机械一周解一惑系列：明日之星：复合铜箔

本周关注：智立方、北路智控、禾川科技、四方达 本周核心观点：当前新能源、汽车行业景气度较高，带动设备需求旺盛。疫情期间压制的扩产需求有望批量释放，设备厂商有望收获批量订单。技术变革进行时，新技术、新工艺带来的设备需求不容忽视。 复合铜箔作为新型材料，兼具安全性、经济性和能量密度等多维优势。复合铜箔以绝缘高分子薄膜为支撑基材，两侧沉积金属层，其中，支撑层可选择PET、PP或PI等不同的塑料层，可选厚度包括4.5μm、6μm和12μm等。由于特殊的材料组成以及结构，相比较传统电解铜箔，复合铜箔提升锂电池安全性、能量密度以及经济性。 1）安全性：短路引起的局部升温会使得铜箔的内部的PET等材料快速降解，并迅速断裂，由此达到隔离短路并防止热失控的效果； 2）能量密度：根据比亚迪专利，采用5μm的复合铜箔材料（1μm铜箔+3μmPP+1μm铜箔）的重量能量密度，会比传统铜箔负极集流体（6μm铜箔）高出约3.3%； 3）经济性：4.5μm厚度的PET基膜单位售价约为0.15元/平米，相较传统铜箔集流体，具备成本优势。 复合铜箔的市场空间 。假设2025年国内锂离子电池出货量或达到1514GWh；关于设备采购量，单GWh电池需要2台真空镀设备以及3台镀膜设备，假设1台真空镀膜设备和1台镀膜设备的价值量均为1000万元，我们预计当2025年PET铜箔材料渗透率达到40%，生产复合铜箔所需的核心设备年均市场空间将突破百亿元关口，未来前景可期。 上下游齐头并进，推动复合铜箔技术发展。复合铜箔作为一项新技术，在实际量产过程中，设备、制备工艺及电池后端配套工艺上仍存在一定的瓶颈，包括磁控溅射设备和水平镀膜设备生产难度较大，批量化生产良率较低或生产速度较慢等，以及由于复合的材料组成导致后端分切过程中较为复杂等，因此上下游企业的联合研发对于产业链的发展显得更为重要。 锂电材料企业纷纷加码复合集流体。设备端，东威科技率先实现镀膜设备的样机交付。材料端，传统铜箔生产企业诺德股份与苏州道森钻采设备共同研发3微米等极薄铜箔及复合铜箔，储备下一代铜箔技术；新型铜箔制造商布局更为积极：其中，1）重庆金美：主打产品产品MA及MC，一期项目规划产能达3.5亿平方米（其中包含复合铜箔2.95亿平米、复合铝箔0.48亿平米），并进入量产阶段；2）宝明科技：计划在赣州投资建设锂电复合铜箔生产基地，一期年产能约为1.5-1.8亿平米；3）双星新材：2020年公司开始立项PET铜箔，目前产品已提交客户进行验证。此外，万顺新材、宁德时代以及厦门海辰等均有布局PET生产技术。随着越来越多的参与者加入，技术迭代加速，新材料渗透率有望快速提升。 投资建议：建议关注PET铜箔设备企业：东威科技、道森股份；PET基膜材料供应商：双星新材；PET铜箔材料企业：宝明科技、重庆金美（未上市）、诺德股份；布局PET铜箔材料的电池厂商：宁德时代、厦门海辰（未上市）。 风险提示：材料渗透率不及预期；全球锂电池需求不及预期；电池技术路径变化等。 1上周组合表现 上周关注组合：智立方、苏试试验、C北路、长川科技。截至2022年8月12日，周区间涨跌幅7.99%，同期机械设备申万指数涨跌幅0.82%，同比跑赢设备指数。从2021年11月21日组合开始至今，累计收益率-10.94%，跑赢沪深300指数3.35pct，跑输申万机械指数2.18pct。 2复合铜箔：明日之星 2.1动力电池的三大核心要素：安全性+能量密度+经济性 集流体用于存放正负极材料，是锂电池重要组成部分。锂离子电池使用电解铜箔作为锂离子电池的负极集流体，铜箔在电池中既充当负极活性物质的载体，又充当负极电子流的收集与传输体，因此，铜箔集流体对锂离子电池的电化学性能有很大的影响。早期的锂离子电池多使用压延铜箔作为负极集流体，但随着电池技术的发展和电解铜箔性能的提升，电解铜箔已经成为主流技术。