呈现出“金属箔-基材（如 PET/PP 树脂）-金属箔”的 三明治结构，具有高安全、低成本、长寿命、强兼容等突出优势，终端锂电厂商 正在积极尝试引入复合集流体替代传统集流体，产业链各环节也在就大规模量产 方案进行积极尝试。

相比传统铜箔/铝箔，复合铜/铝箔的主要优势在于成本、安全性、能量密度等方面。 成本：由于复合集流体采用 PET 树脂等价格更低密度更小的材料作为夹层，因此 整体材料成本有所下降。我们以 6um 传统铜箔为例，1+4.5+1um 的铜-PET-铜复合 结构可实现等效替换，整体材料成本折合 1.23 元/m2，较传统铜箔下降 65%，同 理复合铝箔比等效传统铝箔成本下降 65%，材料端成本下降显著。

设备降本空间大，复合集流体成本优势有望逐步体现。当前由于规模受限、工艺 成熟度尚未达到理想水平，因此复合集流体成本仍较高。相比于传统铜箔而言， 当前复合铜箔设备成本占比达到 50%，材料成本占比仅 31%。后续随着下游终端 积极认证、技术路线成熟、上游设备厂积极布局，复合集流体成本优势有望得到 充分体现。

安全性：复合集流体相比传统集流体穿刺影响更小，可避免内短路。传统集流体 相对较厚，意外穿刺后毛刺明显，刺穿隔膜等会导致正负极直连短路，引发热失 控进一步引发新能源电池爆炸起火风险。复合集流体金属层更薄，穿刺后毛刺尺 寸较小，且高分子材料层会发生断路效应，不易刺破隔膜短路，规避了穿刺损伤 下电池潜在的热失控风险。锂离子过载在负极表面生成锂枝晶导致的穿刺问题也 能够能到有效防控。

能量密度：高分子材料密度小，替换金属箔降低整体质量。根据 GGII 数据，集流 体在锂电中质量占比约 18%，仅次于四大主材中的正负极材料，在使用复合集流 体材料后，由于夹层高分子材料相比铜铝等金属密度更小，因此等效厚度下单平 米质量更小。在前文成本测算过程中所采用的假设前提下，复合铜/铝箔相比传统 铜铝箔单位面积质量分别下降 53%/43%，间接影响能量密度提升 7%/2%。

此外，复合集流体还可将电池寿命提升 5%，并广泛地兼容锂电池、固态电池、钠 离子电池等不同的电池体系。 复合集流体当前在性能与生产上存在一定挑战。从性能角度来看，复合集流体金 属层更薄，内阻更大，会降低电池的充放电效率；从生产角度来看，复合集流体 生产工艺更为复杂，镀层更容易有缺陷，良率较低，且当前尚未大规模量产，实 际成本仍较高。

复合集流体的制造过程主要是在高分子材料层上镀上一层薄薄的金属层，其工艺 可以分为两步法（磁控溅射+水电镀）与三步法（磁控溅射+蒸镀+水电镀）。传统 铜/铝箔往往采用电解法与压延法进行生产，其中铜箔生产的电解法主要是通过电 解铜离子在阴极表面生成薄铜，再经过剥离后得到铜箔，而复合集流体相较于传 统集流体工艺难度有所增加。

两步法：磁控溅射+水电镀。磁控溅射：以金美的环评报告披露复合铜箔工艺流程为例，磁控溅射又可细分为 磁控溅射激活和磁控溅射镀铜两个工艺流程。 磁控溅射激活：采用 4.5um 厚度的 PET 作为基膜，在真空磁控溅射设备中进行镀 膜。通过 PVD 方式，在真空中通入纯净的氩气。电子在真空条件下，在飞跃过程 中与氲原子发生碰撞，使其电离产生出 Ar 正离子和新的电子;受磁控溅射靶材背 部磁场的约束，大多数电子被约束在磁场周围，Ar 离子在电场作用下加速飞向阴 极靶，并以高能量轰击 Cu 合金靶表面，使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的 靶原子或部分离子沉积在基膜上形成薄膜，厚度一般为 5-20nm，这样在膜面上形 成的铜堆积层的导电性一般为 1000-3000Ω左右。 磁控溅射镀膜：以激活工艺后的材料作为基膜，在真空磁控溅射设备中进行镀膜。 剩余流程和前述激活工艺相同，经过磁控溅射镀膜工艺后，铜薄膜厚度一般为 10- 40nm，这样在膜面上形成的铜镀层的导电性一般为 10-20Ω。

水电镀：以金美的环评报告披露复合铜箔工艺流程为例，绝大部分产品要先后经 过碱性离子置换与酸性离子置换两道工艺。 碱性离子置换：以磁控溅射工艺过后的物料作为基膜，此时膜面的导电性一般为 10-20Ω，满足进行离子置换的条件。置换药剂主要为焦磷酸铜 (60~70g/L)、焦磷 酸钾(280~300g/L)、柠檬酸(20~23g/L)，药剂呈碱性。采用无氧铜作为阳极，放置 于钛蓝制作的阳极袋中，然后整个阳极袋都浸入药剂槽中（用于补充铜离子），膜 面金属层为阴极，膜面在穿过药剂槽液下辊之间穿行，膜面侵入在药剂中，发生 反应。在膜面上得到电子后，在膜面上形成铜层，膜面上形成的铜堆积层厚度为 100nm，此时的膜面导电性一般为 500mΩ。 酸性离子置换：以碱性离子置换后的物料作为基膜，以酸性溶液作为药剂，最终 在膜面上形成的铜堆积层厚度为 900nm，此时的膜面导电性一般为 20mΩ。

磁控溅射镀膜与水电镀两道工艺均是为了在高分子材料表面镀上薄铜层，出于效 率与成本考虑采用了两步法。磁控溅射真空镀膜的优势在于稳定性好、均匀度好、 膜层致密、结合力好。但磁控溅射对金属材料纯度要求较高，加工过程需要高纯 氩气等特种气体，单位面积加工成本高于电镀。另外，磁控溅射单次镀膜厚度为 纳米级，若要达到微米级铜厚则需要多次溅射，相对效率低于电镀工艺。而 PET 等高分子材料与镀层结合力差且不导电，因此无法直接电镀，需要先进行活化， 沉积一层薄金属层，才能进行化学电镀。

三步法：在两步法的磁控溅射与水电镀工艺中间增加真空蒸镀工艺。真空蒸镀：使用前一步工艺得到的物料为基膜，使用物理气相沉积方式。真空设 备中将金属高温加热气化，气态金属原子沉积到基体表面，形成具备特殊性能的 金属薄膜，厚度和导电性都有较大提升。 真空蒸镀主要是为了提升磁控溅射后高分子层表面金属薄膜的厚度与均匀性，对 后续水电镀工艺有提升效率的作用，若第一道磁控溅射工序已可较好地满足水电 镀的前置准备需求，则蒸镀工艺并非必须。