鋰電設備之復合集流體行業(yè)專題報告：進入加速落地階段設備最受益

鋰電設備之復合集流體行業(yè)專題報告：進入加速落地階段，設備最受益一、復合集流體兼具安全性與經(jīng)濟性，是鋰電池中的重大創(chuàng)新1.1復合集流體采用“三明治”結(jié)構(gòu)，有望成為下一代集流體材料集流體是鋰電池中銅箔和鋁箔的總稱，起承載活性物質(zhì)和匯集電流的作用。集流體一般指電池正負極用于承載活性物質(zhì)（正負極材料）的基體金屬，活性物質(zhì)在充放電過程中產(chǎn)生的電流通過集流體匯集，再向外輸出至外電路。根據(jù)鋰電池的工作原理和結(jié)構(gòu)設計，正、負極材料需涂覆于集流體上，經(jīng)干燥、輥壓、分切等工序，制備得到鋰電池負極片。銅箔約占鋰電池成本的5%-10%，重量的10%-15%，是鋰電池的重要組成部分。復合集流體采用“三明治”結(jié)構(gòu)，兼具安全性和經(jīng)濟性，有望成為下一代集流體材料。所謂的復合集流體是一種新型集流體，結(jié)構(gòu)為“金屬-PET/PP-金屬”，即中間一層基膜（為PET或者PP膜），上下各鍍一層1μm左右的銅，形成復合結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性，兼具安全性和經(jīng)濟性，有望成為下一代集流體材料。復合集流體始于2017年，安全性是最初的研發(fā)動力?！般~-高分子材料-銅”的復合結(jié)構(gòu)最早在覆銅板上得到應用，樹脂基體作為覆銅板的主要組成部分，能夠顯著影響覆銅板的性能。寧德時代于2015年11月公布的專利《集流體及使用該集流體的鋰離子電池》中，已經(jīng)開始關(guān)注將集流體與聚合物基體材料結(jié)合使用以提升能量密度和避免熱失控，在文中提出配置金屬粒子、偶聯(lián)劑與聚合物前驅(qū)體混合溶液，從而制備新型集流體。復合集流體概念始自寧德時代2017年3月申請，并于2017年6月公布的發(fā)明專利《一種集流體及其極片和電池》描述，該專利文件中提出可以采用真空蒸鍍或濺射法制造復合集流體。2021年，復合集流體啟動產(chǎn)業(yè)化進程。1.2安全性：在抑制枝晶生成、斷路效應、抑制擴散等多層次發(fā)揮作用隨著電動車保有量增多，消費者關(guān)注重點從“里程焦慮”到“安全焦慮”，鋰電池熱失控日益受到重視。國家應急管理部消防救援局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年Q1國內(nèi)發(fā)生的新能源汽車火災共計有640起，相比2021年同期數(shù)據(jù)增長32%，高于交通工具火災平均增幅（8.8%），相當于每天有超過7例新能源汽車自燃事件發(fā)生。政策：新國標增加了對熱擴散和過流保護的測試項目。于2020年5月12日發(fā)布，2021年1月1日起執(zhí)行的GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中，對比2015年的GB/T31467.3，新增“熱穩(wěn)定性，熱擴散”、“過流保護”項目，體現(xiàn)對電池安全的日益重視。誘因：熱失控由機、電、熱等多種因素單獨或耦合誘發(fā)，負極副反應首先進行。當電池局部發(fā)生短路時，會增加內(nèi)部溫度，熔化隔膜并使陰極與陽極直接接觸，從而產(chǎn)生更多的熱量，帶動其他部位燃燒并短路，導致電動汽車發(fā)生災難性火災。電池的熱失控往往由針刺、碰撞等機械誘因；過充電、內(nèi)短路等電誘因；以及濫用、老化或者溫度管理不當導致的熱誘因，共同促進了熱失控的發(fā)生。當熱失控開始的時候，負極副反應首先進行，SEI膜（固體電解質(zhì)界面膜SolidElectrolyteInterface）分解，負極與電解液反應，然后逐步開始放熱，最終熱失控。