机械设备行业深度报告：复合集流体：曙光渐近，设备先行

复合集流体：曙光渐近，设备先行 核心观点： 复合集流体：兼具高安全、低成本、极薄化的新型材料。复合集流体采用“金属-PET/PP高分子材料-金属”三明治结构，代替传统的铝箔和铜箔作为电池正负极材料，具备低成本、高安全、长寿命和高能量密度等优势。1）高安全性：近年来，由电池热失控引发的电动汽车起火自燃事故是新能源汽车安全性的 核心问题之一。复合集流体中间的高分子基材具有阻燃特性，在热失控前可快速 融化，电池损坏仅局限于刺穿位点形成“点断路”，并可缓解锂枝晶生长带来的压缩应力，从而延缓电池短路。2）高比能：为提升电池能量密度，延长续航能力，近年来锂电铜箔呈现轻薄化趋势。复合铜箔中铜厚度相比6μm铜箔减少 66.67%，复合铝箔中铝厚度相比10μm铝箔减少80%。复合集流体中间层采用 轻量化高分子材料，重量比纯金属集流体降低50%左右，可有效提升电池能量密度。3）低成本：传统铜箔的原材料成本占比约83%，而复合铜箔原材料成本占比约31%，且受产业化初期影响设备成本占比高达50%，复合铜箔生产通过规模 效应降低成本的空间更大。在技术完备条件下，复合铜箔大规模量产后有望实现 4.5元每平米以下，相较传统铜箔有望实现降低40%的制造成本。 复合集流体采用全新工艺，催生设备端投资机遇。复合铝箔制备的技术路线已经十分明确，主要采用真空蒸发镀膜干法工艺。即在厚度4.5～6.0µm的PET/PP基材表面采用真空蒸发的方式，双面镀制一层1µm的铝膜。目前复合铜箔的制备工艺存在多种路线，包括一步法（化学沉积法/真空磁控溅射/真空蒸镀法）、两步法（真空磁控溅射+水电镀）和三步法（真空磁控溅射+真空蒸镀+水电镀）。核心设备包括真空蒸镀、真空磁控溅射在内的真空镀膜设备，以及水电镀设备。此外，应用复合集流体后锂电池制备将多出一道采用超声波高速滚焊技术的极耳转印焊工序，带来对超声波滚焊设备的确定性需求。 产业化渐行渐近，设备环节有望迎来百亿市场。今年以来，广汽埃安弹匣电池2.0、宁德时代麒麟电池均采用复合集流体材料，麒麟电池已装车极氪001和009，问界M9也或将应用复合集流体，产业化趋势愈发明朗。从产业链现状来看，复合铜箔目前多种技术路线并存，玩家陆续入局，共同探索商业化路径。1）基材端，由于PET耐酸碱性较弱，在测试中出现高温循环跳水，复合铜箔基材或从PET转向PP。2）工艺设备端，“磁控溅射”+“水电镀”的两步法正逐步成为行业主流，成为宝明科技、纳力新材等进展较快、产能规划较大的复合铜箔材料厂主流选择的工艺路线。3）以目前复合铜箔主流两步法工艺测算，预计2025年磁控溅射+电镀设备+超声波滚焊设备市场空间合计达到143亿元。 投资建议：电池技术的不断发展叠加电池企业的降本需求，驱动动力电池产业链各环节技术持续更新迭代，设备企业有望迎来新的发展机遇。目前复合集流体处于从0到1的产业化前夜，复合铝箔商业化进展快但降本难度较高，复合铜箔技术路线尚存分歧，建议关注箔材厂送样测试及扩产进度，设备厂商将率先受益下游资本开支增长。推荐最具确定性的超声波滚焊设备厂商骄成超声，具备复合铜箔两步法核心水电镀设备量产能力的东威科技，关注一步法工艺设备厂商道森股份、三孚新科等。 风险提示：研发进展不及预期的风险；终端验证测试不及预期的风险；产能投产进展不及预期的风险；下游需求不及预期的风险；行业竞争加剧的风险等。 