什么是復(fù)合集流體？

全方位均有增強效應(yīng)的復(fù)合集流體，已經(jīng)是較為確定的主流技術(shù)路徑。

集流體是匯集正負(fù)極電流的結(jié)構(gòu)部件，其有兩大功能，其一是承載性，自身承載正負(fù)極活性物質(zhì)；其二是傳導(dǎo)性，在充放電過程中，將正負(fù)極電流輸入給活性物質(zhì)，也將活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集輸出。

當(dāng)前鋰電池分別使用銅箔和鋁箔作為負(fù)極和正極的集流體。鋁箔厚度通常為10um，更低可達到8um；銅箔厚度通常為6um，更低可達到4.5um；質(zhì)量占比方面銅箔約占9%，鋁箔約占7%。

不過，由于銅箔需要保持一定機械強度，因此集流體不可能無限減薄。而且過薄的集流體，在電池循環(huán)過程中易發(fā)生集流體的變形斷裂，從而導(dǎo)致安全問題，超薄銅箔的加工費也十分昂貴，導(dǎo)致整體成本不降反增。

此背景下，復(fù)合集流體成為該領(lǐng)域突破的新技術(shù)路徑。

復(fù)合集流體區(qū)別于傳統(tǒng)金屬集流體地，而是增加了其他成分的復(fù)合箔材，目前具備應(yīng)用前景的是“金屬-高分子材料-金屬”三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合集流體，中間層可選擇PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）、PP(聚丙烯）、PI（聚酰亞胺）等高分子材料。目前復(fù)合集流體中采用的高分子層厚度一般約4um，上下兩層銅層厚度各1um，合計約6um。

復(fù)合箔是少有可同時提升安全性和能量密度的技術(shù)路徑，同時在工藝成熟和規(guī)模提升的趨勢下成本端優(yōu)化帶來性價比提升，有望成為“全能下一代產(chǎn)品”。

資料來源：Yi Cui et al.《Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries》

首先在安全性方面，由于高分子材料代替大部分厚度的金屬層，僅采用兩面約1微米的金屬層導(dǎo)電，電池針刺時無毛刺產(chǎn)生，同時高分子層起到“斷路效應(yīng)”防止電池?zé)崾Э?，也避免傳統(tǒng)金屬集流體老化脆斷及產(chǎn)生毛刺的風(fēng)險，安全性能顯著提升。

資料來源：金美新材

其次在能量密度方面，以復(fù)合銅箔材料考量的話，假設(shè)6μm銅箔替換成1μm銅箔+4.5μmPET支撐層+1μm銅箔三明治結(jié)構(gòu)PET銅箔（NCM523），其用量為0.35kg/kwh，較銅箔減重約50%；基于此，測算質(zhì)量能量密度200wh/kg的電池包能量密度將提升至215wh/kg，質(zhì)量能量密度提升約7%，效果十分顯著。

而在成本方面，機構(gòu)測算復(fù)合箔理論成本約3.6元/平，在良率80%水平下，完全成本約4.5元/平，折合單Gwh成本約0.45元，已和傳統(tǒng)銅箔的單Gwh成本處于相當(dāng)水平；隨著產(chǎn)線設(shè)備迭代效率升級和良率提升，復(fù)合箔成本下降空間還比較大。

資料來源：Wind，中信建投

最后在使用壽命方面，在鋰電池負(fù)極中，通常會因為表面凹凸不平，導(dǎo)致凸起處的電子電荷分布變多,導(dǎo)致更多的鋰離子被吸引而發(fā)生沉積形成鋰枝晶。鋰枝晶會不可逆地造成鋰電池的容量和循環(huán)壽命，同時鋰枝晶增大會刺穿隔膜導(dǎo)致短路引發(fā)熱失控等安全性問題。

復(fù)合集流體相較于純金屬層延展性更好，將產(chǎn)生褶皺緩解鋰枝晶生長帶來的局部應(yīng)力，使鋰離子沉積更加均勻，減少鋰枝晶問題出現(xiàn)。復(fù)合銅箔在循環(huán)后容量保持，較純銅箔更好，因此復(fù)合集流體總體表現(xiàn)的循環(huán)壽命更優(yōu)。

資料來源：《Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates》

板塊契機已至

工藝、設(shè)備是替代進程關(guān)鍵因素

其實早在2018年10月，寧德時代就公開報道其研發(fā)的多功能復(fù)合集流體技術(shù)首次應(yīng)用于其高鎳三元版海外車型并量產(chǎn)，隨后在2021年全球新能源汽車前沿及創(chuàng)新技術(shù)評選中獲評為十大創(chuàng)新技術(shù)之一。

