超迈光电关于复合铜箔现未来解决方案

选型指南5天前·成都超迈光电科技有限公司

PET薄膜作为复合铜箔中间支撑层的缺点主要体现在三个方面：

 

（1）耐热性差。

多数PET薄膜在环境温度超过90℃后就会分解，而锂电池在过载或天气炎热 等某些特殊情况下，其工作环境可能会超过该温度。PET薄膜的易分解特性是其在锂电池中稳定 性较差的原因之一。

（2）分解产物有毒。

PET热解后会产生包含 邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）在内的有毒物质。DEHP 属于 世界卫生组织国际癌症研究机构公布的2B类致癌 物。由于锂电池已被广泛应用在新能源汽车、手机、电脑和其他各类电器中，与人类生活结合 非常紧密，从人体健康角度考虑，将PET应用到 锂电池中具有一定的隐患。

（3）易溶损。

已报道商业锂电池电解液多为有机组分，PET在该类工作环境中的耐受性较差，这会导致复合铜箔整体材料结构在锂电池中经过一段时间运行后发生崩塌，导致电池性能下降。我们团队曾将PET复合铜箔组装成电池，发现其 长循环表现并不稳定，在循环一定次数后，电池性能明显下降。将电池拆解后分析发现，PET薄膜有明显的溶损现象发生，镀铜层与薄膜之间存 在分离状况。

综上所述，从材料角度考虑，PET在锂电池中应用会暴露较多的缺点，并非复合铜箔中间支 撑层的理想选择。

 

2.2

膜表面处理工艺

提升聚合物薄膜表面的粗糙度，有利于增加铜层与薄膜基底之间的物理结合力。而改善聚合物薄膜表面的润湿性也同样重要，这是因为复合铜箔生产过程中的镀铜工艺基本都要经历湿制程。在现今的复合铜箔制造工艺中，受限于前端设备 高昂的成本，只会在薄膜表面沉积厚度仅有数十 个纳米的种子铜层。

通常而言，这种极薄铜层并 不能完全覆盖薄膜基底，会存在很多缺陷处。采 用湿制程对铜层进行增厚时，槽液会穿透这些铜 层缺陷并与聚合物薄膜直接接触。此时若聚合物 薄膜基底的亲水性较差，则槽液无法与薄膜在界 面上形成良好接触，新生成的铜层势必与薄膜结 合不牢固，削弱铜层与薄膜基底之间的结合力。

反之如果聚合物薄膜的亲水性较强，湿制程产生 的铜层与薄膜基底会结合得比较紧密，对增加铜 层与薄膜之间的结合力有积极作用。目前业界并未认识到提升聚合物薄膜基底亲 水性的重要性，仅是考虑在一定程度上对薄膜进 行粗糙化处理，所采用的处理方法基本都是等离 子体电晕处理。

 

甚至有企业表示，即便薄膜未经 电晕处理，在其表面沉积的金属铜种子层依然十 分牢固，这显然是未意识到薄膜表面状态对于后 续湿制程镀铜的重要性。事实上经研究发现，电 晕对聚合物薄膜表面亲水性提升效果有限。以水 滴静态接触角来表征量化，润湿性提升效果通常 在20°至30°左右。

2.3

镀铜工艺

聚合物薄膜作为绝缘材料，在生产初始阶段 只能通过非电化学方式在其表面进行沉铜处理。目前业界采用的主流非电化学沉铜方法为磁控溅射。在电镀铜之前，先通过该方法在聚合物薄膜基底上沉积一层厚度为数十个纳米的金属铜种子 层。磁控溅射法的优势在于其是纯物理方法，相比化学镀铜无需考虑基底的化学性质。

 

同时，磁控溅射法也存在一定的局限性，具体为：

（1）设备成本高。

根据目前市场状况，磁控溅射设备售价多为1200万元/台至1400万元/台， 这使得复合铜箔生产线前期投入大幅度提高，产 业的重资产特征明显。高昂的设备成本和折旧， 以及靶材费用、能耗等因素，是磁控溅射技术无 法覆盖整个复合铜箔制造工艺的根本原因。

（2）打底层存在隐患。

在磁控溅射镀铜制程中，为了增强金属铜种子层与薄膜基底间的结合力，通 常做法会事先在薄膜表面溅射一层极薄的镍、铬、 钛等其他金属或金属化合物，俗称“打底层”。

常见的打底层为镍铬合金，有些技术中还会额外加入 金属铝。对经过湿制程镀铜后的复合铜箔截面进行 元素映射分析，会发现本该处于薄膜基底与铜层结 合处的镍铬基本消失不见，仅剩下少量的铝。造成 该现象的原因是，通过磁控溅射得到的金属铜种子 层极薄，无法完全覆盖薄膜基底，在湿制程镀铜时， 槽液会穿透金属铜种子层，与打底层直接接触。

