锂电行业深度系列十一：复合集流体降本增效大趋势，产业化迎来曙光

证券研究报告|2022年10月17日 锂电行业深度系列十一：复合集流体 降本增效大趋势，产业化迎来曙光 行业研究·深度报告电力设备新能源·锂电池 投资评级：超配（维持评级） 证券分析师：王蔚祺010-88005313 wangweiqi2@guosen.com.cnS0980520080003 当前锂电池正极和负极分别使用金属铝箔和铜箔作为集流体，用于汇集电流的结构或零件；其中负极所采用的传统铜箔厚度通常为6um-12um，占电池质量比例约9%，占成本比例约8%-10%。考虑到铜材本身密度较大，并且价格相对较高，因此铜箔的轻薄化可有效降低电池质量和成本，为当前集流体创新研发的主流方向。铜箔需要保持一定机械强度，不可能无限减薄，因此复合铜箔成为轻薄化的新思路——可具备存在高安全性，高能量密度以及低成本优势。 目前复合铜箔的结构主要为三层，上层和下层分别为厚度2um的铜层，中间层为4um的高分子层。复合铜箔的优势在于：1）高安全性，复合铜箔因铜层薄产生毛刺较少，同时高分子层添加阻燃剂有助于防止热失控；2）高循环寿命，复合铜箔有效缓解锂枝晶问题，同时库伦效率较高，循环寿命得到提升；3）高能量密度，6um复合铜箔较较传统铜箔减重57%，相应减少电芯质量约5.4%，电芯质量能量密度提升约5.6%；4）低成本，按当前60%良率测算，目前复合铜箔单位成本为4.11元/平米，随着良率提升，未来复合铜箔成本将进一步低于传统铜箔。 复合集流体工艺难度较高，且与传统集流体有显著区别。复合铜箔的基材可分PI/PET/PP等高分子材料，综合性能以及成本看，目前行业内主要选用PET（耐高温聚酯薄膜）为主。生产工艺方面，传统铜箔生产流程主要为溶铜电解—水电镀，而复合铜箔生产过程可分为两步法（磁控溅射—水电镀）和三步法（磁控溅射—蒸镀—水电镀），其中磁控溅射环节对设备要求较高，是影响产品良率和性能的关键。 创新技术带动产业链变化。目前相关企业正在积极推进产业化。1.设备端：东威科技、骄成超声为代表的设备企业均开始供应下游客户。2.产品端：重庆金美、厦门海辰、万顺新材、宝明科技以及传统铜箔企业中一科技、嘉元科技、诺德股份等均在积极布局复合铜箔的研发及生产。我们预计2025年悲观/中性/乐观情况下6um复合铜箔需求量为9.7/19.38/38.76亿平，对应6um复合铜箔市场空间为50.4/100.8/201.6亿元；设备投资方面，预计至2025年磁控溅射与水电镀设备累计投资额达到294.9亿元，23-25年行业新增设备投资额为56.7/100.3/131.6亿元。 产业链相关公司：东威科技、骄成超声、宝明科技、万顺新材、中一科技、嘉元科技、光华科技风险提示：复合集流体研发和产业化进展不及预期、下游需求不及预期、行业进入者竞争加剧 01 复合集流体介绍 02 03 复合集流体产业链及市场空间测算产业发展情况 第一章 复合集流体介绍 •集流体的功能：1.承载性，自身承载正负极活性物质；2.传导性，在充放电过程中，将正负极电流输入给活性物质，也将活性物质产生的电流汇集输出。 •一般而言，在锂电池集流体中，正极通常使用铝箔，负极使用铜箔，原因在于：正极电位较高，负极电位较低。铜箔在较高电位时容易被氧化，故主要用于负极集流体，厚度通常为6-12um，目前以6um厚度为主。铝箔在较低电位时腐蚀问题严重，因此主要用于正极集流体，厚度通常为10um-16um，目前以12um厚度为主。 图1：锂电池充放电反应与集流体示意图图2：集流体反应示意图 资料来源：《锂离子电池制造工艺原理与应用》、国信证券经济研究所整理 资料来源：《TowardMassProductionofCVDGrapheneFilms》、国信证券经济研究所整理 •当下，铝箔厚度通常为10um，更低可达到8um；铜箔厚度通常为6um，更低可达到4.5um；质量占比方面铜箔约占9%，铝箔约占7%； •成本占比方面，以动力电池的三元5系为例，铝箔成本占比为1.3%，铜箔成本占比7.8%； •以磷酸铁锂为例，铝箔成本占比1.7%，铜箔成本占比近10%； •集流体轻薄化主要带来：1.