三、腾胜科技 ：真空镀膜装备的国产替代浪潮
朱刚毅 腾胜科技总裁
一、金属集流体主要的痛点三大问题：一个是常用的铜箔6—12μm是主流，铝箔因为延展性的问题，基本上现在还是在12μm以上。主要的问题是几点：
1.重量重，占到整个电池重量的约18%，铜箔密度高，占比达13%，铝箔约占5%。
2.成本高，铜的价格占到电池成本的10%左右，当然磷酸铁锂和三元锂电池略微不同，大约1/10左右。
3.安全性（此为最主要的问题），正负极材料在充放电过程中会有拉伸和收缩反复运动的过程，会带来金属铜箔抗拉强度的降低。另外材料由于工作不断循环，极性容量降低，内阻增加，这就是原因。
—它会产生热量，热量达到一定的程度会出现热失控的情况。
第二个情况是因为电池锂枝晶生长是无解的，锂枝晶生长以后形成锋利的尖端，会存在刺破隔膜的风险，一旦电池正负极产生内短路就会发热。还有一种特殊的是由于外力的作用，比如说电池受到挤压或者是专门做穿刺实验，去刻意将电池造成短路，热失控的难题很难解决。还有外力挤压以后，不管是铜还是铝会产生毛刺，同样也会刺穿隔膜造成短路。
找到这个原因如何解决？
复合集流体实际上就是一种“三明治”结构的材料，中间是有机高分子材料，两边通过特殊工艺制作成金属材料，以传统的材料代替为金属。这种做法对标“三大痛点”就带来了几大优势：
一是金属用量减少，其中一个目的是为了降本，尤其是铜，因为铜价高。如果铜的用量减少成本就降低。
二是金属替换成塑料，整体的坚持重量减轻。这带来了质量的能量密度提升，这也是电池企业所非常关注的问题。
三是电池循环寿命（提升），因为聚合物材料很容易吸收硬力，不像金属，有些是不可逆的。有机材料的塑性比较好，这块它可以很好地保持电机界面长期的完整性，循环寿命更长。
四是解决电池安全性问题，首先采用复合集流体，锂枝晶的生长会减缓，同时改变锂枝晶的生长方式，这使得它不太容易生长和不太容易造成隔膜的刺破。只要正负极不短路，很难形成爆燃，热失控风险没了。另外假如受损但是不产生毛刺，同时它可以包覆你脱落的电极材料，确保即便是产生破坏以后仍然不短路。还有的情况是直接穿刺造成短路，由于热量的形成，瞬间熔断，就把短路变断路，切断了短路的发生。这是非常有效解决了锂电池安全性的难题。
减重的比例，以复合铜箔和传统铜箔来比。目前复合铜箔主流的是4.5μm基材，两边做1μm的铜，对标现在主流的电解铜是6μm，我们对应下来复合铜箔比传统铜箔减重达到了55%。以铝箔来说，我们算12μm，那对标主流的是6μm的PET加2μm的米，我们还是以4.5μm（来比），铝箔减重64%，这也是非常厉害的，而且它还可以减薄，这一意义非常大。
再看看能量密度的比较，传统方案就是铜箔、铝箔的组合方式，如果我们以复合铜箔和传统的铝箔或者是传统的铜箔加复合铝箔，或者是两者正负极集流体都用复合材料，大家可以看到它整个的质量密度的提升，如果两者都用了复合集流体，可以提升13.8%。所以这个也是非常有意义的。
二、复合集流体的制备工艺及装备
（一）PVD技术
来讲讲制备的装备，装备离不开PVD的技术。PVD就是物理气象沉积的简称，包括蒸镀和磁控溅射的技术都在这个范畴，我们就是干这个东西的，干了几十年。
两项技术在复合集流体都有在使用，而且正常使用，这两项技术各有优缺点，工作原理也不一样。蒸镀就是靠加热，熔化材料形成蒸汽挥发成膜。因为真空状态下，所有金属材料溶点降低，同时真空状态下几乎是没有杂质的情况下制作出非常好和纯度非常高的膜层，所以蒸镀是非常有竞争力的。而磁控溅射是在磁场和电场的作用下，通过辉光放电离化气体并由离开自己轰击靶材，建设出分子原子这种颗粒的，形成膜层的方法。
这两个是方法上的不同，原理上也不一样
（1）蒸镀
蒸镀的优点主要是成膜速度快，能够提高效率，这对于我们量产化的产品来说是非常重要的。但是蒸镀也是存在一些不足，因为它能量是比较低的。蒸镀的原子分子的能量是在电子伏特，甚至是零点几电子伏特的范畴。由于它的能量相对弱，形成的膜层致密度差一点，结合强度也差一点。同时蒸镀是靠热量熔化材料形成蒸汽，所以蒸发源产生高温容易对膜造成破坏，尤其是薄的膜受热后容易产生形变。
（2）磁控溅射
磁控是有三种：直流、MF、射频都有应用在不同的工艺里。
这项技术有很大的优势：
