复合铜箔现有技术问题分析及未来解决方案

随着近年来新能源汽车行业高速发展，动力锂电池方面的强劲需求带动了铜箔行业的高速发展，电解铜箔作为锂电池负极集流体得到广泛应用。来自锂电池下游企业的产品质量要求，反向促进了铜箔行业的技术发展，大量资金和人才进入了该领域。

铜箔行业具有投资密度高、与新能源产业结合紧密的特点，在投资方面受到地方政府和资本市场的青睐。近年来铜箔企业大量涌现，产能节节拔高，导致市场供需格局急剧变化。然而随着锂电行业全面收紧，锂电铜箔价格逐步走低，铜箔生产企业利润日益减少。

在此背景下，许多铜箔企业倾向于打造有别于传统铜箔的新产品，以避免与同行业者之间的同质化竞争。复合铜箔作为一种新型铜箔，在此背景下进入了业界人士的视野。

典型的复合铜箔为三明治结构，中间层是用来替代金属铜的其他材料，在该材料的两侧各镀上较薄的铜层，使其表面具有金属铜的特性。

目前最为常用的复合铜箔中间层材料为聚合物薄膜， 材质方面以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为主。

这类聚合物材料 相比金属铜有明显的价格优势，作为负极集流体还会在一定程度上赋予锂电池轻量化的特性。复合铜箔成本低和轻量化的特征，正好符合下游锂电池产业节缩生产成本和提升电池质量能量密度方面的新形势，同时又迎合了资本市场推陈出新的需求。

基于以上原因，复合铜箔项目在极短时间内获得大量融资，近两年已在国内形成规模化效应。 

尽管如此，复合铜箔产业目前的发展形势尚不明朗。在复合铜箔的原材料选择、生产工艺和应用端表现等多个层面，业界存在多种截然不同甚至对立的观点，这是复合铜箔作为新生事物发展到一定阶段后会遇到的必然现象，多种思维的碰撞有利于促进复合铜箔产业的良性发展。

同时，过度的争论会有导致相关产业错失发展良机的风险，同时也会令多数从业者感到迷惘。如何正确认识复合铜箔产业的发展态势，从中找出正确的发展道路，现已成为相关从业者的刚性需求。

基于以上原因，本文采用层层剖析的方式叙述复合铜箔的发展历程、现有技术的特点和当下锂电池产业发展的需要，从技术角度对目前复合铜箔产 业中存在的问题进行分析，并预测复合铜箔产业未来发展趋势。

复合铜箔能够在业界取得巨大的影响力，与其本身具有的优势是分不开的。总结起来，复合铜箔的优势主要体现在以下几个方面：

（1）资源依赖性小。

众所周知，铜是一种非常关键的基础战略资源，在国民经济和国防等多个领域有着非常重要的应用。同时，铜在全球范围内分布非常不均衡。以南美国家智利为例，虽然其国土面积仅占地球陆地面积的0.5%，但铜矿储量为全球总资源储量的22.8%。而我国作为世界陆地面积第三大国，铜矿储量仅占全球的3.0%。复合铜箔以聚合物等材料替换部分金属铜，客观上起到了降低对铜资源依赖的作用，在国际形势纷乱复杂的当下，有利于缓解国家在铜资源需求方面的压力。

（2）材料成本低。

近年来，铜作为大宗商品，其价格始终维持在高位，且随市场行情波幅较大，对以其为原材料的下游产品价格造成较大影响。采用价格更具优势的聚合物材料部分替代金属铜，可以显著提升复合铜箔的材料成本优势。尤其在锂电池企业普遍具有较大降本压力的形势下，复合铜箔相比传统纯金属铜箔具有更大的价格诱惑力。

（3）轻量化特性。

有机聚合物的密度通常远低于金属铜，以有机聚合物为中间支撑层材料的 复合铜箔比传统纯金属铜箔更加轻便，将其作为负极集流体应用到锂离子电池中后，可提升锂电池质量能量密度，赋予其轻量化特性。这种轻型电池尤其适合应用在一些对电池重量要求较为苛刻的设备上。

（4）强大的功能化潜力。

有机聚合物作为复合铜箔中间支撑层，其本身具有较强的功能化潜力。比如在聚合物中添加以氢氧化镁、氢氧化铝 为代表的阻燃剂，可赋予复合铜箔阻燃特性。将 这类具有阻燃特性的复合铜箔应用到锂电池中后，一旦锂电池发生火灾，复合铜箔中含有的阻燃剂成分会迅速转变为致密的陶瓷膜，覆盖在燃烧物表面，起到隔绝氧气、抑制燃烧的效果。在锂电池火灾频发的当下，复合铜箔在阻燃方面的潜力对电池厂商和用户同样具有较强的吸引力。

（5）提升电池耐穿刺性能。

实验研究发现，采用聚合物薄膜复合箔为集流体组装的锂离子电池表现出很强的耐穿刺性能。这是因为聚合物薄膜相比金属有更好的形变能力，在电池遭遇穿刺时，绝缘的聚合物薄膜会对金属断口实现有效包裹，从而起到避免短路的作用。

虽然复合铜箔在成本、安全性、功能化和轻量化等多个方面相比传统纯金属铜箔具有明显优势，但作为一种新生事物，其现有的制备技术尚处于不完善的初级阶段，存在很多亟待解决的技术问题。正视这些存在的问题，从原材料选择、工艺流程和产品应用等各个角度进行分析并总结原因，是 提出突破现有技术瓶颈的解决方案的前提。