降低电池的材料成本；2.通过减薄和减重从而提升电池能量密度，相较8um锂电铜箔，采用6um/4.5um锂电铜箔分别可提升锂电池5%/9%的能量密度。 图3：三元电池电池质量占比 图4：电池成本占比（三元5系） 图5：电池成本占比（磷酸铁锂） 铜箔,8.9% 电解液,11.2% 铝箔,6.9% 隔膜,3.6% 结构件,30.2% 其他0.5% 粘结剂3.0% 导电剂0.5% 电解液9.9% 隔膜2.3% 负极材料5.4% 铝箔结构件铜箔1.3%4.4% 7.8% 正极材料64.9% 铜箔9.9% 其他 0.7% 粘结剂3.8% 导电剂1.2% 电解液13.1% 隔膜 铝箔1.7% 结构件5.6% 正极材料52.2% 正极,14.5% 负极,25.5% 4.0% 负极材料7.9% 资料来源：Areviewofcurrentcollectorsforlithium-ionbatteries、国信证券经济研究所整理 资料来源：鑫锣锂电、国信证券经济研究所整理及测算 资料来源：鑫锣锂电、国信证券经济研究所整理及测算 •由于铜箔需要保持一定机械强度，因此集流体不可能无限减薄，同时集流体减薄将提升加工环节的成本。 •复合集流体为新的技术路径，通过在高分子材料层材料两侧镀一定厚度的铜层，形成“三明治”型的复合结构，目前复合集流体中采用的高分子层厚度一般约4um，上下两层铜层厚度各1um，合计约6um。中间层选用高分子材料，可选择PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PP(聚丙烯）、PI（聚酰亚胺）。 •复合集流体通过高分子材料的替代部分金属材料，可显著降低集流体的材料成本和重量。 图6：复合集流体优点图7：复合集流体结构图 高安全性 复合集流体 高能量密度 高循环寿命 低成本 资料来源：YiCuietal.《Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries》、国信证券经济研究所整理 资料来源：YiCuietal.《Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries》、国信证券经济研究所整理 •复合集流体可有效防止热失控。一方面如下图8所示，复合集流体金属层较薄，因铜箔而产生的毛刺尺寸小，并因为高分子材料层作为绝缘材料会发生断路效应，故而刺穿的隔膜的可能性低，因而可有效防止电池自燃。 •另一方面如下图9所示，复合集流体含阻燃材料可具备自灭火功能。崔屹教授在其论文中揭示，在高分子材料层加入TPP阻燃材料，在材料燃烧过程中，可减少氧气含量，从而起到自灭火功能，降低热失控发生的概率。 图8：复合集流体产生毛刺尺寸较小，防止刺穿隔膜图9：复合集流体有效防止热失控 资料来源：重庆金美新材料官网、国信证券经济研究所整理 资料来源：YiCuietal.《Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries》、国信证券经济研究所整理 •在锂电池负极中，通常会因为表面凹凸不平，导致凸起处的电子电荷分布变多,导致更多的锂离子被吸引而发生沉积形成锂枝晶。锂枝晶会不可逆地造成锂电池的容量和循环寿命，同时锂枝晶增大会刺穿隔膜导致短路引发热失控等安全性问题。 •如下图10所示，复合集流体相较于纯金属层延展性更好，将产生褶皱缓解锂枝晶生长带来的局部应力，使锂离子沉积更加均匀，减少锂枝晶问题出现。 •如下图11显示，复合铜箔在循环后容量保持，较纯铜箔更好，图12显示复合铜箔循环更加稳定，在循环后库伦效率相较于纯铜箔更高。复合集流体总体表现的循环寿命更优。 图10：复合集流体锂离子沉积均匀，减少锂枝晶问题产生图11：复合铜箔较纯铜箔循环后容量更高图12：复合铜箔较纯铜箔循环后库伦效率更高 资料来源：《Stress-drivenlithiumdendritegrowthmechanismanddendritemitigationbyelectroplatingonsoftsubstrates》、国信证券经济研究所整理 资料来源：《SiliconNanofibrilsonaFlexibleCurrentCollectorforBendableLithium-IonBatteryAnodes》、国信证券经济研究所整理 资料来源：《SiliconNanofibrilsonaFlexibleCurrentCollectorforBendableLithium-IonBatteryAnodes》、国信证券经济研究所整理 •高分子层密度较低，降低复合集流体重量，提升质量能量密度。高分子材料中，PET密度为1.38g/cm3，PP密度为0.89-0.91g/cm3，PI密度为1.39-1.45g/cm3，而铜的密度8.96g/cm3。高分子材料PET、PI密度约为铜密度的1/7，PP密度为铜的1/10。 •从下表1测算可以得出，三元电池中，1um铜箔+4um高分子层（PET）+1um铜箔的复合铜箔质量约为6um传统铜箔的43%，电芯质量减少比例约5.4%，质量能量密度提升约5.6%； •从下表2比亚迪的专利《复合集流体、电极片及电池》中亦可得出，磷酸铁锂电池中采用复合集流体降低整体重量同时提升质量能量密度。 负极集流体 正极集流体 质量能量密度增加率 表1：复合铜箔（PET）较传统铜箔质量下降明显表2：复合集流体整体提升质量能量密度（铁锂电池） 产品 传统铜箔 PET铜箔 铜层厚度6um2um 高分子基层厚度 4um 铜层密度 8.96g/cm3 8.96g/cm3 PET材料密度1.38g/cm3 单Gwh铜箔面积(万平） 1000 1000 单亿平重量/吨53762344 电池06um铜箔10um铝箔/ 电池1 1um铜箔+3umPP+1um3um铝箔 铜箔 +4umPP+3um铝箔 6.10% PET铜箔重量减少-67% 单Gwh用量/吨537.6234.4 电池2 1um铜箔+3umPP+1um10um铝箔3.30%铜箔 提升电芯质量能量密度5.6% 电芯质量减少比例（按铜箔占比8%计算） -5.40% 电池3 6um铜箔 3um铝箔 +4umPP+3um铝箔 2.60% 资料来源：高工锂电（GGII）、国信证券经济研究所整理及测算资料来源：比亚迪专利《复合集流体、电极片及电池》、国信证券经济研究所整理 •复合集流体原材料测算主要分为三类（原材料、设备折旧以及水、电、人工费用） •原材料：假设铜单吨价格为6.3万元；PET高分子层单价为0.84万元/吨，折合原材料单位成本1.18元/平米。 •设备：假设单GwhPET铜箔产量（0.1亿平）需要磁控溅射设备2台，单台设备价格1500万元/台，需要水电镀设备3台，单台设备价格1100万元/台，按照10年折旧期限，残值为0，折旧成本为0.63元/平米。 •水、电、人工费用：参照重庆金美环评报告，单位水费0.004元/平，单位电费为0.21元/平，假设人工费0.05元/平，其他耗材费用为0.4元/平。 •按照不同良率情况测算单位成本：良率为50%时，单位成本4.94元/平；良率为60%时，单位成本4.11元/平；良率为70%时，单位成本3.53元/平；良率为80%时，单位成本3.08元/平。 表3：复合集流体单位成本测算 项目 单位 数量 铜层 单价 元/吨 63000 单Gwh用量 吨 17