首先，它是稳定性非常好，重复性好和均匀性好，非常适合于连续和批量化稳定的长时间工作。
其次，由于它的原子分子的能量高很多，基本上达到1—10个电子伏特，甚至是达到几十个电子伏特，意味着它的能量会比蒸镀或者是水电镀高一个数量级。所以磁控溅射出来作为打底层来说优势非常巨大，能够形成非常好的结合。因为有机金属材料和高分子材料的物性是很大的，这两者不太容易结合好。所以必须要有强有力的方法将两者结合起来，磁控溅射当仁不让，这是非常好的一种工艺。
再是工艺灵活度高，这是什么概念？材料的发展并不是停留在现有水平。未来随着工艺技术的提升，我们可以通过对材料进行改变，通过工艺组合甚至是合金等，可以达到更好的导电或者是工艺的效果，来满足电池厂家的需求。
所以这里面可以做的事情会很多，但是磁控溅射是有缺点，效率比较低。因为比较复杂，投资高一点。
（二）复合铜箔/铝箔制备工艺及挑战
这是很多工艺界和金融界的朋友定义的一代和二代，也可以这样描述。我们从2017年开始研发复合铜箔的真空镀膜设备，配合国内的某厂商开发第一代的装备。
第一代装备2017年底和2018年初使用，当时使用的方法也是朋友们定义的三步法，在我们这里原来没有说法。既然大家都这样说了，那就当三步法。其实意思就是在真空里面有两道工序组成，就是磁控+蒸镀，然后到水电镀三个设备，大家命名为“三步法”。
第二代的工艺是在2020年开发的，就是根据第一代的装备在使用过程中客户的反馈和存在的问题提出来，我们进行开发的。2021年推出这种装备，而且很有幸这种设备的第一台出口，而且设备运行良好至今超过一年。这种工艺简化了，前面只是用磁控溅射，后面是用水电蒸镀，它只需要两套装备，也就是我们现在所说的两步法，这是目前两步法的工艺制成。基膜磁控溅射做打底，然后水电蒸镀形成成品。
对于我们来说，我们推广两款机型，这是根据幅宽来的，第一代设备的幅宽1.6M，现在越来越窄，主要是水电镀装备无法做宽，我们要把设备做窄一点，和技术无关。超过两米没问题，做的基材不管是哪种都能做，然后3—12μm之间，参数不念了，基本上是两款机型。做出来的材料基本上要进行很多参数的检测，包括结合力、外观、（穿孔、皱褶）、表面颜色、电阻。
复合铝箔如何做？
它是真正意义上实现了一步法的。它整个制造过程中是没有所谓的水电镀和化学镀这样的制程，它是全真空制程的。刚才我也讲到了因为它要做到比较厚的膜层，纯磁控溅射效率低，比较好的是蒸镀，蒸镀在比较高的效率下进行。所以镀铝箔我们是采用蒸发，目前量产的材料也是采用这样的方式。当然蒸镀的方式除了传统的电阻蒸发，还有感应和E—beam，这些技术都在发展，我相信未来这些都能应用起来。只不过看哪个技术在产能、良率和成本上更有优势，我觉得蒸镀是非常好的技术。
对应的制程，举例来说非常简单。就用蒸镀设备，像基膜通过单次和多次成膜，形成了一定的厚度，达到大概在40mΩ左右的成品。还有对应的设备也有不同的规格，有一次做单面有一次双面的，有单次完成，也有多次完成的，规格也是2个。
三、挑战与机会
基膜也是一个挑战，如何做好材料不仅仅是装备的问题，基材也很重要。大家讲PET铜箔/铝箔，这个说法都不对，因为这是复合铜箔，没有人说一定要以PET做。所以这个大家要纠正，不能犯这种错误。
至于用PET、PI还是未来其他的，还是PPS都不好说，这个要往下探讨。这几种材料因为其基膜各有各的特点。当然PET比PPA耐温性要好，但是PPA有极性的问题，PPA又有更好的耐腐蚀性，所以他们的优缺
点不一样。将来不同的材料应用于不同的场合，在不同的应用端都可能会有其对应使用的场景。PI的话也不错，但是如何降本都是需要考虑的，PI现在也做到了4.5μm，也突破得很快，超薄的PI膜也可以做出来。
现在还有其他打孔的膜和制造的膜，这些都会带来改变，对材料不断发展带来改变，甚至材料还可以做改性。不仅仅是我们选什么基膜的问题，材料的改性我们可以做大量的工作，这里面还有很多值得探讨的地方。
在下游应用端，真正能够用好复合集流体的电池厂商是少数的，非常少。大多数的电池厂还在进行材料的测试和小批量摸索电池怎么去做的问题，如何用好这个材料，用这个材料做出电池来，这个本来就不那么容易，真正掌握的只有极少数的电池厂。要解决的问题很多，涂布、辊压和焊接等。
