其他专用机械：复合集流体系列报告一：复合铜箔量产前夜已至，设备公司优先受益

复合铜箔是新型锂电负极集流体材料，具备高安全、高比能、长寿命、低成本、强兼容等优势，有望替代传统铜箔成为主流技术路线。复合集流体为“金属-高分子材料-金属”三明治结构，以高分子绝缘树脂PET/PP/PI等材料作为“夹心”层，上下两面沉积金属铝或金属铜。复合铜箔具有五大优势，有望逐步实现对传统电解铜箔的替代：1）高安全：高分子层是不易断裂的绝缘材料，受热会发生断路效应，大大降低电池热失控风险；2）高比能：高分子层质量更轻，电池内活性物质占比增加，能量密度可提升5-10%；3）长寿命：高分子材料膨胀率更低，表面更均匀，可使电池寿命延长5%；4）低成本：潜在成本相比传统箔材理论上可降低50%以上；5）强兼容：可广泛应用于消费、动力、储能电池等领域。 复合铜箔处于量产前夜，商业化难点在于降本。目前复合铜箔已形成完整产业链，上游为原材料+设备厂商，中游为铜箔制造厂商，下游包括动力、消费、储能电池厂。目前由于在制备工艺、设备生产速度、良率等方面仍存在一定难点，复合铜箔制造成本仍高于电解铜箔，成为限制其大规模商业化的主要因素。未来随着设备迭代、工艺技术不断完善，复合铜箔降本空间大。 假设磁控溅射设备速率提升至 15m /min，电镀设备速率提升至13m/min，良率提升至90%，预计规模量产情形下复合铜箔生产总成本可降至2.88元 /m2 ，较传统铜箔生产成本低25%以上。 设备优先受益复合铜箔产业化推进，市场空间广阔。复合铜箔核心生产设备包括磁控溅射设备+水电镀设备+超声波滚焊设备，目前单GWh电池产能对应2台磁控溅射设备（1500万/台）+3台镀膜设备（1000万/台）+6台滚焊设备（200万/台），设备合计价值量为7200万/GWh。根据我们统计，到2025年主流电池厂新增产能超过2.06TWh，假设到2025年复合铜箔在新增产线上渗透率达到25%，存量产线上渗透率达到10%，预计2025年锂电复合铜箔设备市场规模达到148.86亿元，其中，磁控溅射设备市场规模为58.38亿元，电镀设备市场规模为63.24亿元，超声波滚焊设备市场规模为27.24亿元。 投资建议：复合铜箔产业化加速，量产在即，随着良率逐步提升以及设备工艺瓶颈逐渐解决，我们认为2023年有望成为复合铜箔量产元年，建议关注上游龙头设备企业，如【骄成超声】等；中游复合铜箔制造企业【宝明科技】、【双星新材】等。 风险提示：新能源汽车销量不及预期，电池厂扩产不及预期，复合铜箔产业化进度不及预期，复合铜箔渗透率低于预期，复合集流体技术路线变革超 1.复合铜箔是什么？ 1.1.复合铜箔是一种新型锂电池负极集流体材料 集流体是锂电池中的关键材料，作用为将电池活性物质产生的电流汇集起来，以产生更大的输出电流。锂电池电芯的主要构成部分包括正极、负极、电解液和隔膜四部分，电池在充放电过程中，电解液中的锂离子在正负极之间往返运动。集流体是锂电池电芯中正负极的重要组成部分，作为汇集电流的结构或零件，其作用为将电化学反应所产生的电子汇集起来导至外电路，从而实现化学能转化为电能的过程。由于放电原理的不同，目前正极采用铝箔，负极采用铜箔。 图1：三元锂电池充放电内部原理图 铜箔是锂电池负极材料的重要组成部分，约占锂电池总成本和总质量的8%和11%。铜箔具备良好的导电性、抗氧化性、抗腐蚀性、质地柔软、便于粘结等优异属性，叠加其原料丰富、价格低廉、工艺成熟等特点，是锂电池负极材料载体和集流体的首选材料。根据中国有色金属加工工业协会及YanoResearch数据，铜箔材料占锂电池总成本8%；根据《车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控》，铜箔材料质量占三元锂离子动力电池总质量11%，因此铜箔是影响锂电池能量密度和成本的关键材料。 图2：锂电池结构及负极极片构成 图3：锂电池成本构成 图4：25AhNCM三元锂离子动力电池材料质量分数 锂电铜箔降本、减重趋势明确。