机械设备 推荐(维持) 分析师 鲁佩 ：021-20257809 ：lupei_yj@chinastock.com.cn 分析师登记编码：S0130521060001 相对沪深300表现图2023-12-25 机械设备沪深300 20% 15% 10% 5% 0% -5% -10% -15% -20% 资料来源：中国银河证券研究院 相关研究 行业深度报告●机械设备 2023年12月26日 www.chinastock.com.cn证券研究报告请务必阅读正文最后的中国银河证券股份有限公司免责声明 目录 一、复合集流体：兼具高安全、低成本、极薄化的新型材料3 （一）动力电池降本提效趋势下，复合集流体优势明显3 （二）传统集流体vs复合集流体：新工艺催生设备端投资机遇7 二、产业化渐行渐近，设备环节有望迎来百亿市场12 （一）产业链进展不断，商业化趋势明朗12 （二）多种路线齐头并进，两步法或成复合铜箔主流路线13 （三）2025年复合铜箔设备空间有望超百亿15 （四）工艺设备仍存问题亟待优化16 三、投资建议及相关标的18 （一）投资建议18 （二）相关标的18 四、风险提示24 一、复合集流体：兼具高安全、低成本、极薄化的新型材料 （一）动力电池降本提效趋势下，复合集流体优势明显 典型锂离子电池结构主要包括正极、负极、电解液和隔膜四部分。正负极通常采用一定孔隙的多孔电极,由集流体和粉体涂覆层构成。集流体的作用主要是承载电极活性物质、将活性物质产生的电流汇集输出、将电极电流输入给活性物质。锂电池集流体通常采用铜箔和铝箔。由于铜箔在较高电位时易被氧化,主要用于负极集流体；铝箔在低电位时腐蚀问题较为严重,主要用于正极集流体。锂电池充电时，加在电池两极的电势迫使正极的嵌锂化合物释放出锂离子，通过隔膜后嵌入片层结构的石墨负极中；放电时锂离子则从片层结构的石墨中析出，重新和正极的嵌锂化合物结合，锂离子实现移动，产生电流。铜箔在动力电池成本中占比9%，为提升电池能量密度和安全性，并进一步降低成本，锂电铜箔正在向高密度、轻薄化、高抗拉强度、高延伸率等方向发展。 隔膜,6% 其他, 7% 电解液,12% 正极材料, 47% 铜箔,9% 负极材料, 15% 图1：锂离子电池结构图2：锂离子电池成本结构 铝箔,4% 资料来源：《锂离子电池制造工艺原理与应用》，中国银河证券研究院资料来源：GGII，中国银河证券研究院 复合集流体采用“金属-PET/PP高分子材料-金属”三明治结构，以高分子绝缘树脂PET/PP等材料作为“夹心”层，上下两面沉积金属铝或金属铜，替代传统的铝箔和铜箔作为锂电池正负极。复合铜箔即是在塑料薄膜PET等材质表面上制作一层金属导电层的一种新型材料，相比传统电解铜箔，复合铜箔作为负极集流体的锂电池具有低成本、高安全、长寿命和高能量密度等优势。 表1：传统铜箔与复合铜箔对比 传统铜箔复合铜箔 工艺原理溶铜电解+电镀真空镀膜+离子置换 工艺区别核心工艺是在阴极辊中将硫酸铜电解液通过直流电 电沉积而制成原箔 直接采用真空镀膜与化学电镀铜工艺，将铜膜镀在非金属材料表面 组成99.5%纯铜高真空下将铜分子堆积到超薄型PP基膜上，再经过离子置换产出成品 示例 特点单位面积重量较重，金属铜材使用量高，成本高。 导热性能高，用于电池材料安全性差 中间层为PP膜，单位面积重量轻，铜材使用量少，降低成本和金属用量。中间层为绝缘层，用于电池材料安全性好 基膜使用铜料，溶铜后生成原箔生产基膜PET/PP原料膜作为基膜 工序长度13-158-10 资料来源：重庆金美环评报告，中国银河证券研究院 1、延缓电池内部短路，降低热失控风险 新能源汽车安全性重视度日益提升，复合集流体可有效降低电池热失控风险。近年来，由电池热失控引发的电动汽车起火自燃事故时有发生，是新能源汽车安全性的核心问题之一。锂离子动力电池“热失控”是一种由电池温度急剧上升而导致电池出现不可逆的失效现象，通常由电池内部物质发生连锁反应引起。诱发动力电池热失控的原因包括机械滥用（碰撞、挤压、穿刺）、电滥用（过充、过放和外短路）、热滥用 （外部高温烘烤）以及电池老化所引起的电池内短路等。传统铜箔在金属疲劳断裂或意外损坏情况下可能产生毛刺，电池过充导致过量的锂移动至负极形成锂枝晶，均可能导致隔膜被穿透从而引发内部短路，从而引发电池热失控。 图3：锂离子电池失效机理图4：动力电池热失控机理及流程 资料来源：《锂离子动力电池热失控机理及热管理技术研究进展》，中国银河 证券研究院 资料来源：《锂离子动力电池热失控机理及热管理技术研究进展》，中国银河 证券研究院 传统技术仅能对内短路起到延缓作用，并通常可能会造成电池能量密度的折损。