复合集流体：从0到1的前夕，有望迎来星辰大海

行业报告|行业投资策略 证券研究报告 2023年12月03日 机械设备 复合集流体：从0到1的前夕，有望迎来星辰大海 作者： 分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 摘要 复合集流体采用“金属-高分子材料-金属”三层复合结构，通过真空蒸镀、磁控溅射等方式在高分子PET/PP膜表面形成纳米级金属，再通过水电镀将金属层沉积增厚到1μm以上。 复合集流体凭借兼顾能量密度、循环寿命、安全性和低成本的综合优势，对传统集流体替代优势明显。1）安全性 更胜一筹，是防止热失控的重要一环；2）复合铜箔更加轻薄，电池能量密度大大提升；3）上游铜价持续高位，复合铜箔未来降本效益明显，有望降至3元/㎡以下。 复合集流体产业链上游主要以铜材、膜材、设备厂商为主，中游为箔材厂商，下游为电池厂商；其颠覆传统集流体生产工艺，是不可多得的0-1细分赛道；但目前基膜选择（PET、PP、PI）、工艺路径选择（一步法、两步法、三步法）尚未确定并处于持续优化中，仍存在箔材穿孔、铜膜结合力差、产线效率低等技术痛点，因此暂时仅有理论经 济性尚未实现大规模量产经济性；但未来放量后新增空间可观，产业链企业有望充分受益，我们以两步法为例测算，在2025年复合铜箔渗透率达到20%的前提下，对应复合铜箔材料端/设备端市场空间分别有望达158/131亿元。 受益标的：1）设备端：东威科技、骄成超声、道森股份、三孚新科等；2）材料端：宝明科技、英联股份、双星新材、东材科技等。 风险提示：原材料成本费用波动；电镀铜/铝箔提产进度不及预期；生产节拍不及传统铜箔的水平，扩产主要依靠 对于瓶颈设备的投资，对产品投产初期有较大的资本压力；下游新能源车销量不及预期；测算存在主观性等。 资料来源：重庆金美官网，《锂离子电池用先进集流体的应用研究》张玉坤等，天风证券研究所 3 1.1什么是复合集流体？ 集流体是锂电池中的一种关键材料，作用是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。正极采用铝箔，负极采用铜箔。为提升电池能量密度和安全性以及降低成本，锂电池用集流体正在向高密度、轻薄化、高抗拉强度、高延伸率等方向发展。 复合集流体采用“金属-高分子材料-金属”三层复合结构，通过真空蒸镀、磁控溅射等方式在高分子PET/PP膜表面形成纳米级金属，再通过水电镀将金属层沉积增厚到1μm以上。 图：复合集流体示意图图：集流体制备工艺过程 1.2为什么关注复合集流体？ 复合集流体凭借兼顾能量密度、循环寿命、安全性和低成本的综合优势，对传统集流体替代优势明显，可有效支撑新能源电池行业在提高安全性、能量密度和降低成本方面的关键技术创新与产业结构优化升级。 表：MA工艺与传统铝箔工艺对比（以重庆金美为例） 对比项目 MC工艺传统铜箔工艺 备注 工艺原理 真空镀膜+离子置换（药溶铜电解+水电镀（镀液液成份较为简单、只涉成份复杂，涉及多种重及铜一种重金属）金属，传统镀液可能会 涉及氰化物） 基膜 用PET/PP原料膜作为基使用铜料，溶铜后生成膜原箔生产基膜 工序长度 8-1013-15 粗化工序 不需要，项目基材是平需要，为了铜箔与基材整、光亮的，并且使用间有较好的结合力，同酸度添加剂。故不需要。时为了电流分布均匀。 工艺优点：1）工艺流程大大缩短，采用真空镀膜工艺形成膜面作为阴 物料传送方式 采用连续离子置换法采用多种金属电镀方式（操作容易，效率好，（更容易使镀液滴漏到与空气接触时间较短）地面，且于空气接触时 间较长） 极，可直接在离子置换设备中反应，且真空工序无污染，铜箔的溶铜电解工艺同样有污染物排放；2）采用新型的药剂体系，规避了氰化物 生产环境前工序真空腔体构成了前工序在可密闭的电解密闭环境设备中进行 等剧毒物质，使生产过程的排污量更好，污染 水洗工序 只涉及碱/酸性离子置换因为传统铜箔生产涉及后清洗镀多种金属，镀后都需 要清洗 物也更容易处理；3）抗氧化采用有机抗氧化液，抗氧化直接进行烘干工 前工序污染物 有污水，含电解液和金无污水、无废气、废渣属废水；有挥发物废气；是有价值的金属渣、有废渣是无价值的含金属真空泵机械噪声泥，滤芯等；有机械噪 声 艺，药剂进行循环使用，避免了金属污染物的排放。 