动力锂电行业：复合集流体产业化加速，市场空间广阔

投资建议：我们认为相较于传统集流体，复合集流体明显打开了减重的天花板，可助力提升电池能量密度，降低制造成本，同时还拥有提高安全性的潜力，有望部分替代传统集流体，市场空间广阔。由于复合集流体基本颠覆了原有生产工艺，上游设备厂商将率先受益，推荐标的：东威科技，受益标的：道森股份、三孚新科等；产业化进程较快的中游厂商也有望凭借新产品打造第二增长曲线，受益标的：英联股份、双星新材等。 复合集流体带来了一轮集流体材料的革新。集流体是电池电芯的重要组件，起到承载正负极的活性物质并汇集电流向外输出的作用，在很大程度上影响着电池性能。复合集流体是新一代集流体材料，呈三明治结构，中间为高分子层，上下为金属薄膜。复合集流体受外力穿刺时产生的毛刺较小，且在电池局部短路时，高分子层会熔化形成断路，同时疲劳断裂的概率降低，因此安全性能较好。在轻薄化方面，复合集流体的金属用量缩减，使得厚度、重量及原材料成本大幅减少，还可进一步提高电池能量密度。凭借多方位的性能提升，复合集流体有望成为未来主要的集流体材料之一，当前备受关注。 复合集流体颠覆了传统集流体的生产工艺。传统铝箔采用压延法制得，而复合铝箔通常采用真空镀膜法，在塑料膜上附上一层气化金属制得。铜箔的生产工艺同样存在显著差异，传统铜箔采用电解法制得，而复合铜箔目前主要采用磁控溅射+水电镀两步法，或中间增加真空蒸镀的三步法制得。具体而言，基膜需经过真空磁控溅射活化镀膜，碱、酸性离子置换增厚铜层。此外一步法相较两步法尽管效率偏低，但工序简单、均匀性好、良品率高，因此也成为了关注的重点，当前已有设备正式出货。由于复合集流体的生产流程及设备迥异，产线需新建，随着产业化持续推进，上游设备环节将充分受益。 复合集流体市场爆发在即。在新能源汽车与储能等高景气下游的带动下，锂电池出货量高速增长，刺激集流体市场快速扩大。我们认为待技术日益成熟，量产成本逐步下降后，复合集流体有望实现对传统集流体的部分替代，需求增长将更加迅猛。假设2025年复合铜箔渗透率达10%，对应复合铜箔需求量将达25亿m，市场空间约150亿元。因此复合集流体受到了众多厂商的追捧，纷纷入局，当前普遍处于送样验证阶段，处于产业化早期，待规模化量产并陆续收获订单后，中游制造企业有望打造第二增长曲线。 风险提示：下游的需求不及预期、产业化进展不及预期等。 1.集流体新技术迎来突破，电池电芯关键部件 1.1.电池电芯核心组件，集流体扮演重要角色 集流体是电芯的重要组成部分。集流体通常具有良好的电导性能和机械强度，它负责承载正极和负极的活性物质，并将电化学反应产生的电流汇集起来进行对外输出。同时集流体还能够有效分散和传递电芯内部产生的热量，提高电芯的散热效果，有助于维持电芯的温度稳定。良好的集流体设计和制造能够降低电阻损耗、提高电芯的输出功率和循环寿命，降低锂离子电池的内阻，提高电池的库伦效率、循环稳定性和倍率性能。 锂电池的正极集流体通常为铝箔,负极集流体为铜箔。 图1：集流体主要起到连接正负极和外部电路的作用 根据鑫椤资讯，在锂电池的成本占比中，集流体比例约为15%。根据GGII，在锂电池的重量占比中，集流体比例约为18%。 图2：锂电池中集流体成本占比约15% 图3：锂电池中集流体重量占比约18% 请务必阅读正文之后的免责条款部分 集流体材料包括金属、非金属及复合材料。锂电池集流体按材料类型可分为三种：1）金属（当前锂电池主流集流体为铜箔、铝箔，由于铜在较高电位易被氧化，因此用作负极集流体，铝在负极处腐蚀问题较严重，因此用作正极集流体）；2）非金属；3）复合集流体。 1.2.集流体轻薄化趋势逐渐明确 集流体的物化性质在很大程度上影响着锂电池的性能。集流体的主要物理指标包括厚度、厚度均匀性、面密度、表面粗糙度、抗拉强度、延伸率和孔隙率等，化学指标则包括抗氧化性、耐腐蚀性和耐热性等。部分指标是此消彼长的关系，高效生产高性能的锂电池需综合考虑这些指标。 