电动车行业深度报告：站在产业蓬勃的前夕看复合集流体

站在产业蓬勃的前夕看复合集流体 ——电动车行业深度报告 民生电新邓永康团队 证券研究报告 2022年08月06日 *请务必阅读最后一页免责声明 摘要 •复合集流体的替代逻辑： •铜箔集流体的轻薄化可以降低成本，提升能量密度，是集流体降本增效的明确方向。复合集流体相比电解铜箔具备三种优势： •1）高安全性：复合铜箔在受到穿刺时产生的毛刺较小，还可以减缓锂枝晶生长，降低电池短路风险；有机基膜热稳定性高， 在其中掺杂阻燃剂可进一步提高抗燃性； •2）低成本：根据我们测算，传统铜箔的成本为4.09元/平米，在80%良率条件下，复合集流体量产后的成本为2.83元/平米，远低于传统铜箔；当良率达到95%，复合集流体的成本约2.38元/平米，较传统铜箔成本降低近70%； •3）高能量密度：高分子有机材料密度远低于铜，6μm的复合集流体中，铜箔层厚度仅为2μm，有机层厚度4μm，相较6μm的传统铜箔，复合集流体重量大幅降低，电池的重量能量密度有效提升。 •复合集流体的空间测算： •我们认为复合集流体在未来主要的市场空间源于对传统铜箔的替代，根据测算： •1）乐观情景下，2022年复合集流体的需求量约3.0亿平米，2025年需求量约73.1亿平米，22-25年CAGR达191%； •2）中性情景下，2022年复合集流体的需求量约3.0亿平米，2025年需求量约33.7亿平米，22-25年CAGR达125%。 •投资建议： •重点推荐：【诺德股份】、【嘉元科技】，建议关注：【重庆金美】（未上市）、【东威科技】、【宝明科技】、【双星新材】、【万顺新材】。 •风险提示： •1、新能车销量不及预期；2、复合铜箔产业化进度低于预期；3、集流体材料迭代速度超预期；4、测算误差风险。 目录 01 复合集流体的替代逻辑 02 CONTENTS 复合集流体的空间测算 03 投资建议 04 风险提示 05 附录 01. 复合集流体的替代逻辑 证券研究报告 3*请务必阅读最后一页免责声明 01 集流体的概念 •集流体的作用：在锂离子电池放电过程中，正极活性颗粒内部的电子在各个颗粒间传输后，需要汇流到集流体上，然后通过外部电路传输到负极，完成一个完整的放电循环过程。因此集流体起到的作用为降低电池的内阻，提高电池的库伦效率、循环稳定性和倍率性。 •通常来讲，传统集流体中，负极使用铜箔，正极使用铝箔，原因为: •正极：正极电位高，铜箔的氧化层较为疏松，高电位下容易被氧化，而氧化铜是半导体，厚度较大，因此会增加电池内阻， 而铝表面本身包裹一层致密的氧化层，并且由于氧化层很薄，电子可以通过隧道效应实现电导，所以正极使用铝箔； •负极：负极电位低，铝金属的晶格空隙与锂离子大小相近，在低电位下容易与锂发生合金化反应，消耗活性锂离子，而铜的嵌锂容量很小，因此负极使用铜箔。 图表：集流体起到汇聚电子的作用 资料来源：Areviewofcurrentcollectorsforlithium-ionbatteries，民生证券研究院 •在锂离子电池中，从质量拆分来看，2021年集流体的质量占比约15%，其中铜箔约8%，铝箔约7%；从成本拆分来看，根据现价，我们测算集流体的成本占比约10.4%，其中铜箔约9%，铝箔仅1.4%，由此可见，铜箔的质量占比和成本占比均高于铝箔。另一方面，铜箔的原材料电解铜价格高涨，从21年二季度开始至22年二季度，铜价横盘高位，在7万元/吨上下波动。 •因此对铜箔集流体的技术改进方向较为明确，就是轻薄化，铜箔做薄的好处很明显：1.降低成本；2.减少铜箔的用量可以提升活性材料的质量占比，从而提升能量密度。目前国内铜箔主流的厚度为8、6、4.5𝜇m，相较8𝜇m，6𝜇m和4.5𝜇m的铜箔可以提升能量密度5.1%、8.8%。 