锂电池行业专题报告：复合集流体产业化加速落地

锂电池行业专题报告：复合集流体产业化加速落地1.复合集流体：锂电重要创新方向，降本+安全驱动发展1.1.传统集流体减薄面临瓶颈，复合集流体结构+材料创新集流体的作用是汇集电流以及承载正负极活性物质。锂电池的工作原理是锂离子在正极和负极之间移动来实现充放电，在此过程中，集流体是正负极用于附着活性物质的关键材料，通过接触活性物质作为导体使电流汇聚并输出，从而实现化学能转化为电能的过程，对锂离子电池的内阻及循环性能有很大的影响。传统集流体是纯金属制成的箔片，锂电池正负极电位决定了正极用铝箔，负极用铜箔。铜、铝金属导电性好、质地软便于加工，具备足够的强度、韧性，价格较为便宜，且铜铝箔在空气中相对稳定，因此适合做锂电池的集流体。具体来说，铝很容易与空气中的氧气反应生成一层致密的氧化膜，阻止铝的进一步反应，且在电解液中对铝有一定保护作用，铜在干燥的空气中基本不反应。铜表面氧化层属于半导体，电子导通；铝表面氧化层属于绝缘体，氧化层不能导电，但由于其很薄，通过隧穿效应能够实现电子电导。1）正极电位高，铜在高电位下容易被氧化，因此不能作为锂电池正极的集流体。而铝的氧化电位高，且铝箔表层有致密氧化膜，对内部的铝有较好的保护作用，可作为锂电池的正极集流体。2）负极电位低，铝在低电位下与锂会发生合金化反应，进而消耗大量的锂，其本身的结构和形态也遭到破坏，因此铝不能作为锂电池负极的集流体。而铜在充放电过程中只有很少的嵌锂容量，并保持了结构和电化学性能的稳定，因此可作为锂电池的负极集流体。集流体是非活性物质，不产生能量，因此减薄可以减少重量、降低成本，是传统集流体的升级趋势。根据高工锂电，传统铜箔厚度通常为6um-12um，占电池质量比例约8%-9%，占成本比例约8%-10%。传统集流体的产品迭代主要通过减薄和表面改性，极薄化面临技术瓶颈。1）集流体减薄可以在电池同等质量的情况下增加更多正负极活性物质，提升电池质量及体积能量密度，减少铜、铝的使用量进而降低成本，因此降低厚度一直是集流体产品迭代的重要方向。经过多年的产品迭代，锂电铝箔主流厚度从20μm下降到了12μm，锂电铜箔主流厚度已从12μm下降到了6μm，而4.5μm铜箔的使用也逐步增加。根据中国电子材料行业协会数据，2021年6μm锂电铜箔产量达13.8万吨，占比58.21%，4.5μm锂电铜箔产量达1.34万吨，占比5.64%，同比提升2.55pct。另一方面，极薄化面临技术瓶颈，4.5μm超薄铜箔存在易撕边、无法连续收卷等问题，且加工费显著高于6μm铜箔，进一步减薄会对锂电池性能产生负面影响并导致成本增加。复合集流体改变材料基础结构。相比极薄化与表面改性，复合集流体从材料层面进行了创新，采用“三明治”结构，中间层为高分子有机物，上下层为铜/铝金属，以复合铜箔为例，锂电复合铜箔作为锂电池负极集流体，具有“高分子基材+轻薄导电层（铜）”结构，中间层不导电，在电池内短路时，可通过熔断切断短路电流，有效防止电池热失控。复合集流体的优势主要体现在更高的安全性、能量密度，以及更低的制造成本。以复合铜箔为例，在4.5μm高分子材料的上下层各镀一层铜形成复合结构，相应的：1）减轻重量：铜的密度高于高分子材料，复合铜箔的重量显著低于6μm及4.5μm的传统锂电电解铜箔。2）提升能量密度：复合集流体重量减轻，活性物质比重增加，从而提升了电池能量密度。3）高安全性：高分子材料在高温下会发生熔断，形成断路，阻止电流流通。4）降低制造成本：铜用量显著减少，相比传统锂电电解铜箔，理论成本可降低40%以上。