目前，行业内特别关注的指标之一是厚度，集流体越薄，电池能量密度越高。然而，厚度越薄的铜箔断裂的风险越高，会影响电池的生产效率，也会影响电池的安全性，因此低厚度铜箔需要兼顾更高的抗拉强度或延伸率。由于锂电池对能量密度和安全性的高要求，集流体朝着轻薄化、高抗拉强度和高延伸率的方向发展。 表1:集流体多个指标影响电池性能 超薄超轻箔材为集流体发展趋势。更轻薄的集流体可显著降低电池成本并提高能量密度。GGII的数据显示，近几年6μm锂电铜箔渗透率提升显著，2022年达86.2%，较2019年提高了47.65pcts。甚至5μm超薄铜箔、4.5μm超薄铝箔正在逐步导入。但受限于材料强度，纯金属箔材进一步减薄减轻存在天花板，4.5μm超薄铜箔在实际生产应用过程中就易出现断带问题，影响生产效率。 图4：2022年6μm锂电铜箔渗透率达到86.2% 1.3.复合集流体带来了一轮集流体材料的革新 复合集流体有望成为未来主要的集流体材料。理想的锂离子电池集流体应具备高导电性、高稳定性、结合性强、成本低廉、柔性轻薄、抗拉强度高、延伸率适中、浸润性良好等优势特征。而复合集流体的出现顺应了技术发展需求。相较于传统集流体，复合集流体明显打开了减重的天花板，可助力提升电池能量密度，降低制造成本，同时还拥有提高安全性的潜力。 图5：复合集流体有望成为未来主要的集流体材料 复合集流体呈“三明治”结构。复合集流体由PET、PP等高分子材料作中间层基材，外层通过真空蒸镀等工艺，在基材上下两面沉积出Al/Cu金属导电层。 图6：复合集流体为三明治结构 复合集流体较传统集流体实现了多方面的跨越性提升。1）极高的安全性能：改善电芯界面，从材料端彻底解决纯金属集流体长期老化催化的可靠性问题；2）更高的能量密度：重量更轻，面密度较传统铜箔降低77%，能量密度提高5%以上；3）更低的制造成本：成本比传统箔材降低50%以上；4）更长的电池寿命：可是电池寿命有效提升约5%；5）更广泛的兼容性：复合集流体能够直接运用于各种规格，不同体系的动力电池如锂电池、固态电池、钠离子电池等。 图7：复合集流体实现多方位性能提升 锂离子电池事故的主要原因是由于无法预测的内部短路导致的热失控。 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，当毛刺穿透隔膜并使正负极接触时，会导致内部短路并引发热失控，导致电池温度不受控制地升高，超过临界点，进而引发起火甚至爆炸，是新能源汽车安全性的核心问题之一。此外，随着新能源车长续航等需求持续提升，产业界追求使用具有更高比容量的正负极活性材料(如高镍三元正极、硅碳负极等)，但这类材料的稳定性更差，提升锂电池能量密度的同时，往往对安全性提出了更高要求。 图8：热失控是锂电池事故的最主要原因 图9：内部短路会直接导致锂离子电池热失控 复合集流体具备更高的安全性： 1）传统集流体材料受到穿刺时会产生大尺寸毛刺，易造成内短路，引起热失控。而复合集流体高分子基膜不易发生断裂，即使受到穿刺，由于金属层较薄，产生的毛刺也较小，1微米镀铜的强度无法刺穿隔膜，从根本上降低了内短路风险。 2）在锂电池使用过程中，锂离子会在负极表面形成锂枝晶，造成不可逆的电池容量与使用寿命衰减，甚至会出现穿透隔膜使正负极短路的问题。而复合集流体的有机层不导电且熔点低，具有受热断路效应，在电池发生局部短路时，复合集流体中间的高分子材料层会瞬间融化，实现局部电流断路，可提供无穷大电阻从而有效避免电池全面热失控，将电池失效局限于内部短路形成的点断路。而传统集流体在内部短路时不容易熔断，易殃及附近正常工作的电池，从而引发严重事故。 3）在电池充放电过程中，金属疲劳问题是一个影响安全性的重要因素，特别是在快速充电情况下，高倍率的放电会显著减少材料的循环寿命。 相较于传统集流体，复合集流体的中间层高分子材料具有较大的弹性，能够吸收一部分疲劳应力，从而减少集流体的疲劳断裂。 