然而面向高能量密度电池的高比容量三元正极材料的应用，使锂离子电池更容易发生热失控，不仅降低了电池的安全性也限制了锂离子电池的进一步发展。因此，追求高能量密度的同时，保证电池的安全性，并且还具备一定的经济性，成为电池产业链目前亟待解决的核心问题。由此，复合铜箔技术应运而生。 安全性：锂离子电池通常会由于热失控导致灾难性事故，因此提高电池安全性并且防止电池热失控成为电池商业化应用最为核心的话题之一。热失控通常会由机械滥用（包括碰撞、挤压、穿刺）、电滥用（如过充电、过放电、短路）和热滥用（如局部过热）等，在循环期间的一些潜在缺陷也可能演变为诱因。 能量密度：电池的能量密度是指电池平均单位体积或质量所释放出的电能，电池能量密度越高，则单位体积或/质量储存的电量越多，汽车的续航能力延长。提升续航能力是新能源汽车追求更高使用体验的核心要求之一。 经济性：随着电池性能不断提升，叠加上游原材料涨价，对于电池生产的成本压力逐渐加大，因此经济性也成为衡量电池材料的重要指标之一。 2.2复合铜箔材料应运而生 围绕动力电池面临的三大核心要素，复合铜箔应运而生。通过优化集流体的结构及组成，同时提升了动力电池的安全性、能量密度以及经济性，对于动力电池更为广泛的应用奠定基础。同时，由于集流体材料构成以及结构发生差异，使得生产工艺也有所不同。我们以铜箔为主要分析对象，重点比较传统铜箔和复合铜箔在材料和结构上的差异，进一步分析特殊结构1）对于电池性能的提升，2）对生产环节带来新的挑战。 2.2.1材料：纯铜vs铜+塑料膜，增加经济性及能量密度 从材料组成上看，1）传统的电解铜箔和压延铜箔属于纯铜箔；2）复合铜箔属于复合材料，核心由三大部分组成：支撑层、粘接层和金属层构成。其中，关于支撑层，通常可以选择PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PP（聚丙烯）或者PI等不同的塑料层，可选厚度包括4.5μm、6μm和12μm等。在复合集流体中，由于铜的用量降低，而支撑层的聚合物材料密度低于金属铜，因此在单位体积下复合材料的重量更轻，或者说电池的重量能量密度得到一定程度的提升。根据比亚迪专利，采用5μm的复合铜箔材料（1μm铜箔+3μmPP+1μm铜箔，电池2）的重量能量密度，会比传统铜箔负极集流体（6μm铜箔，电池0）高3.3%；此外，如果正极集流体也使用复合材料，重量能量密度能得到进一步的提升，较基准情形提高6.1%。 表1：传统铜箔与复合集流体的重量能量密度对比 根据重庆金美的环评报告，高导电性电子铝箔是传统铝箔厚度的1/2，且重量更轻；高导电性电子铜箔是传统铜箔厚度的3/4，同样重量更轻，较轻的重量使得电池的能量密度得到有效提升，对于电池续航能力的提升有重要的意义和市场前景。同时证明较轻的复合集流体的使用能进一步提高电池能量密度，进而提升电池的续航能力等。 图1：多功能复合集流体材料（MA） 图2：多功能复合集流体材料（MA） 在经济性方面，PET基膜等膜材的生产技术相对成熟，按照双星新材的最新资料，4.5μm厚度的PET基膜单位售价约为0.15元/平米（非生产成本），相比较传统的铜箔集流体而言，具备显著的成本优势。（注：铜密度约为8.95克/立方厘米，铜价假设70元/千克，则传统铜箔不考虑加工费用及其他成本，相同厚度下，对应的铜箔成本约为2.82元/平米）。但主要考虑到铜箔复合材料以及支撑层厚度是具有一定下限的，未来PET基膜对于复合集流体成本的下降，贡献仍然是有限的。 2.2.2材料结构：单一金属vs三明治型的夹芯结构，增加安全性 从材料结构上看，复合铜箔以绝缘高分子薄膜为支撑基材，两侧沉积金属层，而传统的电解铜箔或压延铜箔几乎由铜组成。从外观上看，传统锂电集流体与复合集流体没有存在实质性的差异，然而正是由于铜复合集流体的夹芯结构，最大程度保持电池在针刺条件下的安全性。 