1.2.安全性：大幅降低电池短路及热失控风险复合集流体可减少锂枝晶的产生，降低内部短路风险。传统铜箔无法抑制锂枝晶的生长，而锂枝晶会造成电池容量损失及内部短路。复合铜箔材料柔软、延展性优越，可以有效分散集流体表面应力，帮助锂离子均匀沉积，抑制锂枝晶的产生，进而降低电池内部短路风险。复合集流体受到穿刺会发生断路效应，可有效防止电池热失控。传统集流体受到穿刺时会产生大尺寸毛刺，造成内短路，引起热失控，甚至引发电池爆炸起火。而复合集流体在受到穿刺时产生的毛刺小，并且因为高分子材料层会发生断路效应，可控制短路电流不增大，进而有效控制电池热失控乃至爆炸起火。复合集流体具有较强的阻燃性，可有效控制起火扩散。根据斯坦福大学崔屹教授团队的实验，当暴露在明火下时，使用传统集流体的电池立即点燃，且火焰燃烧剧烈、迅速蔓延。而使用以PI作为基膜的复合集流体的电池在点火后约6秒内微弱燃烧，火焰明显小于使用传统集流体的电池，且会快速熄灭。1.3.经济性：复合铜箔相较6µm锂电铜箔的降本空间约37%复合铜箔相较传统6µm锂电铜箔的降本空间约37%。我们以4.5µmPET基膜加上下两侧1µm铜层的复合铜箔为例进行测算，得到复合铜箔相比6µm、4.5µm传统锂电铜箔的减重比例分别达55.20%、40.27%，能量密度提升比例分别达4.98%、2.73%；假设复合铜箔的良率为90%，传统锂电铜箔的良率按90%计算，得到复合铜箔的理论成本相比6µm、4.5µm传统锂电铜箔的下降比例分别达37.01%、31.98%。2.产业化持续加速，多种工艺路线并存2.1.设备及工艺：“磁控溅射+水电镀”两步法为目前主流，一步法潜力可期复合集流体的制备过程就是在高分子材料（PET/PP）上镀膜（铜/铝），核心在于镀膜工艺。薄膜加工工艺可分为干法和湿法，制备复合集流体的关键工艺主要包括磁控溅射、蒸发镀、水电镀、化学镀，其中磁控溅射和真空蒸发镀为干法，水电镀和化学镀为湿法。1）真空磁控溅射：用高能等离子体轰击靶材，并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来，并沉积在基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。制备复合铜箔时以铜作为靶材，高分子材料作为基片。优点在于薄膜与基材结合力强，缺点是薄膜生长速度较慢，高能粒子可能损伤基膜。2）真空蒸发镀：加热镀膜材料使表面组分以原子团或分子团形式被蒸发出来，并沉降在基片表面形成薄膜。最大优势在于效率高、成膜速度快于磁控溅射，且镀层均匀，缺点是铜膜与基材结合力较弱。3）水电镀：镀层金属做阳极，待镀工件做阴极，镀液中的金属离子在外电场作用下，经电极反应还原成金属原子，并在阴极上进行金属沉积，最终镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。复合铜箔水电镀工艺则是将初步金属化的高分子材料作为阴极，铜作为阳极，含铜离子的溶液作为电解液。优点是薄膜生长速度快，缺点是电流不均易产生边缘效应，可能造成局部穿孔，存在环保问题。4）化学镀也称无电解镀或自催化镀，在无外加电流的情况下利用合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，沉积在材料表面形成致密镀层。与电镀相比，化学镀的优点是镀层均匀、针孔小，缺点是沉积速度慢、催化剂成本较高，存在环保问题。按照工艺步骤划分，目前市场上主流的复合铜箔制备工艺分为一步法、两步法、三步法，其中一步法又分为干法和湿法。