2021年7月，OPPO發(fā)布夾心式安全電池，引入復(fù)合集流體技術(shù)，實現(xiàn)手機消費電池的不起火、不冒煙。復(fù)合集流體逐漸在動力電池、消費電池等領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的電解銅箔、鋁箔投入使用，已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)高度關(guān)注階段。

復(fù)合集流體的量產(chǎn)化難點在于設(shè)備、工藝，工藝目前可分為兩步法（磁控濺射—水電鍍）和三步法（磁控濺射—蒸鍍—水電鍍）。

其中真空磁控濺射技術(shù)是復(fù)合銅箔制造工藝的核心，其原理是用氬離子（Ar + ）轟擊銅合金靶材，使靶材發(fā)生濺射，在濺射粒子中，中性的銅原子或部分銅離子沉積在基膜上形成薄膜。

但真空磁控濺射工藝對設(shè)備要求較高，是影響產(chǎn)品良率和性能的關(guān)鍵，目前磁控濺射設(shè)備目前仍然以進口為主，成本較高。且磁控濺射沉積銅的效率相對于真空蒸鍍和水電鍍較低，是影響產(chǎn)線線速度的主要環(huán)節(jié)。

真空磁控濺射原理 圖/上海皓越官網(wǎng)

真空蒸鍍是三步法制備復(fù)合銅箔的關(guān)鍵步驟。真空蒸鍍是指在真空條件下，通過一定的方式將金屬銅（蒸發(fā)源）加熱至蒸發(fā)，蒸汽運動到基材表面沉積形成銅層的過程。三步法相較于兩步法增加了真空蒸鍍的工藝，能夠有效提高銅層的均勻性。

真空蒸鍍蒸發(fā)銅的量大于磁控濺射，所以此步驟可用于磁控濺射之后，對基材銅層進行加厚，從而減少水電鍍用時，在一定程度上提高產(chǎn)線速度。

真空蒸鍍原理示意 圖/《Structure and optical properties of PbI 2 thin film by thermal evaporation technique》

水電鍍工藝則負(fù)責(zé)加厚銅沉積層，目前工藝技術(shù)相對成熟，通過外加電源，溶液中的銅離子在基膜側(cè)得到電子還原為銅原子，沉積在基膜表面加厚銅層，而銅源表面的銅失去電子形成游離銅離子不斷補充溶液中的銅離子。

水電鍍原理 圖/ Byjus官網(wǎng)

此外蒸鍍、化學(xué)沉積法等替代工藝也在試驗階段。而水電鍍環(huán)節(jié)與傳統(tǒng)的PCB電鍍工藝相似性較大，但難度更高。主要存在設(shè)備導(dǎo)電輥表面易形成的鍍銅層刺破或劃傷薄膜、以及膜本身內(nèi)應(yīng)力造成的褶皺等問題，使得產(chǎn)品良品率偏低。

在逐步克服設(shè)備、工藝等問題的未來，復(fù)合集流體將擁有十分可觀的市場空間。

需求增速最高逼近191%

設(shè)備投資額度可達300億

首先在復(fù)合鋁箔方面，由于主要用于三元高端項目，且制造工藝高價格較貴，相對傳統(tǒng)鋁箔成本劣勢明顯，滲透率提升總體偏緩，目前市場更為關(guān)注的還是在復(fù)合銅箔領(lǐng)域。

根據(jù)民生證券研究院測算，假設(shè)復(fù)合銅箔在發(fā)展前期的厚度為6.5μm，能夠滿足電池能量密度提升的需求；6.5μm復(fù)合銅箔中銅箔厚度為2μm，根據(jù)6μm電解銅箔折算復(fù)合銅箔單耗數(shù)據(jù)，約為233噸/GWh。

在悲觀預(yù)期情況下，22-25年P(guān)ET復(fù)合銅箔滲透率為3%、3.5%、4.5%、6%，PET復(fù)合銅箔需求為3.0、4.9、9.2、16.9億平米，2022-2025年CAGR達79%；

在中性預(yù)期情況下，22-25年P(guān)ET復(fù)合銅箔滲透率為3%、5%、8%、12%，PET復(fù)合銅箔需求為3.0、7.1、16.5、33.7億平米，2022-2025年CAGR達125%；

而在樂觀預(yù)期情況下，22-25年P(guān)ET復(fù)合銅箔滲透率為3%、9%、17%、26%，PET復(fù)合銅箔需求為3.0、12.7、34.9、73.1億平米，2022-2025年CAGR達191%。