事实上，多数新材料处于基础研究阶段时， 材料本身的经济性并非首要考量，复合铜箔亦是如此。随着近年来可穿戴设备的兴起，柔性锂电池制造成为新的热点。人们倾向于选择较为柔韧的材料作为中间支撑层来制备复合铜箔，意在解决锂电池负极集流体柔性化的问题。

起初材料选择方面并不局限于有机聚合物薄膜，还包括以棉布为代表的其他轻质柔韧材料。棉布复合铜箔作为一种构想，在起初发明时在思想上有其独特性 和新颖性，可是与实际应用仍有较长距离。

基于棉布本身的特性，在其表面覆铜的方法通常是化学镀。在化学镀铜过程中，为了保证还原剂的活性， 通常需要在碱性条件下进行。棉布主要成分是植物纤维，在碱性条件下不可避免会发生降解，经过化学镀铜后，其力学性能会大幅度降低，所以其积极意义仅体现在基础研究方面。

在将复合铜箔纳入产业视野后，人们更多地倾向于选择聚合物薄膜作为中间支撑层材料，较为典型的材料有聚酰亚胺（PI）和PET。

PI薄膜具有良好的机械性能，耐热温度可达120℃， 热解后不会产生有害物质。PI薄膜经表面处理后，可表现出很强的亲水性，在含水湿制程中可与槽液充分接触，经研究发现其表面镀铜层结合力很强。

PI薄膜的缺点是其价格过高，若选择其作为中间支撑层材料，在原材料成本方面与现有纯铜 箔相比并无优势。相对而言，PET薄膜的成本优势更为明显，近两年价格在8000元/吨上下波动。

在相同表面处理工艺前提下，PET薄膜表面镀铜层的结合力相比PI薄膜明显下降，但与同价位区间的聚丙烯（PP）薄膜相比仍有明显优势，因此成为目前多数复合铜箔制造企业的 首选。

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。

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。

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。

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。

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。

究其原因，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。

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。

复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。

（3）生产技术优化。

复合铜箔在通向未来产 业化道路上，必须对目前的制造技术加以提升，以实现产品性能优化、产能提升和生产成本降低。在有机薄膜复合铜箔制造过程中，需要对薄膜表 面进行合适的处理，使得表面兼具亲水性和轮廓 度，且表面组成有利于提高镀铜层结合力。

在镀铜方面，大致有两类不同的路线设计，会有不同的改善方案。

①以真空磁控溅射为基础的镀铜工艺。该路线需要解决现有磁控溅射镀铜过程中存 在的产品缺陷，并提升镀铜速率以稀释设备成本 高带来的影响；

②磁控之外的其他镀铜工艺。该技术路线以化学镀铜为主，需要解决以PP为代表 的聚合物薄膜表面化学镀铜结合力差的问题，以 及化学镀铜本身速率慢、步骤复杂、催化剂费用高、 槽液难处理等问题。

电镀铜工艺主要应用在聚合物薄膜表面具备一定厚度的铜层之后，作为上述 两条路线的有效补充。在电镀铜过程中需要解决现有工艺与复合铜箔基底不匹配的问题，核心是开发一套行之有效的添加剂配方体系，彻底改善 镀铜层质量。

（4）技术人才队伍专业化。

复合铜箔领域的 投资者、管理者、技术人员和产业工人不仅来自铜箔领域，还有许多出身于和所含制程有关的其他行业。大量涌入的人才，给铜箔行业带来许多 新的思维方式和积极影响，同时也导致复合铜箔 制程中的某些工艺是从其他行业生搬硬套而来， 存在水土不服的现象，需要结合复合铜箔自身特 点进行优化。

与此同时，一些在传统铜箔生产中 行之有效的生产工艺、检测方法、产品评估机制并没有引入到复合铜箔生产中来，导致复合铜箔产业中依然存在一些基础常识性错误。未来随着复合铜箔产业人才的全面整合和优化，并引入传 统铜箔领域的成熟技术，相信整个人才队伍的层次会得到大幅度提升。

总体而言，复合铜箔作为铜箔行业的新生事物，在其初步发展阶段必然会存在各种各样的问题，我们需要以积极开放的态度去接纳它。复合铜箔如能得到良性孵化，未来会成为传统铜箔的有效补充，为铜箔行业的产品丰富化作出贡献，而这有利于整个行业的健康发展。

目前复合铜箔 生产技术仍然存在很多不完善之处，但这些都是暂时的困难，不能作为对该类产品盖棺定论的依据。新产品和新技术在孵化过程中历来都需要突破种种障碍和阻力，需要通过引入新的思路和方法来解决问题。

未来复合铜箔的发展需要优化原 料来源，解决制造过程中存在的技术不完善和成本过高等问题，重点是突破铜层质量差及与聚合物薄膜基底结合力小的瓶颈，并在锂离子电池中实际验证产品的可靠性，通过功能化、多元化、 轻量化和低成本的定位在铜箔领域占据一席之地。

资料来源：张波，李武，中国科学院青海盐湖研究所，新能源产业背景下复合铜箔现有技术问题分析及未来解决方案，青海科技，文章编号：1005-9393(2023)05-0049-07

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