1）一步法（湿法）：先对基膜进行清洗、粗化等表面处理，再通过化学沉积（化学镀）在基膜表面覆盖生产铜层。优点是粗化处理后的膜，镀层形成速度快且镀层均匀，可以增大镀层的附着力，同时能承受电镀过程中的大电流。缺点是需要选择贵金属作为催化剂，设备昂贵，成本高（药水价值每平需2.0-2.5元），同时要求基膜具有良好的耐高温性。2）一步法（干法）：通过真空磁控溅射一体机或真空磁控溅射蒸镀一体机镀铜，通过多腔体、多靶材提高效率。优点是操作简单，人工成本低，良品率高，镀层均匀性好。缺点是设备价格高，技术要求高，效率低（磁控溅射单次镀膜厚度为纳米级，达到微米级需要多次溅射，效率低于电镀）。3）两步法：“磁控溅射+水电镀”，先使用高能量的氩原子电离后撞击靶材，溅射铜离子在基膜上沉积形成铜种子层，厚度约30-80nm，提升高分子材料的导电性，再通过水电镀的方式将铜层增厚至1μm左右，实现较好的导电性能。优点是效率提高，设备造价相对较低。缺点是良品率不高，镀层均匀性差于一步法，操控有难度，环保压力大。4）三步法：“磁控溅射+蒸镀+水电镀”，即在磁控溅射步骤后加上蒸镀工艺作为过渡，提高沉积速率、增厚铜层，降低后半段电镀的难度。优点是电镀部分速率提高，生产效率最高。缺点是工艺复杂，不利于操控，真空蒸镀工艺的高温环境易使高分子基膜穿孔，良品率不高，环保压力大。5）璞泰来粘结法：根据公司专利，通过用胶粘剂将经过压延的铜箔复合在基材两侧，再通过碱溶液将铜箔消薄至所需的厚度，既能够保证基材与箔材之间的紧密复合，也通过压延提高了箔材的致密度，使得复合集流体能够通过电解液浸泡测试，具有较高的安全性能。优点是成本较低，根据璞泰来公告，1.6万吨复合铜箔项目投资金额为20亿元，对应单平投资约2.9元，低于两步法、三步法的设备投资。缺点是工艺处于早期阶段尚不成熟。2.2.基膜：PET与PP路线各有优劣，PP化学稳定性领先PET与PP路线各有优劣，PP化学稳定性优于PET，有望率先在复合铜箔获得验证及应用。PET、PP、PI是目前可用于作为基膜制备复合铜箔的三种主流材料，其中PI由于成本过高而难以推广，PET与PP的各项性能则各有优劣：1）PET相比PP的优点在于拉伸强度更高、耐温性更好、附着力较强，劣势在于酸性下易分解。2）PP相比PET的优点在于耐酸性强，劣势在于附着力弱。PET和PP性能的差异导致使用相应基膜的复合铜箔在产业验证过程中出现了不同的问题：1）PET不耐酸性，使用PET复合铜箔的锂电池进行高温循环测试时，后期阶段基膜可能会被强酸腐蚀，进而出现“跳水”；2）PP由于附着力弱，镀铜层时与铜的结合力较差，在高温循环过程中铜层可能会与PP材料脱离，活性物质减少，进而出现“跳水”，可通过对PP表面改性增强其结合力。PET中的酯键在高温循环中发生降解反应，导致PET被分解。根据加拿大达尔豪斯大学MichaelMetzger团队的研究，在磷酸铁锂电池及三元锂电池高温循环的过程中，PET中的酯键会发生降解，且PET降解反应主要发生在负极。从反应原理来看，电解液中的DMC溶剂会通过水解反应生成甲醇（也是一种常见的杂质），以及在未钝化的负极通过还原反应生成甲醇锂。而甲醇和甲醇锂仅作为催化可诱导PET和DMC反应，产生DMT和EC，导致PET被分解。两步法为目前主流路线，PP工艺产业进度领先。1）从复合集流体材料厂商的规划来看，以宝明科技为代表的多数厂家采用“磁控溅射+水电镀”的两步法工艺，金美新材料采用“磁控溅射+蒸镀+水电镀”的三步法工艺，璞泰来采用独有的粘结法工艺，诺德股份则与道森股份合作，采用一步法干法工艺。