整個復(fù)合銅箔需求2022-2025年年均復(fù)合增速在79%-191%的區(qū)間內(nèi)，處于高速增長態(tài)勢。

資料來源：GGII，鑫欏鋰電，民生證券研究院測算

與此同時，根據(jù)國信證券經(jīng)濟研究所推算，復(fù)合銅箔領(lǐng)域到2025年設(shè)備累計投資額可能會逼近300億元。

機構(gòu)預(yù)計2022-2025年全球電池出貨量為776、1093、1502、1938GWh，在2026年出貨量增速為25%前提下，出貨量將達到2422.5Gwh。按照2024、2025、2026年復(fù)合銅箔滲透率為5%、10%、20%的假設(shè)情況下，考慮良率后2024、2025、2026年復(fù)合銅箔需求量為100.1、242.3、570GWh。

而當(dāng)前單GWh需要2臺磁控濺射設(shè)備及3臺水電鍍設(shè)備，磁控濺射設(shè)備2022年單價為1500萬元，價格每年降幅為10%，水電鍍設(shè)備單價為1100萬元，價格年降幅為10%。因此至2025年設(shè)備累計投資額達到294.9億元，23-25年新增設(shè)備投資額為56.7、100.3、131.6億元。

資料來源：高工鋰電（GGII）、國信證券經(jīng)濟研究所整理及測算

巨大主流浪潮中

一眾企業(yè)或?qū)⒊掷m(xù)受益

首先，國內(nèi)復(fù)合集流體產(chǎn)業(yè)鏈上游有磁控濺射設(shè)備、水電鍍設(shè)備、真空鍍設(shè)備、PET基材等企業(yè)。

磁控濺射和真空鍍設(shè)備領(lǐng)域中，騰勝科技研制出了國內(nèi)首臺量產(chǎn)型復(fù)合銅箔的真空鍍膜設(shè)備，在復(fù)合銅箔、復(fù)合鋁箔材料工藝及裝備上積累不少技術(shù)經(jīng)驗，設(shè)備已經(jīng)供應(yīng)國內(nèi)外等頭部企業(yè)。

此外，匯成真空主要產(chǎn)品有連續(xù)式磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線、超高真空系統(tǒng)等真空設(shè)備，是國家第三批“專精特新”小巨人企業(yè)；振華科技為大型真空設(shè)備制造商，主要提供連續(xù)式鍍膜生產(chǎn)線、磁控濺射鍍膜設(shè)備、陰極電弧離子鍍膜設(shè)備等；東昇機電則提供提供產(chǎn)品包括卷繞式真空鍍膜機、分切機、復(fù)卷機和雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線等相關(guān)設(shè)備。

水電鍍設(shè)備方面，東威科技可量產(chǎn)復(fù)合銅箔工藝中電鍍增厚設(shè)備（水電鍍設(shè)備），同時也重點研發(fā)磁控濺射設(shè)備。

基材領(lǐng)域中，主要從事光學(xué)膜、復(fù)合膜開發(fā)生產(chǎn)的雙星新材，2020年立項布局PET銅箔，目前在自制4.5um基材基礎(chǔ)上，完成了原料、磁控濺射、水鍍工藝，已為客戶送樣認(rèn)證，同時開發(fā)3.5um及以下基材。

康輝新材產(chǎn)品主要包括PET，BOPET等材料，公司多條產(chǎn)線具備量產(chǎn)4.5-6umPET復(fù)合銅箔用基膜能力。目前公司PET復(fù)合銅箔用基膜已通過下游多家PET銅箔廠商、電池廠商前期驗證，后期驗證工作有序推進。而東材科技的主營產(chǎn)品就包括PP，PET等材料。

資料來源：雙星新材、嘉元科技、寶明科技、中一科技等公司公告、國信證券經(jīng)濟研究所整理

在中游環(huán)節(jié)，則是一眾復(fù)合銅箔制造商。

其中金美新材、廈門海辰鋰電、寶明科技、雙星新材、方邦股份等公司借助自身技術(shù)優(yōu)勢，相繼布局復(fù)合材料，涉及復(fù)合銅/鋁膜、復(fù)合銅箔、功能性聚酯（PET)薄膜等復(fù)合集流體項目，金美新材、海辰鋰電的產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)能規(guī)劃節(jié)奏相對領(lǐng)先。

資料來源：公司環(huán)評

同時，道森股份、萬順新材、嘉元科技、諾德股份等傳統(tǒng)銅箔公司，也普遍認(rèn)同PET復(fù)合銅箔的應(yīng)用優(yōu)勢與發(fā)展前景，目前多數(shù)企業(yè)技術(shù)研發(fā)尚處于實驗驗證階段，機構(gòu)預(yù)計明年開始將會有公司逐步推進。

資料來源：公司公告

當(dāng)前整個復(fù)合集流體產(chǎn)業(yè)鏈參與者眾多，其中頭部優(yōu)勢明確，隨著下游需求持續(xù)放量，上、中游等企業(yè)將有更大的發(fā)展空間。