此 时金属镍和金属铬均会和铜离子发生置换反应，以 离子的形式离开膜表面并进入到槽液当中。尽管溶 液中的铜离子会以金属铜的形式对原有的镍铬合金 进行替换，但是打底层的结构难免遭到破坏，结合 位点也会发生漂移，客观上削弱了铜层与聚合物薄 膜之间的结合力。

（3）镀层质量有待提升。

在扫描电镜下对磁 控溅射铜层进行观察，会发现铜层表面存在较多 孔洞，这些孔洞常以一连串的形式聚集分布。将 聚合物薄膜两侧的磁控溅射铜层进行比较，无论 是孔洞数量，还是铜层形貌，均有较大差异。除 上述情况外，现有的磁控溅射技术在镀厚铜时还 存在厚薄不均的状况。

 

（4）薄膜基底力学性能下降。

磁控溅射处理 过程中，会导致聚合物薄膜表面温度升高，一定 程度上造成聚合物降解，导致材料力学性能下降。磁控溅射处理次数越多，聚合物薄膜力学性能下 降越明显。

为了对磁控溅射所得极薄金属铜种子层进行 增厚，业界通常会继续对材料表面进行电镀铜处 理，目前最为流行的是30℃下酸性染料电镀铜体 系。

就现有的电镀铜技术而言，仍然存在以下不足之处：

（1）原料成本高。

硫酸铜是酸性镀铜工艺中 的关键槽液成分，在目前的复合铜箔水电镀工艺 中，所用硫酸铜由氧化铜粉末与硫酸反应生成， 成本较高，并未采用成本更加低廉的以铜线、铜 颗粒为原料的溶铜法。

（2）添加剂配方不匹配。

现有的复合铜箔水 电镀技术有明显的、从传统印刷电路板镀铜和五 金镀铜而来的借鉴痕迹，所用添加剂配方并不符 合复合铜箔这种非常特殊的极薄载体表面电化学 镀铜体系，导致所得铜层性能较差。由于聚合物 薄膜本身机械强度就偏低，该情形会进一步拉低 产品的力学性能。

 

（3）难以弥补磁控溅射铜层缺陷。

电化学镀铜的特点在于，只能在导电的基底上沉积铜。如 前文所述，磁控溅射铜层表面存在较多的孔洞缺 陷。缺陷处暴露的薄膜基底具有绝缘特性，在电 镀铜过程中，金属铜并不会在不导电的薄膜表面 沉积，尽管多数企业都会在该制程中选择较长的 停留时间，但仍然难以有效弥补磁控溅射留下的 孔洞缺陷。

（4）电极和导电方式设计不合理。

现有的水电镀生产线的阳极设计较为粗犷，其形状和排布方式并未经过系统的科学验证。此外，箔面电场 分布也存在明显问题。这两方面因素共同作用， 导致复合铜箔表面沉铜更加不均匀，衍生出系列 质量问题。

（5）生产效率低。

电镀铜的产能与所通电量 息息相关，由于通过磁控溅射在聚合物薄膜表面 沉积的铜层通常只有数十个纳米厚，使得该铜层的载流量极为有限。在现有的复合铜箔水电镀制程中，初段电流往往低于10A/m2，镀铜效率极低，只能随着铜层增厚逐步而缓慢地提升工作电流，导致水电镀速度很慢，生产线过长，在设备传动和平衡性方面要求较高。

除上述问题外，由于现有的复合铜箔镀铜技术还处于初步发展阶段，工艺、设备、产品检测、 生产管理等方面还存在较多问题，导致企业在生 产过程中不可避免地需要试错，有时会犯一些本 不该有的基本错误。这类事情若是经常发生，难 免使得外界对复合铜箔产生误解，降低产品观感。

2.4

铜表面抗氧化处理工艺

通过抗氧化处理，可以有效保护复合铜箔表 面不受环境侵蚀，稳定其应用性能。现今企业采 用的复合铜箔表面抗氧化处理制程仍然是传统含 铬工艺，通过在铜表面形成金属铬和铬氧化物混 合层来提升铜箔的耐蚀性。