2）基膜路线存在分歧，2023年上半年PET铜箔高温循环数据低于预期，以宝明科技、金美新材料为代表的材料厂商转向PP铜箔的开发，有望于2023年底完成相关测试，其他厂商仍以PET铜箔路线研发为主。复合铝箔明确了PET路线。2.3.市场空间：2025年全球复合铜箔需求有望达22亿平复合集流体产业链：1）上游主要是基膜、溅射铜靶材、电镀化学品、设备等，包括PP基膜厂商东材科技、铜峰电子等，磁控溅射设备厂商汇成真空、腾胜科技等，水电镀设备厂商东威科技，一体机设备厂商道森股份，复合集流体焊接设备厂商骄成超声。2）中游为复合铜、铝箔制造厂商，包括新入局厂商宝明科技、金美新材料、英联股份等，以及老牌锂电铜箔厂商诺德股份、嘉元科技、中一科技等。3）下游为动力、储能、消费电池厂商，包括宁德时代、比亚迪、中创新航、亿纬锂能等。2025年使用复合铜箔的锂电池有望达200GWh以上，对应市场规模接近110亿元。复合铜箔有望在消费、动力端率先应用，储能由于对成本较为敏感，预计使用进度晚于消费、动力。假设2023-2025年复合铜箔在消费与动力端的渗透率为1%、5%、15%，2025年复合铜箔在储能端的渗透率为2%，对应2023-2025年使用复合铜箔的锂电池为8、52、219GWh，对应复合铜箔需求为0.76、5.18、21.89亿平，假设单平价格为6、5.5、5元，得到市场空间为4.58、28.51、109.43亿元。预计2025年相关设备投资额达132亿元。在假设两步法渗透率为100%的基础上，1）假设2023-2025年磁控溅射设备单台价格为1050、1000、1000万元，单GWh设备需求为2台，得到新增设备投资额为1.60、10.37、43.77亿元。2）假设2023-2025年水电镀设备单台价格为1000、980、950万元，单GWh设备需求为3台，得到新增设备投资额为2.29、15.24、62.38亿元。3）假设超声波滚焊设备单GWh价值量为1200万元，得到2023-2025年新增设备投资额为0.92、6.22、26.26亿元。预计2025年膜材投资额达4.43亿元。膜材方面，PP基膜由于性能优势，目前产业化进度领先PET基膜，按照PP基膜渗透率为100%的假设进行测算，得到2023-2025年新增PP基膜投资额为0.15、1.05、4.43亿元。3.重点公司分析3.1.骄成超声：超声波技术平台型公司，复合集流体滚焊设备确定性高骄成超声主要从事超声波焊接、裁切设备和配件的研发、设计、生产与销售，并提供新能源动力电池制造领域的自动化解决方案，主要产品为动力电池超声波焊接设备、汽车轮胎超声波裁切设备和动力电池制造自动化系统。其中动力电池超声波焊接设备主要运用在锂电池生产线中的极耳焊接环节，可实现锂电池复合集流体高速滚动焊接。超声波焊接性能优异，在锂电池极耳焊接环节具有不可替代性。超声波金属焊接是将焊件置于焊座上，焊头在压力作用下在焊件表面来回高频振动摩擦，焊件界面间氧化物或污染被破坏挤走，从而形成纯净金属之间的接触，在高频超声摩擦的作用下，接触的金属发生塑性变形及流动，形成局部连接区域；随着超声能量的持续增加，金属塑性流动进一步增强，局部连接区域不断扩展融合，进而形成焊接接头。超声波金属焊接时，焊接温度远低于材料的熔点，是一种固相连接的方法，既可以焊接同种材料，也可以焊接异种材料，特别适合焊接一些较软的和高导热性的材料，如铝、铜、镍等。