复合集流体专题报告：新技术迎来突破，产业化黎明将至

复合集流体专题报告 新技术迎来突破，产业化黎明将至 西南证券研究发展中心汽车与新能源团队2023年3月 核心观点 复合集流体具有高安全性、低成本、高能量密度的优势。复合集流体中间的聚合物基材具有绝缘作用和阻燃性能，在电池内短路情况下，形成“点破”状态，有效提升电池安全； 按照原材料BOM成本测算，复合铜箔/复合铝箔相较于传统铜箔/铝箔成本减少65.49%/67%，但由于前期设备投入、工艺稳定性、成品率等问题，量产产品成本优势有待提升； 相同厚度的复合集流体重量占比比纯传统集流体低，活性物质占比增加，能量密度有效提升。 复合集流体工艺相较于传统工艺流程缩短、污染少、且危险性低。 复合集流体材料处于量产前期，市场增长速度较快。复合集流体受到了原有集流体厂家以及新加入的厂家青睐，处于快速布局阶段，我们估算6.5um的复合铜箔单Gwh用量226.9吨，8um复合铝箔单Gwh用量136.2吨，我们预计到2025年复合铜箔、铝箔需求分别为30.88亿平米和24.7亿平米，我们预测23/24/25年复合铜箔的市场空间分别为1.5/9.45/32.42亿，实现快速增长。 复合集流体目前生产效率低、倍率性能有待提升。基材在加工过程中易褶皱，且现有工艺相较于传统工艺复杂，导致成品率低； 复合箔的PET/PP基材和金属存在较大的接触电阻，同时由于阻燃剂等介质的加入以及材料本身和基材的结合力问题，会导致电池的电阻增加，电池功率会下降，影响快充性能。 目前复合集流体处于性能验证充分，缺少订单催化的阶段。 风险提示：新能源汽车增长率不及预期；复合集流体渗透率不及预期；复合集流体产品合格率不及预期；复合集流体降本不及预期。 1 目录 电池集流体技术革新路径 复合集流体优劣势以及工艺介绍 复合集流体竞争格局 总结 风险提示 2 集流体基本情况介绍 集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一，它不仅能承载活性物质，而且还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出，有利于降低锂离子电池的内阻，提高库伦效率、循环稳定性和倍率性能。 正极电位较高，为防止集流体在充放电过程中被氧化，使用铝箔作正极集流体；负极电位较低，为防止腐 蚀，铜箔用作负极集流体。 发展趋势：目前运用于电芯生产的正极铝箔厚度在10~20um（12um），铜箔厚度在6~8um，铝箔主要采用轧制铝箔，铜箔主要采用电解铜箔。超纯、高导电率、高强度、高柔性和超薄的集流体是未来集流体的发展趋势。 锂电池充放电反应与集流体示意图 电池热失控过程以及集流体反应示意图 数据来源：中科院青岛生物能源与过程研究所，《HowDoesaLithium-ionBatteryWork?|DepartmentofEnergy》，西南证券整理3 复合集流体的技术革新 通过集流体的发展历史可以看出，都是朝着更加轻薄/安全的方向去发展，复合集流体具有这块优势，也就应运而生。 复合集流体是以PET/PP等高分子材料作为中间层基膜，通过镀膜等工艺，在基膜上下两面堆积出双层铜/铝导电层所形成的复合材料，通过不同材料之间的复合能最大程度地集合不同材料之间的优势。结构方面，复合集流体表现为“金属-PET/PP高分子材料-金属”的“三明治”结构。 复合集流体结构图 在卷绕真空镀膜过程中，由于铜箔需要保持一定机械强度和厚度，避免镀膜过程中直接击穿基膜，因此集流体不可能无限减薄，目前工业量产的复合集流体中复合铜箔基本采用的4.5um的OPP(聚丙烯）作为基材，先通过磁控溅射50nm（单面）的铜箔，然后再水电镀1um（单面）铜箔，形成最终的成品下线；复合铝箔采用6um的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）作为基材，通过蒸镀1um（单面）铝箔，形成最终成品下线。 