若能及時在源頭阻斷，將有效遏制熱失控的產(chǎn)生。解決熱失控可從單體電池、模組和Pack層級、主動智能管理等方面入手。根據(jù)鋰電池熱失控的產(chǎn)生機理，可從本征安全、被動安全、主動安全等三方面解決。其中電動廠商多在單體電池層面著手，從電池方案選擇、材料熱穩(wěn)定性、制作工藝等方面綜合降低熱失控概率，復合集流體充當“保險絲”的作用，有望在源頭遏制熱失控。尋找新的內(nèi)短路解決方案迫在眉睫。電池企業(yè)常規(guī)的解決電池內(nèi)短路的方法，一般是通過四大材料（正負極材料、隔膜、電解液）的性能升級，提升電池的安全屬性，但有可能會對電池的循環(huán)壽命、能量密度等性能產(chǎn)生一定影響。而且，常規(guī)內(nèi)短路防護方法一般僅能延緩電池內(nèi)短路引發(fā)熱失控，而無法徹底解決該行業(yè)難題，存在較大局限性。在此情況之下，基于提升電池能量密度和安全性能的需要，常規(guī)的內(nèi)短路解決方法已經(jīng)無法滿足動力電池大規(guī)模制造和裝機應用的需求，尋找新的內(nèi)短路解決方案迫在眉睫。原理：復合集流體在抑制枝晶生成、斷路效應、抑制擴散等多層次發(fā)揮作用，有效提升鋰電池安全性。1）抑制枝晶生成：鋰離子遷移過程中會對集流體產(chǎn)生壓縮應力，從而導致集流體上出現(xiàn)微觀褶皺，最終導致枝晶產(chǎn)生。若在銅箔上采用柔軟襯底材料，可以釋放壓縮應力從而減緩枝晶生成；2）抑制集流體內(nèi)短路起火：即使枝晶已經(jīng)產(chǎn)生并且造成內(nèi)短路，復合集流體在受到穿刺時產(chǎn)生的毛刺尺寸小，并且因為高分子材料層會發(fā)生斷路效應，可控制短路電流不增大，從而有效控制電池熱失控乃至爆炸起火，從根本上解決了電池爆炸起火；3）抑制起火擴散：火災暴露實驗是測試鋰離子電池安全性能最極端的測試之一，根據(jù)斯坦福大學《Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries》文中對TPP復合集流體火災暴露實驗，傳統(tǒng)集流體袋狀電池在20秒內(nèi)完全燃燒，然而TPP復合集流體袋狀電池在點火后6秒內(nèi)微弱燃燒后自行熄滅。袋狀電池中的TPP通過釋放磷酸鹽自由基抑制火災發(fā)展，從而實現(xiàn)阻燃效果。使用復合集流體的鋰電池在刺穿、過充等濫用情形下相較于傳統(tǒng)集流體電池表現(xiàn)優(yōu)異。Soteria在闡述樣品時，使用了811/石墨5Ah軟包疊片電池，然后進行了嚴苛的針刺測試，帶有復合集流體的電池針刺后還可以正常使用，從容量保持率來看能保持93%。1.3經(jīng)濟性：復合銅箔相較傳統(tǒng)銅箔理論成本節(jié)約40.3%主流6.5μm復合銅箔相較6μm傳統(tǒng)銅箔對鋰電池整體減重5.56%，能量密度提升5.89%。目前主流復合銅箔為4.5μm基膜+兩側(cè)各1μm銅，與傳統(tǒng)銅箔的6μm銅相比，銅用量僅為傳統(tǒng)方案的三分之一，同時基膜密度較低，復合銅箔減重比例達到55.20%（與6μm傳統(tǒng)銅箔相比）。在6μm傳統(tǒng)銅箔占鋰電池重量13%的合理假設下，不更換電池其他結(jié)構(gòu)，主流復合銅箔相較6μm傳統(tǒng)銅箔對鋰電池整體減重5.56%，能量密度提升5.89%。復合銅箔相較傳統(tǒng)銅箔理論成本節(jié)約40.30%。盡管當前復合銅箔的初始設備投資額較高、加工成本較高，但得益于銅用量的大幅減少，復合銅箔相較傳統(tǒng)銅箔直接材料成本節(jié)約61.55%，理論綜合成本節(jié)約40.30%，在鋰電池降本的大趨勢下有望發(fā)揮更加積極的作用。