由于超声波金属焊接是固相连接，在焊接过程中发热量小，焊后内阻小，是动力电池电芯生产装配流程中的必要设备，尤其适用于多层极耳焊接。使用复合集流体的锂电池制造前段增加极耳转印焊工序，拓宽超声波滚焊应用领域。在电池制备过程中焊接复合集流体时，由于复合集流体的耐热性低于传统集流体，采用传统的焊接方式进行焊接易导致复合集流体的破损，且复合集流体中间的高分子材料不导电，因此采用转印焊的方式，即在复合集流体之间加一层传统的箔材，用作转接体，而极耳转印焊工序则需要使用超声波滚焊设备，单条产线对滚焊设备的需求数量是极耳超声焊接设备的3倍左右。目前骄成超声的超声波滚焊设备可在80m/min以上的转动线速度下稳定运行，已经为宁德时代供货。2023Q3营收增长阶段性放缓，费用率提升导致利润波动。2022年骄成超声实现营业收入5.22亿元，同比增长40.97%，实现归母净利润1.11亿元，同比增长59.95%。2023年前三季度骄成超声实现营业收入4.55亿元，同比增长17.36%，实现归母净利润0.76亿元，同比下降11.35%，受下游动力电池扩产降速影响，锂电设备订单收入确认放缓，2023Q3营收同比有所下滑，进而导致费用率提升，净利润有所下降。随着复合集流体产业化趋于成熟，后续公司业绩有望持续增长。动力电池超声波设备为公司收入的主要构成部分。从2022年的收入结构来看，动力电池超声波焊接设备、配件、动力电池制造自动化系统占比分别为61.42%、18.93%、11.74%，合计占公司收入比重超过92%，检测及其他设备、汽车轮胎超声波裁切设备、其他领域超声波焊接设备占收入比重分别为2.75%、1.81%、0.88%。3.2.东威科技：水电镀设备核心厂商，布局磁控溅射水电镀设备全球领先厂商，拓展磁控溅射设备。东威科技是全球领先的电镀设备制造商，产品主要面向PCB电镀、通用五金电镀、新能源电镀领域。公司自主研发的垂直连续电镀设备国内市占率达50%以上，凭借在PCB领域的深厚积累，公司大力开拓新能源领域的应用，面向锂电复合铜箔推出了水电镀及磁控溅射镀膜设备：1）拓展真空装备制造领域，持续接单并量产12靶磁控设备，同时，公司自主研发的24靶磁控设备已处于调试阶段；2）公司是目前全球唯一实现卷式水平膜材电镀设备规模量产的企业。磁控溅射设备作为镀铜的前道设备，与公司水电镀设备形成有效协同，打造一体化复合铜箔镀铜设备。东威科技2023年前三季度实现营业收入7.31亿元，同比增长7.10%，归母净利润1.49亿元，同比增长2.13%。东威科技在手复合铜箔设备订单丰富，随着复合铜箔产业化趋势的明确，下游客户有望加快验收进度，公司进而确认复合铜箔设备收入，带动后续业绩高增。2023H1复合集流体镀膜设备营收占比显著提升。营收结构来看，2022年来自PCB电镀领域、通用五金表面处理领域、新能源领域专用设备的营收占比分别为66.25%、11.33%、15.78%；分产品来看，来自垂直连续电镀设备、龙门式电镀设备、五金连续电镀设备、水平式表面处理设备的营收占比分别为65.9%、7.68%、3.65%、0.35%，卷式水平膜材电镀设备（复合铜箔水电镀设备）和磁控溅射卷绕镀膜设备分别实现营收1.46、0.10亿元，占比14.44%、1.03%。2023H1东威科技复合集流体镀铜设备收入占比约40%，实现销售台数20余台。投资10亿元扩建复合铜箔设备产能。2022年10月，东威科技与昆山市巴城镇人民政府签订《投资协议书》，计划投资10亿元扩建复合铜箔设备产能，预计年产能达300台（套）卷式水平膜材电镀设备和150台（套）磁控溅射卷绕镀膜设备。