集流体的技术革新路径 数据来源：《Areviewofcurrentcollectorsforlithium-ionbatteries》，《Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ion4 batteries》，西南证券整理 目录 电池集流体技术革新路径 复合集流体优劣势以及工艺介绍 复合集流体竞争格局 总结 风险提示 5 复合集流体优势：高安全、低成本和高能量密度 安全性：复合铝箔主要是出于安全性出发，电池发生安全问题主要是在带电状态下，而带电状态下的安全问题主要是内短路（杂质/锂枝晶/生产工艺问题）形成的；在大电流充电或者锂离子数量超过负极可接受程度以及其他极端工况后，表面会生长锂枝晶，不可逆枝晶不仅导致电池容量降低，且存在安全隐患，一旦生长的枝晶刺穿隔膜，正负极短路会导致安全问题； 复合铝集流体中间的聚合物基材具有绝缘作用和阻燃性能，其金属导电层较薄，短路时会像保险丝一样熔断，在热失控前迅速熔化，电池损坏只限于穿刺部位形成“点破”，有效形成“断路效应”，防止持续大电流形成电池过热问题，有效解决安全性问题。 高分子层具有“短路效应” 针刺过程中，复合集流体直接断开，不形成短路点，有效 锂枝晶/杂质穿透问题 防止电池安全问题 数据来源：BaiP,GuoJ,WangM,etal.InteractionsbetweenLithiumGrowthsandNanoporousCeramicSeparators[J].Joule,2018.，西南证券整理6 复合集流体优势：高安全、低成本和高能量密度 低成本：复合铜箔有效降低成本。按PP价格为0.8万元/吨、铜价6.17万元/吨与铝价1.63万元/吨（2023年3月3日的数据），结合密度可计算得出6.5μm复合铜箔及8μm的复合铝箔成本分别为1.15元/㎡和0.15元/㎡，较传统铜箔、铝箔减少62.93%/67%的原材料成本。但受限于设备、工艺、材料等的进展，目前量产复合集流体中复合铜箔相较于传统铜箔便宜0.1-0.2元/㎡，复合铝箔相较于传统铝箔贵3-5倍，未来随着设备、工艺、成品率等性能提升，价格有望下降。 集流体与复合集流体材料成本对比 高能量密度：复合集流体中间层采用轻量化高分子材料，根据崔屹教授团队研究得出，相同厚度（9um）的复合铜箔的重量比纯金属集流体降低近80%，随着重量占比降低、电池内活性物质占比增加，能量密度能有效提升。 材料组成密度 价格 原材料成本 质量能量密 （g/cm3） （万元/吨） （元/m2） 度增加率 传统铜箔 6μm铜 8.96 5.74 3.09 4.5μmOPP基1.06 0.8 0.04 OPP复合铜箔材8.96 6.17 1.1157.79% 传统与复合集流体质量密度对比 2μm铜传统铝箔10μm铝 2.7 1.63 0.44 PET复合铝箔6μmPET材料 1.37 0.71 0.0649.56% 2μm铝 2.70 1.63 0.09 复合铜箔相对传 统铜箔成本优势62.93% 复合铝箔相对传 统铝箔成本优势67% 数据来源：Wind，《Areviewofcurrentcollectorsforlithium-ionbatteries》，西南证券整理7 复合集流体劣势：生产效率低，影响电池倍率性能 生产效率低：基材使用PET/PP软材质，在二次加工过程中易褶皱，且由于磁控溅射/蒸镀/水电镀膜技术相较于传统铜/铝箔工艺复杂，也会导致成品率低，例如磁控溅镀存在靶材利用率低的问题，导致薄膜的生产周期、均匀性受到影响，目前市面上效率较好的磁控溅射设备全年按照300天生产时间计算，预计1Gwh的产出量，相较于传统工艺效率低； 内阻大，倍率性能降低：复合箔的PET/PP基材和金属存在较大的接触电阻，同时由于阻燃剂等介质的加入以及磁控溅射材料本身和基材的结合力问题，会导致电池的电阻增加，电池功率会下降，影响快充性能。