二、產(chǎn)業(yè)進入加速階段，2023年有望成為量產(chǎn)元年我們認為，復合集流體憑借其安全性和經(jīng)濟性，產(chǎn)業(yè)發(fā)展有望加速：①設備商、新型銅箔廠、電池廠及終端用戶紛紛布局，產(chǎn)業(yè)趨勢由逐步明朗到顯著加速：多家汽車企業(yè)將安全電池作為賣點，電池廠積極布局專利及相關(guān)測試，數(shù)十家新勢力跨界進入復合銅箔生產(chǎn)領(lǐng)域；②技術(shù)不斷突破，從0到1量產(chǎn)在即：隨著阻礙量產(chǎn)的加工工藝、高溫循環(huán)、焊接、快充等多重問題逐步得到解決或改善，復合集流體距離量產(chǎn)漸行漸近。2023年6月，雙星新材、萬順新材分別接到首張復合銅箔訂單，產(chǎn)業(yè)進展積極。2.1產(chǎn)業(yè)趨勢：顯著加速，設備商、新型銅箔廠、電池廠及終端用戶紛紛布局從0到1，復合集流體產(chǎn)業(yè)趨勢愈發(fā)明朗，設備商、新型銅箔廠、電池廠及終端用戶紛紛布局。復合集流體憑借安全性和經(jīng)濟性的特點，自2022年初水電鍍加工環(huán)節(jié)設備取得突破以來，先后經(jīng)歷了由單一膜材料廠商到多家廠商投入研發(fā)試制、良率效率大幅提升、由試驗線到計劃量產(chǎn)線、官宣量產(chǎn)復合銅箔（寶明科技）、大批量水電鍍設備采購協(xié)議、多家膜材料廠送樣&生產(chǎn)基地奠基建設等階段性進展，產(chǎn)業(yè)趨勢由逐步明朗到顯著加速。多家汽車企業(yè)將安全電池作為賣點，電池廠積極布局專利及相關(guān)測試，數(shù)十家新勢力跨界進入復合銅箔生產(chǎn)領(lǐng)域，設備商亦不斷創(chuàng)新，積極推動產(chǎn)業(yè)進步。下游：多家汽車&電池企業(yè)開啟安全電池“軍備競賽”。隨著鋰電池安全性漸成趨勢，汽車企業(yè)也將電池安全作為一大賣點，紛紛推出安全電池產(chǎn)品，有望推動各類安全電池技術(shù)的加速推廣。廣汽埃安彈匣電池2.0采用復合集流體，為首家宣布使用復合集流體的主機廠。2023年3月30日，廣汽埃安發(fā)布了彈匣電池2.0軍標級槍擊測試結(jié)果，常規(guī)鐵鋰電芯遭遇槍擊后隨機熱失控、起火燃燒（鐵鋰電芯自燃溫度一般為800度），彈匣電池2.0在同樣條件下僅冒煙無明火，沒有進一步熱蔓延，相鄰受體電芯溫度僅185度。彈匣電池技術(shù)中超穩(wěn)電極界面采用復合集流體材料，也是國內(nèi)首個宣布采用復合集流體的電池，預計首搭車型為HperGT昊鉑。OPPO推出夾心式安全電池，采用復合集流體增強消費電子鋰電池安全。OPPO在2021年7月22日閃充開放日上，發(fā)布了一款夾心式安全電池，通過使用一層新型的復合高分子材料作為基體，采用非常有挑戰(zhàn)性的工藝鍍上兩層鋁層行成一個“三明治”結(jié)構(gòu)的集流體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁箔集流體，并在其上涂覆一層安全涂層形成最終的五層安全結(jié)構(gòu)。在不影響電池性能的前提下，夾心式安全電池可以做到完全通過針刺與重物沖擊實驗。寧德時代復合集流體結(jié)構(gòu)突破傳統(tǒng)集流體功能局限，解決了高鎳電池內(nèi)短路難題，并通過萊茵TüV認證。據(jù)中國能源網(wǎng)，寧德時代在復合集流體方面有多項動作，在業(yè)內(nèi)率先解決了高鎳電池內(nèi)短路難題，并通過萊茵TüV認證。此外，寧德時代麒麟電池采用NP2.0技術(shù)，能量密度達255Wh/kg。在相同化學體系、同等電池包尺寸下，麒麟電池系統(tǒng)電量相比4680系統(tǒng)可提升13%。寧德時代國內(nèi)乘用車執(zhí)行總裁劉暢延在極氪009發(fā)布活動中表示，在極端情況下，麒麟電池電芯大面冷卻技術(shù)搭配NP2.0，可保證電池系統(tǒng)無熱蔓延、不起火，可滿足行業(yè)最高電池安全要求。