后工序污染物 有污水，含药剂液和金有污水，含镀液和金属属废水；有废气；废渣废水；有挥发物废气；是无价值的含金属泥，废渣是无价值的含金属滤芯等；有机械噪声泥，滤芯等；有机械噪 声 表：MC工艺与传统铜箔工艺对比（以重庆金美为例） 对比项目 MA工艺 传统铝箔工艺 备注 工艺原理 真空镀膜 压延 工序长度 4-5 8-9 工艺优点：1）工艺流 真空腔体构成了密闭 程大大缩短；2）避免 生产环境 环境敞开的车间环境，粉尘大了原有压延工艺尘埃 大、油污多等的问题； 无废水、无废气、废有废水，且有含油等废水渣是有价值的金属渣、有废气；废渣是有价值的 3）属于高效、简洁、清洁的生产工艺 资料来源：重庆金美官网，重庆金美环评报告，天风证券研究所 4 有真空泵机械噪声金属渣；有机械噪声 污染物类型 图：MA/MC对于集流体材料的跨越性提升 1.2.1安全性更胜一筹，是防止热失控的重要一环 复合集流体导电层较薄，局部短路易熔断，有效提高电池安全性。传统金属集流体，其金属材料更厚、不易熔化，当短路现象发生时，集流体尚未熔化、无法阻挡电流传递，亦无法阻止热失控现象的发生。由于复合集流体导电层较薄，短路时如保险丝般更易被熔断，局部电流被切断后短路电流大幅减小，温度升高幅度小，电池损坏仅局限于刺穿位点形成 “点断路”，快速融化从而不进一步传导电流，最终阻止电芯燃烧。 图：毛刺较小，高分子材料层熔点低快速切断失效电路 表：Soteria测试：极短时间内切断短路电流回路，产生电流微小 铝箔 铜箔 断裂前时间 5μs 28μs 生成电流 4×10^(-6)J 4x10^(-5)J 图：针刺实验中几乎没有电流在层间流动 资料来源：重庆金美官网，SoteriaBatteryInnovationGroup，天风证券研究所 5 1.2.2复合铜箔更加轻薄，电池能量密度大大提升 超轻薄化、高密度、高抗拉强度、高延伸率是锂电铜箔的重要发展趋势，可提升电池能量密度、容量、延长循环寿命。 铜箔“极薄化”技术迭代是顺应锂电池高能量密度与低成本趋势的重要一环：指标显示，在相同体积的锂离子电池中，铜箔的厚度越薄，其承载负极活性物质的能力越好，电池的容量越大、对电池的能量密度提升作用越大。根据锂电池能量密度计算公式：质量能量密度=电池容量/电池质量，即可通过电池容量恒定时减少电池质量，或保持电池质量不变而 提升电池容量两种方式来提升能量密度。相较8微米锂电铜箔，采用6微米和4.5微米锂电铜箔可提升锂电池5%、9%的能量密度。 有机材料密度低，可提升电池的能量密度：由于有机支撑层密度低，复合集流体重量减轻，有望提升能量密度。相比传统的金属集流体，由于导电层厚度减小，且有机支撑层密度较金属密度要小，在保证导电层具有良好导电和集流性能的情况下，降低了锂电池的重量，增加电池的能量密度。根据金美新材料官网，其复合铜箔面密度较传统铜箔降低77%，能量密度提高5%以上。 