从铜箔层的厚度与阻抗系数关系看，铜层厚度在2um左右，导电率和阻抗有一个平衡点，随着厚度的增加，阻抗系数逐渐降低；从复合集流体厚度与电导率看，厚度较薄时电导率较低，当复合铜箔双层铜层合计的厚度达到4um后，电导率与传统铜箔接近。 传统集流体和复合集流体对比 劣势 传统箔材 复合箔材 复合集流体厚度与阻抗系数、电导率关系 箔膜刚性不足易褶皱，磁控 生产效率低工艺成熟，产能较充足溅射效率低，箔材易穿孔， 镀铜不匀，需要转接焊接等。 内阻大，电子传输速率快，导电镀层结合度差，铜层较薄情 倍率性能降低效果良好，有效提升快况下阻抗较高，电导率较低 充性能 数据来源：上海期货交易所，重庆金美新材环评报告，西南证券整理8 工艺：基材PI、PP与PET性能对比选择 PI(聚酰亚胺）：是目前性能最好的薄膜类绝缘材料，使用温度可以从-269℃-400℃，具有优异的耐高温、耐低温性能，在机械强度、耐高温性能、耐化学腐蚀性能方面均领先，但是成膜困难，价格贵，量产产品中很少用到； PP（聚丙烯）：具有优秀的电绝缘性、柔韧性及弯曲疲劳强度，价格低，相对容易获得，使用温度从-30℃—140℃，容易在低温环境变脆，熔点相对不高，进行溅射工艺时容易被击穿，在80℃以下能耐酸、碱、盐液及多种有机溶剂的腐蚀，如果PP用于复合铜箔，再水电镀工艺中一般温度保持在100℃以上的腐蚀性环境下，工艺控制不好会被腐蚀基材，良品率降低，考虑到其高绝缘性能，提高电池的安全性能，通常用作铝箔的基底用作正极集流体； 基底材料性能对比 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）：价格便宜，性价比高。其透明度高、硬度高、耐腐蚀，一般的使用温度从-70℃-150℃，高低温对其机械性能影响较小。 材料性能 抗张强度 耐温性（℃） 价格（万/吨） PI（聚酰亚胺） 特种塑料，绝缘性能强，超薄材料加工成型难 ＞500Kg/cm² -240℃--260℃ 58.5（12.5um） PP（聚丙烯） 通用塑料，电绝缘性能好，柔韧性较好，在80℃以下能腐蚀，溅射过程易被击穿 ＜300Kg/cm² -30℃--140℃ 0.78 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯） 工程塑料，易加工成型，成本性能居中，耐腐蚀 ＜500Kg/cm² -70℃--150℃ 0.71 数据来源：《聚酰亚胺——化学、结构与性能的关系及材料枠》，西南证券整理9 工艺：复合铜箔采用磁控溅射镀膜+水电镀组合工艺 传统铜箔的制造生产工艺可分为电解和压延两种方式，目前主流为电解法，其设备简单，加工成本更低； 复合铜箔工艺主要是两步法，磁控溅射+水电镀：目前市面上磁控溅射镀膜厚度一般在80-200nm厚度不等，然后再通过水电镀1um厚度的铜箔材； 水电镀工艺主要考虑基材的导电性以及生长均匀性控制，工艺相对较成熟。 复合铜箔生产工艺流程图 磁控溅射镀膜工艺原理 出货 打包储存 分切2 烘干 防氧化处 理 水洗 酸性离子 置换 分切1 表面粗化 真空磁控 溅射镀铜 真空磁控 溅射活化 原膜 数据来源：重庆金美新材料，成都齐兴官网，西南证券整理10 工艺：复合铝箔采用蒸镀工艺 复合铝箔集流体主要采用蒸发镀膜工艺，主要是受限基材OPP原因以及成膜效率等因素； 蒸发镀膜主要有电阻加热、电子束加热、高频感应加热三种方式，都是高温、高热技术将靶材蒸发或者升华，然后通过引导将离子沉积在基底上，工艺技术都较为成熟，目前针对连续性蒸镀设备，考虑到产品/成品率/成本等因素，主要采用电子束加热技术。 蒸发镀膜工艺原理图 工艺原理优点缺点 各种蒸发镀膜工艺原理及优缺点 电阻加热 通过电流的焦耳热使镀料工艺简单成熟，适用于熔成膜均匀性差 蒸发工艺 熔化，蒸发或升华 点低于1500℃的材料 电子束 使用高能密度的电子束轰1、可蒸发高熔点材料；2残余气体分子电离后 加热蒸发 击靶材使其蒸发 避免蒸发源材料蒸发，污会影响成膜质量染箔材；3、热效率高 高频感应加热蒸发 高频电磁场的感应下产生1、蒸发速率大；2、蒸发强大的涡流电流和磁滞效源温度稳定；3