蜂巢能源采用Soteria電池安全技術(shù)。據(jù)Insideevs于2021年4月22日報道，蜂巢能源將采用來自Soteria電池創(chuàng)新集團（BIG）的電池安全技術(shù)，使電池不受熱失控的影響。中游：數(shù)十家新勢力跨界進入復合銅箔生產(chǎn)領(lǐng)域，傳統(tǒng)銅箔企業(yè)亦積極布局。自2022年7月初寶明科技宣布投資復合集流體項目以來，已有數(shù)十家公司披露相關(guān)計劃并積極產(chǎn)能布局和送樣，推動技術(shù)革新。2.2制作工藝：“磁控濺射+水電鍍”兩步法為當前主流復合銅箔的加工一般包含“打底+增厚”兩個過程。首先在基材表面形成金屬種子層，一般為50nm左右，目的是增強金屬與基材之間的結(jié)合力，一般采用PVD方法，以磁控濺射為主；第二步是“增厚”，一般采用水電鍍，將銅層增厚到1000nm（即1μm），即可滿足一定的充放電性能。制備過程主要關(guān)注點在于高分子基材上的鍍膜過程，究其本質(zhì)是鍍膜技術(shù)應用。復合集流體制造一般涉及到真空磁控濺射、真空蒸發(fā)鍍膜、水電鍍膜等三類主流的鍍膜工藝。1）磁控濺射是電子在電場的作用下與氬氣碰撞后，激發(fā)高能量的氬原子電離后撞擊靶材表面，使得靶材發(fā)生濺射，濺射粒子在基片上沉積形成薄膜，例如在復合銅箔制造中，靶材指銅材料，基片指高分子材料；2）蒸發(fā)鍍膜是在真空條件下，采用一定的加熱蒸發(fā)方式使得鍍膜材料氣化，粒子在基材表面沉積凝聚為膜。真空磁控濺射與蒸發(fā)鍍膜均屬于物理氣相沉積（PVD），也被稱為“干法”工藝；3）水電鍍膜為典型的“濕法”工藝，利用電沉積原理，將待加工的鍍件接通陰極放入電解質(zhì)溶液中，直流電的作用下金屬銅進入鍍液，并不斷遷移到陰極表面發(fā)生還原反應，逐步形成金屬銅鍍層。但PET等高分子材料不導電，無法直接進行化學電鍍，需要先對高分子材料進行表面處理、活化、沉積導電層等，增加導電性。復合銅箔制備方法按照工藝步驟數(shù)，分為一步法、兩步法和三步法。一步法按照是否使用化學試劑分為干法與濕法：一步法干法指使用純磁控濺射工藝或磁控濺射和真空蒸鍍一體機鍍銅，通過多靶材、多腔體提高效率；一步法濕法通過對基膜進行清洗、粗化，提升表面粗糙度，然后以化學沉積的方式（不通電）在薄膜基材表面覆蓋一層均勻的金屬銅層；兩步法包括兩個步驟，磁控濺射+水電鍍：1）磁控濺射對高分子膜進行活化。由于PET/PP表面不導電，無法直接進行電鍍，需要先對高分子材料進行表面處理、活化，濺射形成方阻小于2Ω（厚度約為30nm-70nm）的金屬銅膜；2）水介質(zhì)電鍍加厚金屬層至實現(xiàn)導電功能。在磁控濺射形成基礎銅膜后，通過水介質(zhì)電鍍的方法將兩邊銅層分別增厚至1μm左右，實現(xiàn)集流體導電的功能；三步法包括三個步驟，磁控濺射+真空蒸鍍+水電鍍：在磁控濺射后增加真空蒸鍍環(huán)節(jié)，目的是提高沉積速度，真空蒸鍍的沉積速度是磁控濺射的3-4倍，可以快速補足銅膜到適合電鍍的厚度。多種制備工藝各有優(yōu)劣勢，綜合成本占優(yōu)的有望勝出。銅箔廠選型制備工藝過程中，綜合成本是重要考量，我們認為有四大因素：①良率（影響材料利用率和產(chǎn)品品質(zhì)）；②效率（影響設備投資額以及折舊）；③能耗（直接成本）；④環(huán)保（排污資質(zhì)的獲得以及排污成本）。幾種工藝各有優(yōu)劣勢，在上述四項指標上的突破值得關(guān)注。兩步法仍為當前主流的原因分析：1）干法一步法良率好，但效率及能耗待突破：磁控濺射單次鍍膜厚度為納米級，若要達到微米級銅厚則需要多次濺射，相對效率低于電鍍工藝。