复合集流体中间的高分子基材具有阻燃特性，其金属导电层较薄，短路时会如保险丝般熔断，在热失控前快速融化，电池损坏仅局限于刺穿位点形成“点断路”。此外，复合集流体相较传统集流体具备的中间基材层可缓解锂枝晶生长带来的压缩应力，使锂离子沉积更加均匀，电池循环寿命提升约5%。因此，采用复合集流体代替传统正负极，可有效提升电池安全性。 图5：复合铜箔避免穿刺短路图6：锂枝晶穿刺 资料来源：重庆金美官网，中国银河证券研究院资料来源：重庆金美官网，中国银河证券研究院 2、有效提升能量密度，契合新能源汽车长续航发展趋势 长续驶里程和低能耗是新能源汽车发展的方向，作为新能源汽车核心部件，就要求锂离子动力电池能量密度不断提升，从而带动以下几个方面的技术革新。1）电极材料变革：锂离子电池是利用材料的氧化还原反应来储能和释放能量，因此其能量密度的理论极限由发生氧化还原反应的活性材料决定，取决于反应过程中单位活性材料能够提供的电子数量以及材料的氧化还原电压。2）成组结构创新：动力电池系统一般 由电池包箱体、单体电池、电池管理系统、热管理系统和线束等组成。与电池工艺优化的原理相似，电池系统的电池成组结构创新也是为了降低电池包中单体电池以外的其他组件占比，进而实现电池系统的轻量 化。3）电池工艺优化：通过电池工艺调整来提高单体电池能量密度的方法，其本质是增加单位体积或重量 电池系统内的电极活性物质占比，降低非活性辅材如壳体、集流体和粘结剂等用量。从高能量密度电芯设计的角度来说，为了降低非活性物质的含量，选用密度低、厚度薄的正负极箔材有利于电芯能量密度的提升。 表2：箔材对能量密度的影响 铜箔 铝箔 厚度（μm） 电芯能量密度增加（%） 厚度（μm） 电芯能量密度增加（%） 10 0 16 0 8 1.69 14 0.67 6 3.39 12 1.01 4.5 4.75 10 1.58 4 5.08 8 2.02 资料来源：《高能量密度锂电池开发策略》，中国银河证券研究院 锂电铜箔极薄化趋势下，复合集流体有助于提升电池比能量。集流体作为正极材料和负极材料电子传输的载体，在电池的充放电过程中并没有提供任何的容量，同时，铝箔和铜箔的密度均较大，严重影响其能量密度。因此，如何用更轻的材料去取代传统的金属集流体是提高电池能量密度发展的一个重要方向。近年来锂电铜箔呈现轻薄化趋势。2018年宁德时代率先开始6μm电铜箔切换，当前已经实现90%以上渗 透率；比亚迪、国轩高科、中创新航、欣旺达等国内主流电池厂也在积极引入6μm锂电铜箔，6μm锂电铜箔逐步成为行业主流。根据GGII数据，6μm及以下锂电铜箔占比从2020年的50.4%提升至2022年的86.2%。更薄的4.5μm铜箔也正在成为国内头部锂电铜箔企业布局的重心。 图7：电解铜箔分类图8：锂电铜箔产品结构 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ＞6μm6μm＜6μm 202020212022 资料来源：GGII，中国银河证券研究院资料来源：GGII，中国银河证券研究院 复合集流体中间层采用轻量化高分子材料，重量比纯金属集流体降低50%左右。复合铜箔中铜厚度相比6μm铜箔减少66.67%，复合铝箔中铝厚度相比10μm铝箔减少80%。按铜密度8.96g/cm3、铝密度2.7g/cm3、PET密度1.38g/cm3计算，则6.5μmPET铜箔相比6μm铜箔和4.5μm铜箔，减重幅度分别达 到55%和40%；8μmPET铝箔相比12μm铝箔和10μm铝箔，减重幅度分别达58%和49%。金属用量 的节省部分用PET等材料进行替代后，保障安全性的同时重量更轻，产品综合性能更优。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%。