公司在手复合铜箔设备订单超20亿元，陆续收获海外订单。2022年东威科技陆续与宝明科技、胜利精密等客户签订复合铜箔水电镀设备订单，合计金额达20亿元以上。截至2023年10月底，公司在国内拥有20多家客户，其中5-6家具备规模化量产能力。2023年下半年以来，公司陆续收获国际客户复合铜箔设备订单，用于消费电子及动力电池等行业。3.3.道森股份：转型电解铜箔设备，磁控溅射一体机设备领先厂商收购洪田科技布局锂电铜箔设备业务，推出真空磁控溅射一体机设备。道森股份主要从事石油、天然气及页岩气钻采设备的研发、生产和销售，2022年6月，公司以4.25亿元的对价收购洪田科技51%股权实现控制，进军电解铜箔高端生产装备制造业务。洪田科技成立于2012年，在电解铜箔设备领域可以提供包括阴极辊、生箔机、溶铜罐、表面处理机等整厂全套设备定制服务，在产品规格尺寸、轻薄度、电流电压、收卷等多个核心指标上领先行业，洪田科技6μm锂电铜箔设备的收卷已突破5万米。此外，洪田科技积极布局复合铜箔设备，推出真空磁控溅射一体机等复合铜箔一体机产品，同时在真空镀膜设备领域积极进行平台化布局，不断研发推出新产品。2022年洪田科技并表，逐步剥离低效资产。2022年道森股份实现营收21.9亿元，同比增长86.39%，归母净利润1.06亿元，同比增长398.99%，业绩的高速增长主要是油气业务订单增加、新收购子公司洪田科技资产所致。2022年下半年，道森股份逐步剥离低效资产，先后出售全资子公司成都道森、美国道森、新加坡道森100%股权和控股子公司苏州道森阀门有限公司75%的股权、江苏隆盛70%的股权。道森股份2023年前三季度实现营业收入15.20亿元，同比增长4.11%，归母净利润0.61亿元，同比下降3.93%。锂电设备营收占比有望逐步提升。从2022年的收入结构来看，井口装置及采油(气)树、电解铜箔设备为贡献主要收入的业务，占比分别为38.96%、26.90%，钢材贸易、管线阀门、电气设备零件、井控设备、工程机械零部件占营收比重分别为13.26%、8.92%、6.36%、2.25%、0.19%。陆续收获复合铜箔一体机设备订单，真空磁控溅射蒸发一体机年底有望正式量产。洪田科技于2023年4月首次发布“真空磁控溅射一体机”，经客户反复测试验证，7月洪田科技首批复合铜箔一体机设备“卷绕磁控溅射镀膜机”、“卷绕磁控溅射蒸镀复合镀膜机”订单正式落地。9月洪田科技与锂电铜箔头部企业诺德股份签订1.84亿元复合铜铝箔一体机设备新订单，包括“卷绕磁控溅射镀膜机”（可双面镀金属材料）、“卷绕磁控溅射蒸镀复合镀膜机”（可双面镀铜镀铝）、“卷绕蒸发镀膜机”（可双面镀铝）。投建复合铜箔及电解铜箔设备产能，助力锂电设备业务发展。2023年3月，道森股份发布公告称洪田科技将在江苏省南通市新投资建设新能源高端装备制造项目，项目计划总投资10亿元，其中设备投入约3亿元，项目完全达产后预计实现年产真空磁控溅射设备100套、真空蒸镀设备100套、复合铜箔一体机成套设备100套、锂电生箔机成套设备200套及阳极板6000套、辊筒6000支。3.4.汇成真空：聚焦真空镀膜设备，磁控溅射有望放量聚焦真空镀膜技术及成膜工艺。汇成真空是以真空镀膜设备研发、生产、销售及其技术服务为主的真空应用解决方案供应商，主要产品为真空镀膜设备。公司真空镀膜设备应用领域广泛，目前已应用于智能手机、屏幕显示、光学镜头等消费电子领域，以家居建材和生活用品为主的其他消费品领域，航空、半导体、核工业、工模具与耐磨件、柔性薄膜等工业品领域，以及高校、科研院所等领域。下游产品应