双碳背景下，随着新能源汽车、储能等新兴行业景气高企，锂电池产量呈现爆发式增长，电池厂、整车厂对锂电池材料的高能量密度、高安全性及提质增效等提出更严苛要求。在相同体积的锂离子电池中，铜箔的厚度越薄，浆料涂敷厚度增厚，可增大活性材料的用量，其承载负极活性物质的能力越好，可直接提升电池的能量密度。因此，锂电集流体向极薄、超纯、高抗拉强度和高延伸率方向发展成为大势所趋。 顺应行业发展趋势，复合铜箔技术应运而生。负极铜箔按制备方法可分为电解铜箔，压延铜箔和复合铜箔。目前电解铜箔为主流工艺；压延铜箔主要用于柔性覆铜板、电子电路板等；复合铜箔作为一种新型有机材料，能够提升安全性及电芯能量密度，有望成为未来锂电负极集流体的主流材料。 表1：传统铜箔与复合铜箔对比 复合铜箔为“铜-高分子材料-铜”三明治结构，以高分子绝缘树脂PET/PP/PI等材料作为“夹心”层，上下两面沉积金属铝或金属铜。目前行业尚未形成标准化的复合铜箔技术指标参数，对于有机材料基膜的选择尚未明确。综合成本和性能要求，短期看PET基膜的工艺进展最快，长期看PET/PP或将并行发展： PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）：化学性质为耐弱酸弱碱，高分子层表面附着力、材料耐高温性以及材料机械强度优于PP材料； PP（聚丙烯）：化学性质为耐强酸强碱，耐腐蚀性优于PET材料；具有很好的光学性能，透明度好；在高温下不释放有毒物质。但铜层在高分子层面的附着力较差，且PP熔点较低，溅射工艺中基膜易被击穿，导致良品率较低； PI（聚酰亚胺）：目前性能最好的薄膜绝缘材料，也是耐热性最好的品种，在机械强度、耐高温性能、耐化学腐蚀性能均优于前二者，但受制于工艺水平与制造生产成本，目前暂未成为主流路线。 图5：PET复合铜箔类似“三明治”结构 图6：热塑性塑料金字塔 表2：PI、PP、PET薄膜性能和应用情况对比 1.1.相较传统铜箔，复合铜箔具备高安全、高比能、长寿命、低成本、应用广等优势 （1）高安全性：规避内短路风险，提升电池安全性 PET复合铜箔能显著提升锂电池安全性。普通集流体材料受压易断裂，产生大尺寸毛刺后易刺穿隔膜，造成内短路从而引起热失控。而复合铜箔由于铜导电层厚度较薄，产生的毛刺尺寸小，且中间高分子不易断裂，即使断裂也无法达到刺穿隔膜的强度标准，有效防止锂枝晶穿透隔膜引发的热失控。此外，高分子材料为绝缘材料，受热会发生断路效应，因此短时间内可大大降低短路电流，电池安全性能得到大幅提升。 图7：针刺中复合集流体开裂，阻断正负极短路 图8：复合集流体在重物冲击中无毛刺产生，抑制短路 （2）高能量密度：重量降低50%-80%，能量密度提升5%-10% 由于PET层质量较轻，且铜箔层厚度变薄，重量较传统铜箔显著降低。以6.5μm厚度的PET复合铜箔为例，其中4μm的铜被4.5μm高分子材料PET替代，铜的密度8.96g /cm3 ，高分子材料PET的密度1.38g /cm3 ，粗略测算复合铜箔电池相较传统电解铜箔电池可减重约55%。 表3：PET复合铜箔较传统铜箔质量减轻约56% 随着重量占比降低，电池内活性物质占比增加，能量密度可提升5%-10%。电池的能量密度为电池平均单位体积或质量所释放出的电能。根据比亚迪专利显示，若将负极片中6μm的铜箔替换成1μm铜箔+3μm PP+1μm铝箔，重量能量密度可提升3.3%；若将正极片中10μm的铝箔同时替换成3μm铝箔+4μm PP+3μm铝箔，重量能量密度可提升6.1%。 表4：复合集流体电池能量密度得到提升 （3）长寿命：表面更均匀，循环寿命提升5% 高分子材料相比金属具有低弹性模量，围绕电池内活性物质层形成层状环形海绵结构，在电池充放电过程中，可吸收极片活性物质层锂离子嵌入脱出产生的膨胀和收缩应力，从而保持极片界面长期完整性，使电池循环寿命提升5%。 （4）低成本：复合铜箔对铜材价格敏感度更低，目前成本端还存在提升空间 原材料成本方面，传统铜箔为纯铜构成，而PET复合铜箔中采用高分子材料替代部分铜，按照目前铜价6.3万元/吨，PET切片价格为0.8万元/吨（截至2022年10月20日数据），结合密度可计算得6μm传统铜箔原材料成本为3.39元 /m2 ；6.5μmPET复合铜箔原材料成本为1.41元 /m2 ，较传统铜箔节省约57%，材料成本优势明显。制造成本方面，当前受限技术发展，复合集流体尚未达到量产阶段，制造成本相较传统铜箔未具备明显优势。根据我们产业链调研，目前复合铜箔总生产成本约4-5元 /m2 。随着设备工艺不断优化，产品良率不断提高，叠加大规模量产后摊薄设备与厂房折旧成本，复合铜箔有望占据成本优势。 图9：铜价为6.3万元/吨，PET切片价格为0.8万元/吨 表5：PET复合铜箔较传统铜箔的原材料成本节省约57% （5）应用广：复合铜箔可广泛应用于消费电池、动力电池以及储能电池等领域。 总结：高安全性是复合铜箔的主打优势，高比能、长寿命是其实现产业化的必备条件，中长期看，低成本将为复合铜箔带来更为广阔的应用前景。 1.2.主流技术路线为两步法，核心工艺为磁控溅射和水电镀 复合集流体工艺的核心逻辑在于使高分子材料表面“金属化”。由于高分子材料的结晶度大、极性小、表面光滑等特性，会影响镀层与基材之间的黏合力，且高分子材料大多数为不导电的绝缘体，因此无法直接进行电镀，需要先对高分子材料进行表面处理、活化等，使其表面沉积一层导电的金属膜。 与传统电解铜箔相比，复合铜箔的生产工艺流程缩短，工艺难度大大提升，核心为磁控溅射+水电镀工艺。复合铜箔生产工艺可分为两步法（磁控溅射-水电镀）和三步法（磁控溅射-蒸镀-水电镀），其中磁控溅射和水电镀是核心工艺，具体步骤为：①通过真空磁控溅射镀膜工艺，在高分子基膜上镀 50nm 厚度左右的超薄铜箔；②采用水电镀的方式加厚铜层，直至铜层达到1μm左右的厚度。“三步法”与“两步法”区别点在于在磁控溅射与水电镀之间加入了真空蒸镀环节作为过渡，减少后半段电镀工艺要求。结合产业链调研来看，经过测试，三步法良率较低，两步法（磁控溅射-水电镀）是目前最适合量产的工艺路线。 图10：相较传统铜箔，复合铜箔工艺流程缩短、难度提升 （1）第一步：磁控溅射。磁控溅射是一种物理气相沉积技术，通过荷能粒子轰击固体靶材，使靶材原子溅射出来并沉积到基体表面形成薄膜的镀膜技术，具体来看： 1.真空磁控溅射活化环节：采用4.5μ厚度的PET作为基膜，通过PVD（物理气相沉积）方式，通入纯净的氩气。电子在真空条件下，在飞跃过程中与氩原子发生碰撞，电离产生氩正离子和新的电子；受磁控溅射靶材背部磁场的约束，大多数电子被约束在磁场周围，氩离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击铜合金靶表面，使铜靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的铜靶原子或部分铜离子沉积在基膜上形成薄膜，厚度一般为5- 20nm ； 2.真空磁控溅射镀铜环节：采用前段工艺环节过后的物料作为基膜，重复相同工艺，在基膜上形成铜薄膜，厚度一般为10- 40nm ； 图11：真空磁控溅射镀膜设备工艺原理示意图 磁控溅射环节的主要工艺难点包括：①基膜较薄，收放卷时容易起皱变形；②镀膜过程中温度升高，需要散热；③张力控制方面，因为基膜幅宽较宽，材料容易拉扯变形；④磁控溅射过程需要高压放电，可能存在膜穿孔现象。目前，国内磁控溅射设备厂仍缺乏一定技术经验积累，存在箔材穿孔、镀铜不均、基材起皱变形等问题，且由于磁控和后续步骤的节拍限制，目前复合铜箔的单位设备效率尚不及传统箔材，限制了产品放量。 （2）第二步：真空蒸镀。真空蒸镀工艺环节是“两步法”与“三步法”技术路线的主要差异。真空蒸镀的原理是：在真空条件下，把金属加热至蒸发，使其均匀蒸发镀在薄膜的表面上。与磁控溅射镀膜相比，蒸镀法蒸发铜的量更大，对铜的沉积效率较高，能够加快复合铜箔生产效率，但缺点是蒸镀法在超高温环境下工作，而PET材料耐温性在180-190度左右，高温环境下PET材料易被烫穿形成孔洞，影响成品良率。 图12：腾胜科技感