2.83% 6.44% 25.50% 正极 9.45% 正极 30.20% 负极 负极 集流体-铝集流体-铜 8.94% 集流体-铝集流体-铜 3.60% 14.50% 电解液隔膜 1.40% 8.96% 61.97% 电解液隔膜 11.20% 8.10% 6.90% 结构件 结构件 图表：集流体质量占比15% 资料来源：Areviewofcurrentcollectorsforlithium-ionbatteries （2021年），民生证券研究院 图表：集流成本占比10.4% 资料来源：鑫椤锂电，民生证券研究院测算 •然而，集流体不能无限减薄，原因在于铜箔需要保证一定的机械强度。如果集流体过薄，在电池循环过程中，易发生集流体的变形断裂，从而导致安全问题，并且超薄铜箔的加工费也十分昂贵，导致整体成本不降反增。 •复合集流体为铜箔的降本增效提供了新的思路。复合集流体延续了铜箔轻薄化的思路，用部分有机物替代铜箔，进一步降低了铜箔的用量，并保证了安全性。从结构上来看，复合集流体的构造类似“三明治”，即中间层为有机物，上下层为镀铜，目前中间的有机物层常见的有PET（聚对苯二甲酸类酯）、PP（聚丙烯）、PI（聚酰亚胺）等。 •以崔屹教授的实验为例，复合集流体以PI为基材，上下两层的镀铜层仅500nm，整体质量约1.54mg/𝑐𝑚2，而传统铜箔的厚 度为6𝜇m，质量约5.38mg/𝑐𝑚2，PI铜箔的质量是传统铜箔的1/7，并且PI铜箔可以提升电芯16-26%的能量密度。 •总体来讲，相较传统铜箔，复合铜箔具备三大优势：更高安全性、更低成本、更高能量密度。 图表：复合集流体的三明治结构 资料来源：Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries，民生证券研究院 图表：复合集流体的优势 高能量密度 低成本 复合集流体的优势 高安全性 资料来源：民生证券研究院 •复合铜箔在受到穿刺时，产生的毛刺较小，降低电池短路风险。 •传统铜箔在受到穿刺时会产生较大尺寸的毛寸，毛寸有可能会刺穿隔膜从而引发电池内短路。而复合集流体在受到穿刺时，由于基膜为高分子材料层，可有效吸收形变应力，使得产生毛寸的尺寸较小，降低电池内短路的风险。 •有机基膜的热稳定性更高，并可以通过掺杂阻燃剂提升安全性。 •根据崔屹教授实验，以PI作为基膜的复合铜箔具有极强的抗燃性，主要原因为PI具有很高的热稳定性，可承受400℃以上的高温，并且在复合铜箔内添加阻燃剂后，即使将电池置于明火中燃烧，火苗也可以迅速熄灭。 图表：复合集流体穿刺后的毛刺较小 资料来源：重庆金美官网，民生证券研究院 图表：使用复合集流体的电池抗燃性极高 资料来源：Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries，民生证券研究院 •复合铜箔可减缓锂枝晶的产生，提升安全性能。 •锂离子电池充放电的基本原理就是锂离子在正负极之间的运动，在负极石墨层端，如果锂离子无法及时嵌入石墨层间，就会选择在负极表面和铜箔表面沉积，并且由于铜箔表面较为坚硬，应力的不均匀将加速锂枝晶的生长。如果锂枝晶持续生长，极有可能刺穿隔膜，导致电池内短路。 •但复合铜箔的基膜柔性大，在锂沉积的过程中，可以有效分散铜箔表面应力，使得锂离子在集流体的表面均匀分布，从而抑制锂枝晶的生长。 图表：负极易发生锂沉积现象 资料来源：重庆金美官网，民生证券研究院 图表：柔性基面可以减缓锂枝晶的产生，b为复合集流体，c为传统铜箔 资料来源：Stress-drivenlithiumdendritegrowthmechanismanddendritemitigationbyelectroplatingonsoftsubstrates，民生证券研究院 •要对复合集流体进行成本拆分，我们需要先了解复合集流体的制备过程。 •根据重庆金美环评书，复合铜箔的关键步骤为真空磁控溅射和水镀层。 •真空磁控溅射：磁控溅射就是通过PVD（物理气相沉积法）在基膜上镀一层铜薄膜。基本原理是用电子在真空条件下与氩原子发生碰撞，产生高能氩离子，并用高能氩离子轰击铜合金靶材，使铜靶材发生溅射，建设出的铜离子落在基膜上，形成铜薄膜。 •水镀层：水镀层就是离子置换的过程，主要目的增厚基膜上的铜薄膜。基本原理使用无氧铜作为阳极，基膜金属层为阴极，电解液为焦磷酸铜、焦磷酸钾、柠檬酸铵溶液，通电后发生离子迁移置换，使得基膜表面沉积金属铜堆积层。 极少部分产品 子置换 酸性离 打包储 存 水洗 防氧化处理 烘干 分切3 碱性离子 置换 分切1 真空磁控溅射镀铜 分切2 烘干 水洗 真空磁控 溅射活化 原膜 图表：复合集流体的制备流程 出货 资料来源：重庆金美2021年环评书，民生证券研究院 •因此，复合集流体的主要设备折旧来自于真空磁控镀铜设备以及水镀铜设备。我们将复合铜箔的成本拆成三个部分来看：原材料成本、设备折旧、其他制造费用（水费、电费、人工 费）。 •设备折旧的核心假设： •1.我们假设真空磁控镀铜设备的售价为1500万元/台，水镀铜设备的售价为1000万元/台； •2.根据东威科技公告，设备折旧年限为10年，残值为0； •3.根据东威科技公告，设备的幅宽1.65米，速度为8米/分钟。 •原材料的核心假设： •根据Wind，2022年7月底，铜价约6万元/吨，PET切片的价格约9万元/吨。 •其他制造费用的核心假设： •根据重庆金美MA、MC环评书，公司生产3.43亿平复合集流体，共消耗水31.3万吨，用电9880万度。 •根据测算，在80%良率条件下，复合集流体量产后的成本为 2.83元/平。 图表：复合集流体的成本拆分 项目 数值 单位 铜 厚度 2 微米 单价 60000 元/吨 单平成本 1.075 元/平米 PET 厚度 4 微米 单价 9000 元/吨 单平成本 0.049 元/平米 原材料成 本 1.125 元/平米 价值量2500万元/台 折旧年限10年 速度8米/分钟 宽幅1.65米 工作时长3600小时/年 总产出285亿平 单位设备折旧费用0.877元/平米 水费总用量31.3万吨 单平用水量0.911Kg/平米 水费4元/吨 单平水费0.004元/平米 电费总用量9880万度 单平用电量0.288度/平米 单平电费人工费用总人数 0.202 250 元/平米人 电费0.7元/度 平均工资80000元/人 单平人工0.058元/平米 良率80% 合计2.831元/平米 资料来源：Wind，东威科技公告，重庆金美环评书，民生证券研究院测算 •我们将传统铜箔的成本与复合铜箔的成本进行比较： •我们使用嘉元科技1.6万吨的项目环评书进行测算，核心假设为： •1.同样的，我们传统铜箔的厚度取6微米，铜价取22年8月现价6万元/吨； •2.根据2021年年报，厂房折旧年限20年，设备折旧年 限10年； •3.梅州当地水费、电费及人均工资分别为1.58元/吨，0.58元/度，81000元/年。 •通过计算，传统铜箔的成本为4.09元/平米，远高于复 合集流体的成本2.83元/平米。 •我们对复合铜箔的良率及成本做一个敏感性分析。 图表：传统铜箔的成本拆分 项目 数值 单位 铜 厚度 6 微米 折旧年限 20 年 单平折旧 0.046 元/平米 设备折旧投资额 73179.16 万元 折旧年限单平折旧 100.246 年 元/平米 水费总用量 25.97 万吨 水费 2.03 元/吨 单平水费 0.002 元/平米 电费总用量 13363 万度 单价 60000 元/吨 单平成本 3.226 元/平米 厂房折旧投资额 27151.79 万元 电费 0.584 元/度 单平电费 0.280