在传统锂电电池中，由于制造缺陷、锂枝晶以及外力损坏等原因，会使得分隔正负极材料的隔膜发生损坏；如果该组件发生故障，则会在负极和正极接触时产生短路，在这种情况下，由一系列有机溶剂组成的电解液容易局部快速升温并最终着火；但是复合铜箔中，短路引起的局部升温会使得铜箔的内部的PET材料快速降解，从下图2中可见，热失控下，复合铜箔及铝箔因受到高温影响迅速断裂，而较薄的铜箔也在高温下被快速氧化，由此达到隔离短路并防止热失控的效果。 图3：热失控下传统锂电铜箔的变化 图4：热失控下复合铜箔的变化 从电池针刺试验结果看，使用传统电解铜箔的电池会发生快速的燃烧爆炸，电池快速变形；但使用了复合集流体的电池在针刺后无起火冒烟的现象，有效阻止了电池的内短路，提升电池的安全性能。 图5：传统锂电电池的针刺实验结果（毁坏） 图6：复合锂电电池的针刺试验结果（相对完好） 2.2.3生产工艺：电解vs磁控溅射+电镀 从铜箔的制备工艺上看，电解铜箔的制造过程主要有四大工序，包括溶铜、生箔、后处理以及分切供需，其中溶铜和生箔环节是核心，溶铜中电解液及添加剂控制技术是最主要的控制因素之一，决定铜箔的生产性能和用途，而生箔环节核心设别是生箔机，生箔机的核心部件是阴极辊； 图7：电解铜箔的生产工艺流程 而复合铜箔的生产通常采用磁控检测+水平电镀的两步法完成制备： 复合铝箔产品在PET基膜的两面都沉积上铝，铝层厚度约为0.8-1.5μm，导电性可≤ 40m Ω，使薄膜两面都具有导电性，其制作工艺均为真空蒸发镀膜（蒸镀）； 复合铜箔产品在PET基膜的两面都沉积上铜，铜层厚度约为0.8-1.5μm，导电性可≤ 20m Ω，使薄膜双面都具有导电性，其制造工艺包含真空磁控溅射，铜或铝堆积层和清洗抗氧化保护。 老工艺的新应用。基材镀膜不但具有硬质衬底膜的光电特性，而且具有重量轻、可折叠、不易破碎等多方面的优点，已被广泛应用于高性能汽车贴膜、等离子电池平板显示、触摸屏、太阳能电池等领域。虽然根据不同的应用需求，对所镀膜层的功能性要求也存在差异，但是在基材上镀膜的工艺本身是属于老工艺。 复合集流体中镀膜大致可分为两步：1）蒸镀或磁控溅射形成具备特殊性能的金属薄膜，2）水镀加厚金属膜层。具体看： 蒸发镀膜：采用电阻蒸发源提供热源，使低熔点蒸发材料熔化，蒸发或升华成为蒸汽原子，然后沉积到基体表面形成膜层，具有成膜速率快，生产成本低等优点，在光学薄膜、热防护涂层和防腐蚀涂层的制备具有广泛的应用前景。但是热蒸发技术获得的膜层比较粗糙，膜层和基体的结合强度差，并且很容易形成粗大的柱状晶结构和较高的孔隙率，对薄膜的耐腐蚀和抗氧化性能相当不利。（蒸发镀膜涉及到高温工艺，因此对于一般的塑料薄膜层有所影响） 磁控溅射：利用阴极溅射原理进行镀膜，即氩离子轰击靶材表面，溅射出的原子成绩到基体表面成膜。磁控溅射可以实现大面积均匀膜层的制备，膜层厚度和成分易于紧缺控制，膜层结构致命性好，获得的膜层附着强度是一般热蒸发镀膜的10倍以上，但是磁控溅射技术却存在沉积速率缓慢，造成生产效率低和成本高的问题。 水镀：即是一般的电镀液电镀。即是针对各种本体和镀层的需求，配水镀液，被镀件置于水镀液中，作轻微晃动，在较短的时间内（如镀银，仅需30秒）即可完成。在基材表面实施金属化电镀工艺可达到防腐蚀、耐磨、抗刮且外观美丽的装饰功能，因此开拓了基材的应用范围。但是这种传统的电镀统一的前处理会造成大量的污水排放，对于环保有较高的要求。 图8：复合铝箔集流体制备过程（X为AlO或 SiOx ） 图9：复合铜箔集流体制备过程 表2：项目复合铜箔工艺与传统铜箔工艺对比 表3：传统铝箔与金美MA膜产品对比 表4：传统铜箔与金美MC膜产品对比 3PET铜箔设备市场空间或超百亿 核心假设： 1）2025年全球锂电池出货量规模：根据我们此前报告（《锂电池产能建设超级年，抓住锂电设备投资机会》20220117）的测算，2025年，国内锂电池出货量或达到1514GWh； 2）复合铜箔渗透率：考虑到PET铜箔兼具安全性、经济性以及高能量密度的特点，我们针对2025年国内PET铜箔的渗透率做敏感性分析，假设2025年PET铜箔渗透