然而铬是重工业污染 之首，对人体有强烈的致癌性，在排放后会对河流、 土壤和地下水造成难以清除的危害。含铬槽液 若是在生产中管控不当，成分会变得紊乱且难以 处理，此时必须更换新槽液，旧槽液需要排放处理， 而目前国内大部分工业园区对含铬废水管控极为 严厉，企业在这方面会遭遇较大的环保压力。

2.5

在锂电池中的应用表现

目前业界对复合铜箔在锂电池中的应用表现 异议较大，争论点主要存在以下几个方面。我们 有必要逐一分析，并辩证地去看待。

（1）电池循环稳定性差。

据目前的研究而言， 采用聚合物薄膜复合铜箔为负极集流体组装的锂 离子电池循环稳定性较差，寿命较短。以PET为代表的中间支撑层材料易被锂电池中的醇基锂成 分促进降解，同时因为磁控溅射得到的铜层疏松多孔，无法对基底形成保护，加快了支撑层被溶 损的速率。

其原因，主要是由于中间支撑层材料选择不当，以及铜层质量不过关所致，属于新生事物发展过程中必然会出现的阶段性问题，随着技术进步这类问题会逐步得到解决。

（2）电池热管理困难。

聚合物复合铜箔表面的铜层即便在经过水电镀后，厚度依然极低，每侧铜层厚度通常在1.0至1.5微米左右。铜层较薄导致其电阻相比传统铜箔更大，有观点认为这会使得聚合物复合铜箔在锂离子电池中作为负极集流 体应用时更容易发热，并且因为聚合物本身导热性较差，会导致电池存在散热困难的问题。

事实上，该观点并不成立。首先，铜箔在整个锂离子电池结构中对内阻的影响较小，电池内阻更多受 到正负极涂层电阻，以及电解液在与正负极材料界面上形成的固态电解质界面膜（SEI）性质的影响。

其次，PP作为一种在 锂离子电池中获得广泛认可的隔膜材料，同样是 一种导热性很差的材料。事实上锂离子电池应用 至今，发生火灾事件较少和PP隔膜直接相关，使 用PP类材料并不会弱化锂电池的安全性。

（3）制造成本高。

聚合物复合铜箔自问世以来， 材料成本低是其自身最大的优势。然而，该类型 复合铜箔至今制造成本高昂，成为抵消其在材料 经济性方面优势的最大因素，也成为业界对复合 铜箔成本存在争议的主要原因。实际上聚合物复 合铜箔制造成本较高，乃是新生事物处于特定发 展时期的正常现象，一旦制造技术经过充分优化 后变得成熟，加上量产后的规模化效应，复合铜 箔的制造成本必然会大幅度下降。

03

未来解决方案 

复合铜箔将来若要在业界获得一席之地，那 么必须站准自身定位，做到扬长避短，并解决现有 工艺中存在的问题。基于对复合铜箔发展现状的思 考，我们认为未来可在以下方面提供解决方案：

（1）中间支撑层选材多样化。

相比在应用过 程中问题层出不穷的PET膜，PP膜不仅有着相似 水平的价格定位，而且在电池中应用的稳定性和 安全性已经得到了长期充分验证。在不远的将来， PP膜极可能替代PET膜成为复合铜箔中间层材 料的优选。PP膜相比PET膜存在镀铜结合力差的 问题，如何解决该问题将成为未来技术关键之一。

此外，也可以开发以铝为代表的轻金属作为中间 支撑层的新型复合铜箔。以我们团队正在开发的 铝基复合铜箔为例，充分利用了金属铝密度小、价格低并具有一定导电性和散热性的优点，使产 品在继承聚合物复合铜箔材料成本低、轻量化优 势的同时，具有更小的电阻和更好的散热性。

（2）功能多元化。

合铜箔由于中间支撑层 的存在，在材料结构设计上存在丰富多样性。通 过改变中间支撑层材料的性质，可实现对复合铜 箔的机械强度、导电、散热等多方面性能的调控， 由此延伸出具有不同性能倾向性的复合铜箔。

同 时，中间支撑层还可以设计成具有不同性能的复 合材料。譬如，有团队曾将氢氧化镁阻燃剂添加 到PP中制备成薄膜，再以该薄膜为中间支撑层制 备复合铜箔。这种复合铜箔具有一定的阻燃特性， 在应用到电池中后可提升电池阻燃性能。由此可 见，复合铜箔相比传统铜箔在产品功能多元化方 面有先天优势，有利于企业以此为立足点，开发 出不同品类的铜箔产品。