图10：复合集流体可显著提高电池安全性 复合集流体金属用量显著降低。主流的传统负极集流体为6μm铜箔，由纯铜组成，主流的传统正极集流体为12μm铜箔，由纯铝组成。而复合集流体通常在高分子层的上下两面各仅有1μm的超薄金属层。 从重量角度来看：铜的密度为 8.96g/cm3 ，远高于PET膜材的 1.37g/cm3 。 相较于6μm的传统铜箔，复合铜箔中的铜用量减少了66. 7%。与传统铜箔单GWh用量600-700吨相比，复合铜箔重量减轻超50%。 表2：复合集流体较传统金属集流体可大幅减重 从原材料成本角度来看：根据Wind，目前电解铜价格约为6.85万元/吨，铝锭价格约为1.95万元/吨，PET材料价格约为0.73万元/吨。与传统集流体相比，复合集流体使用较少的金属，可以明显降低原材料成本。 复合集流体厚度减小质量降低有利于提高能量密度。对于体积能量密度，目前铝箔主流厚度在12微米左右，而采用复合铝箔可以轻松将其厚度降低至6-8微米，同体积下，电池活性物质用量可增加，体积能量密度由此提高。同时集流体重量降低，电池内活性物质重量占比增长，质量能量密度也将有所提升。 但复合集流体亦存在缺陷限制其快速渗透： 复合集流体目前仍存在导电、导热性较差的缺陷。铜层变薄会使得集流体内的电阻值增加，此外铜层变薄会导致电池内部热量传导效果变差。 受限于更高的电阻值和较差的导热性能，搭载复合集流体的电池快充性能较差。 复合集流体的材料和结构特性会使得电池制造过程中的加工难度增加。 例如，在涂覆和辊压环节中，由于PET材料和铜材料的延展性不同，可能会出现掉粉和断带的情况，因此需要进行相应的工艺参数调整。在极片烘干过程中，由于PET的熔点较低，高温烘干可能导致高分子材料的变形和融化，因此可能需要降低烘干温度并延长烘干时间。在极耳焊接时，由于复合箔材的高分子层不导电，需要增加转接焊工序。这些因素将会明显影响电池生产效率。 表3:复合集流体生产难度较高 2.复合集流体颠覆传统箔材生产工艺 2.1.复合铝箔通常采用真空镀膜法 复合铝箔生产工艺与传统铝箔差异较大。复合铝箔由真空镀膜的方式，在塑料膜上附上一层气化金属制得，相较传统的压延法，工艺流程大大缩短，同时避免了原有工艺尘埃大、油污多等的问题，是一种高效，简洁，清洁的生产工艺。 图11：传统铝箔由压延法制得 图12：复合铝箔采用真空镀膜法 表4:复合铝箔生产工艺高效清洁 复合铝箔制备需经过4-5道工序，其中最核心的为真空反应镀膜及真空镀铝。 图13：复合铝箔制备需经过4-5道工序 真空反应镀膜的作用是在基膜上采用化学气相沉积法，沉积5- 15nm 的氧化铝作为膜面活化物质。具体而言，在＜5×10-2pa的真空下，铝丝由电加热到950~1000℃，固态转为气态，然后铝蒸汽向基膜表面扩散。 同时在扩散通道中通入氧气，铝蒸汽氧化后沉积在基膜表面，形成致密性好、抗蚀辅助层。 真空镀铝的作用是采用物理气相沉积法，在氧化铝表面沉积金属铝形成0.8-1μm的铝层。具体而言，在＜2×10-2Pa的真空下，铝丝同样由电加热转变为蒸汽，继而沉积在基体表面。该步反应紧贴膜面的钢棍需通入-20℃至-30℃冷却液，使膜在受热的同时可以进行急速降温，从而使铝分子迅速凝结并避免膜发生形变。 图14：真空镀铝采用物理气相沉积法 复合铝箔和和复合铜箔制备方式有所不同。复合铝箔不采用电镀是因为铝性质活泼，在酸性电解液中，阴极上铝离子获得电子还原的同时会生成铝盐和氢气，而在碱性电解液中，则会生成氢氧化铝和氢气，即无法沉积得到金属铝。 2.2.复合铜箔通常采用磁控溅射+水电镀法 复合铜箔制备方法主要包括一步法、两步法和三步法。一步法包括全干法和全湿法，两步法和三步法的区别主要在于是否加入蒸镀步骤，综合考虑到良率、成本、效率等因素，两步法和三步法是目前市场上主流的复合铜箔制备工艺。 表5:复合铜箔主要制备工艺 复合铜箔生产工艺相比传统铜箔污染较小。传统铜箔生产工艺中需多次水洗，会产生大量含多种重