據(jù)諾德股份2022年報，磁控濺射鍍層效率較低，目前磁控濺射鍍30-50nm在5-10米/分鐘，80-100nm則小于5米/分鐘，如果需要鍍1000nm（1μm），預計生產(chǎn)效率不足1米/分鐘，難以滿足實際生產(chǎn)需求。據(jù)阿石創(chuàng)2022年報，濺射工藝結(jié)合靶材使用率（70%）與附著率指標（65%-85%），有效附著率僅60%左右。蒸鍍工藝的國際一線蒸發(fā)源的有效附著率僅為50%，且真空蒸鍍對高分子復合材料抗高溫性能要求較高，現(xiàn)有PET/PP等高分子材料性能難以滿足其規(guī)模化生產(chǎn)；2）濕法一步法成本略高：據(jù)三孚新科投資者活動公告，藥水價值每平米就需要2.0-2.5元左右，再加上銅成本與設備折舊，濕法一步法的成本短期內(nèi)難以低于兩步法。另外，PET等高分子材料的結(jié)晶度大、極性小、表面能低，這三種特性會影響鍍層與基材之間的黏合力；3）三步法更均勻，但良率較難提升：在兩步法中，靶材濺射雖然使銅和PET結(jié)合較好，但沉積速率較低，基片會受到等離子體的輻射等作用而產(chǎn)生溫升，而三步法能將在磁控濺射后形成的不平整的膜體變得更加均勻，避免在下一步水電鍍環(huán)節(jié)中繼續(xù)放大瑕疵乃至產(chǎn)生次品。但高溫蒸鍍在PET銅箔上使用是比較冒險，因為PET不耐高溫，如果磁控濺射后的納米級銅膜本身沒有100%包裹PET或者溫度過高，很可能直接燒穿膜體，形成多個孔洞，影響良率。2.3技術(shù)創(chuàng)新如火如荼，推動復合集流體向量產(chǎn)邁進盡管對鋰電池產(chǎn)線帶來的改造較小，但作為一種新材料，復合集流體走向量產(chǎn)仍需解決加工工藝、高溫循環(huán)、焊接、快充等多種問題。產(chǎn)業(yè)屆針對復合鋁箔/復合銅箔、PET/PP基膜、滾焊、快充等方向積極研究，取得良好進展。復合鋁箔率先量產(chǎn)，采用蒸鍍法。據(jù)高工鋰電援引匯成真空副總經(jīng)理李志方觀點，相比于復合銅箔的兩步法、一步法等技術(shù)路線差異，復合鋁箔無需使用化學電鍍等濕法工藝，僅通過干法工藝便可一次完成雙面鍍膜，一定程度上減輕了干濕法工藝轉(zhuǎn)換過程對良率的影響，并且沒有濕法帶來的環(huán)評壓力。目前重慶金美已經(jīng)實現(xiàn)8μm復合鋁箔量產(chǎn)，采用真空反應鍍膜+真空蒸鍍制備。其中，真空反應鍍膜是指將鋁熔化并蒸發(fā)后，在鋁蒸汽擴散的通道上同時通入氧氣，使鋁和氧氣反應生成5-15nm致密性良好的氧化鋁。相較于復合鋁箔，復合銅箔在降本及能量密度方面潛力更大。復合鋁箔工藝普遍采用蒸鍍，產(chǎn)業(yè)化進展更快。在參數(shù)方面，據(jù)GGII，8μm復合鋁箔對比12μm壓延鋁箔降低300-500萬元/GWH，能量密度提升3-6%；而6.5μm復合銅箔對比6μm鋰電銅箔降低2400-3000萬元/GWH，能量密度提升5-10%。復合集流體物理結(jié)構(gòu)易導致產(chǎn)熱、導熱問題，影響快充性能。根據(jù)電阻R的計算公式R=ρL/S（ρ為電阻率，由材料性質(zhì)決定；L是長度；S是橫截面積），例如當金屬厚度由傳統(tǒng)集流體的6μm分別降到復合集流體的2μm時，相應的阻值變?yōu)樵技黧w的3倍。即根據(jù)焦耳定律，電流I通過導體產(chǎn)生的熱量Q由公式Q=I2Rt得出，其中t為電流持續(xù)時間，在充、放電電流不變的情況下，單位時間導體產(chǎn)生的熱量Q與其電阻R成正比，即為傳統(tǒng)集流體的3倍。電池廠商積極布局，提高復合集流體導電能力，應對快充趨勢。據(jù)寧德時代2022年11月25日申請專利“一種荷電狀態(tài)計算方法、裝置、存儲介質(zhì)及電池管理系統(tǒng)”，針對電池過充過放，提高電池安全性；2022年11月4日申請專利“一種電化學裝置及電子裝置”，縮短了電子移動的路徑，減小了第一極片的內(nèi)阻，提