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PVD真空镀膜设备厂商汇成真空赋能动力电池正负极材料产业化

2022-09-14

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      2021年,多功能复合集流体技术启动产业化进程。
      宁德时代首创的四维优势动力电池革新技术以其“高安全、高比能、长寿命、强兼容”的特点引发讨论,代表了多功能复合集流体技术在动力电池场景的下的应用逻辑。
      而此种技术,也早就延伸到了3C领域。如OPPO便在去年7月发布了“夹心式安全电池”,采用的是具备五层安全结构的复合集流体。
      以上两个案例都基于一种叫“三明治”的复合集流体创新结构。
      自动力电池迈入产业化发展的阶段起,安全性与能量密度之间的博弈就持续存在。二者难以兼顾的问题甚至成为了动力电池行业的“阿克琉斯之踵”。
      一直以来,不论是结构创新还是材料创新,要突破的关键点都是安全性与能量密度的平衡问题。

      近两年来,电池热失控导致的爆炸自燃,引发了大众对新能源汽车的安全焦虑。因此可以兼顾电池性能与安全性的“三明治”式复合集流体,成为动力电池领域的技术焦点。


复合铝/铜箔卷绕真空镀膜机


高工锂电了解到,目前代表性的正负极集流体材料复合铝/铜箔,便采用了“三明治”结构:以PET等高分子材质作为基础材料,上下两面采用先进工艺沉积金属铝/铜层而制成。这种复合箔具备四大优势:
1.高能量密度:高分子有机材料密度更低,可将复合集流体的重量降低50%-80%。相对应地,可提升5-10%的电池能量密度。
2.高安全性:复合铝/铜箔所具备的“绝缘基材+轻薄导电层”结构,已通过针刺实验。在电池内短路时,可通过熔断、绝缘材料提供较大电阻,短时间内切断或降低短路电流;电池循环寿命可提升5%。
3.低成本:与传统铝/铜箔相比,复合箔的铝/铜厚度减少了66.7%,并且随着规模化生产成本有望进一步降低。
4.复合箔对铝/铜材价格敏感度更低,原材料成本占比约40%-50%,明显低于传统电解铝/铜箔的78%。
      高工锂电获悉,国内早期从事复合集流体产品研发的厂商广东汇成真空科技股份有限公司是一家研发、生产和销售真空镀膜设备、光学镀膜设备、卷绕镀膜设备、连续式磁控溅射镀膜设备、半导体PVD设备等真空应用解决方案的国家高新技术企业。
      经过多年技术发展和经验积累,广东汇成真空具备了完整的真空镀膜设备研发、制造能力以及镀膜工艺开发能力,开发出实现在炉内一次走帶完成在柔性基底双面制备高质量强结合力的金属膜层PVD镀膜设备。实现在2.0-4.5微米厚、宽幅600-1700MM的PET等塑料薄膜表面一次完成双面镀铜膜,“金属铜-高分子支撑层-金属铜”三明治结构,高产能批量化生产,设备镀膜走速0.5-30m/min。
      超薄复合铝箔PVD镀膜设备,配备高精度卷绕系统,优化卷绕路径,一次完成双面镀铝膜工艺,低张力控制,基材特殊展平效果。采用双排、顶夹、多组蒸发等技术灵活组合,镀膜辊专利冷却技术和低温处理工艺,优化蒸发单元结构布局、密集大量蒸发,保障幅宽方向均匀性高,蒸发工艺和基材线速稳定,保障传输方向均匀性高,攻克大规模快速蒸发沉积厚铝膜难关,实现高产能批量化生产。

2021年8月,广东汇成真空被国家工信部授予第三批“专精特新‘小巨人’”企业称号。
      由于PET等高分子材料的结晶度大、极性小、表面能低,会影响镀层与基材之间的黏合力,且高分子材料大多为不导电的绝缘体,因此无法直接进行电镀,需要先对高分子材料进行表面处理、活化等,使其表面沉积一层导电的金属膜,再进行电镀。
      此环节的关键在于应用磁控溅射工艺使高分子材料“金属化”。具体来说,多以纯度为99.999%的铜作为靶材,在PET基膜上进行真空纳米级涂层,通过一次或多次轰击铜靶材,使其沉积在PET基膜表面,溅射形成厚度约为20nm-70nm的金属铜膜。

      但磁控溅射环节也常面临铜膜与聚合物基体的结合力差、铜膜针孔率高等问题,而且由于常规磁控溅射技术的沉积速度慢,造成了产能瓶颈。



而广东汇成真空的PVD镀膜设备,与常规的磁控溅射技术相比,具备多个工艺优势:
      设计界面互穿网络结构,提高柔性基底与金属层结合强度,避免外部挤压碰撞带来的铜层大面积脱落,降低电池内部短路概率及短路热量,提高电池安全性能。
      提高柔性基底与金属层的界面结合强度,避免电池充放电过程中负极材料体积变化导致的铜膜剥落,保持复合铜箔界面长期完整性,降低安全隐患。
      调控镀膜基材卷绕过程中的恒张力;发展多电机恒速度恒张力走膜卷绕传动系统设计和智能控制技术,避免薄膜拉伸变形,提高良品率。
      高能量低密度氩离子+低能量高电离度金属离子技术,通过降低沉积温度、提高铜膜结晶性,提高导电性能,加快磁控溅射的节拍,显著提高产能。
      低能量高电离度金属离子沉积致密+高能量低密度氩离子刻蚀致密,降低箔材穿孔风险。
高能量低密度氩离子粗化导电集流体表面,使导电集流体与活性物质充分接触,降低电池内阻。
      概括来说,广东汇成真空镀膜设备生产的复合铝/铜箔,通过铝/铜膜与PET/PP高结合以保障电池安全性的同时,大大提升了电池的导电性能与生产节拍。
      从市场前景来看,目前包括诺德股份、德福科技、金美新材料在内的复合箔材料企业,都在持续加大复合箔的研发力度。
      受益于行业增长需求,到2025年国内复合铝/铜箔设备市场有望达130亿元规模。早期布局的设备龙头有望凭借先发优势持续受益。 
      可以预见的是,以广东汇成真空为代表的领先设备厂商,将推动复合铝/铜箔在材料结构层面的变革,助力复合铝/铜箔在主流电池企业和车企中的渗透率进一步提升,并为锂电池行业升级带来福音。