表：锂电铜箔技术趋势 在确保安全性的前提下，越薄越好 在同等条件下，影响电池的能量密度 厚度（μm） 性能要求 对锂电池性能影响 表：嘉元科技极薄铜箔产量明显上升 ≤6μm铜箔＞6μm铜箔 厚度均匀性影响电池容量、稳定性及一致性均匀性越高，电池容量和一致性越高 100% 面密度（g/㎡） 质量、容量以及能量密度面密度越低，电池越轻，容量和能量 密度越高 抗拉强度(MPa) 良率、容量、内阻和循环寿命 越高越好 表面湿润性 影响负极材料的附着性 越高越好 80% 60% 表：锂电池各材料质量/成本占比 成本占比47%15%9%4%12%6%7% 40% 20% 正极材料 负极材料 铜箔 铝箔 电解液 隔膜 其他 质量占比 39% 29% 13% 5% 15% 2% 6% 0% 2020 2021 资料来源：长江有色金属网，INSIHTANDINFO，CBEA，嘉元科技年报，高工锂电公众号，金美新材料官网，天风证券研究所 6 1.2.3上游铜价高位震荡，复合铜箔未来降本效益明显 上游铜价高位震荡，驱动原料端尝试降本：从上游材料竞争格局来看，复合铜箔的降本属性更受关注（复合铝箔更偏安全导向，降本效应一般）；近年来上游铜价上涨明显，我们预计铜价短期内仍有望震荡偏强运行。 复合铜箔用料少，对金属铜依赖降低：PET镀膜理论上单位材料的铜用量仅有传统箔的1/3左右，虽然目前复合铜箔的加工成本因处于制造初期成本比较高，叠加工艺不成熟导致良率相对不高，目前价格还没有传统铜箔低。但随着技术不断推进，后期形成规模效应后降本空间明确。 图：铜价持续处于较高位 表：在良率80%、90%、95%三种情景下对两步法6μmPET铜箔成本进行测算 资料来源：Wind，重庆金美环评报告，诺德股份公告，宋晓峰《高精度卷绕真空镀膜设备张力控制技术研究》等，天风证券研究所 7 电解铜（元/KG） 67.90 67.90 67.90 原料单价 PET切片（元/KG) 7.35 7.35 7.35 原材料成本(元/㎡） 1.25 1.25 1.25 设备价格（万元/台） 1000 1000 1000 良品率 95% 90% 80% 日产量（㎡/日） 14843 13392 11904 磁控溅射工 年产量（万㎡） 481 434 386 艺段 耗材（万元/年） 72.2 65.1 57.9 水电费用/机器维修（万元/年） 3 3 3 人工成本（万元/年） 20 20 20 图：PET铜箔的构成能降低对金属铜原料的依赖 单位制造成本（元/㎡） 0.61 0.66 0.73 设备价格（年/万元） 800 800 800 良品率 95% 90% 80% 日产量（㎡/日） 14843 9374 8333 水电镀工艺 年产量（万㎡） 481 304 270 段 耗材（万元） 72.2 65.1 57.9 水电费用/机器维修（万元/年） 3 3 3 人工成本（万元/年） 30 30 30 单位制造成本（元/㎡） 0.72 1.11 1.23 制造成本(元/㎡） 1.33 1.77 1.96 6μmPET铜箔最终成本(元/㎡） 2.58 3.02 3.21 VS6μm传统铜箔成本(元/㎡） 5.21 5.21 5.21 整体成本对比 -50% -42% -38% 2.复合集流体产业链剖析 上游 中游 下游 铜材厂商 膜材厂商 设备厂商 箔材厂商电池厂商 资料来源：各公司官网，天风证券研究所 8 2.1基膜选择：PET、PP并行推进，PI尚处研发阶段 基膜材料分为PP（聚丙烯）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PI（聚酰亚胺）三种，其中PET、PP复合技术率先落地，PI处于研发阶段。 表：PET，PP，PI对比图：PET膜循环测试产生的降解示意图 耐高温性能及物理强度 化学稳定性 PI处于最高一档，熔点温度达360℃以上；但基于PI超薄膜目前 良好的化学稳定性，聚酰亚胺材料一般不溶 PI 及可预计的数年内成本仍然居于 于有机溶剂，耐腐蚀、耐水解。 高位，显然目前无法作为复合集流体的量产直接选择。 PET PET居于第二档，其熔点温度达260℃以上，对需要高温及高电流密集参与的工艺来说，虽有挑战 但仍然具有较大可行性，尤其PET属于极性材料的特质也导致其更易与金属物质产生化学键联，即容易得到较强的镀层结合力。 PET虽然物理性能更强，更易作为镀膜加工的基材，但其容易在乙二醇、水、甲醇、氨中发生降解，而