鋰電設(shè)備之復(fù)合集流體行業(yè)專題報告：進(jìn)入加速落地階段設(shè)備最受益

鋰電設(shè)備之復(fù)合集流體行業(yè)專題報告：進(jìn)入加速落地階段，設(shè)備最受益一、復(fù)合集流體兼具安全性與經(jīng)濟(jì)性，是鋰電池中的重大創(chuàng)新1.1復(fù)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(fù)極用于承載活性物質(zhì)（正負(fù)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(shè)計，正、負(fù)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(fù)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(fù)合集流體采用“三明治”結(jié)構(gòu)，兼具安全性和經(jīng)濟(jì)性，有望成為下一代集流體材料。所謂的復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性，兼具安全性和經(jīng)濟(jì)性，有望成為下一代集流體材料。復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)最早在覆銅板上得到應(yīng)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(fù)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(fù)合集流體。2021年，復(fù)合集流體啟動產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。1.2安全性：在抑制枝晶生成、斷路效應(yīng)、抑制擴(kuò)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?zé)崾Э厝找媸艿街匾?。國家?yīng)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(zāi)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(zāi)平均增幅（8.8%），相當(dāng)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(biāo)增加了對熱擴(kuò)散和過流保護(hù)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(kuò)散”、“過流保護(hù)”項目，體現(xiàn)對電池安全的日益重視。誘因：熱失控由機(jī)、電、熱等多種因素單獨或耦合誘發(fā)，負(fù)極副反應(yīng)首先進(jìn)行。當(dāng)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(dǎo)致電動汽車發(fā)生災(zāi)難性火災(zāi)。電池的熱失控往往由針刺、碰撞等機(jī)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(dāng)導(dǎo)致的熱誘因，共同促進(jìn)了熱失控的發(fā)生。當(dāng)熱失控開始的時候，負(fù)極副反應(yīng)首先進(jìn)行，SEI膜（固體電解質(zhì)界面膜SolidElectrolyteInterface）分解，負(fù)極與電解液反應(yīng)，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?zé)崾Э氐漠a(chǎn)生機(jī)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(fù)合集流體充當(dāng)“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(fù)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(hù)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(jī)應(yīng)用的需求，尋找新的內(nèi)短路解決方案迫在眉睫。原理：復(fù)合集流體在抑制枝晶生成、斷路效應(yīng)、抑制擴(kuò)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(yīng)力，從而導(dǎo)致集流體上出現(xiàn)微觀褶皺，最終導(dǎo)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(yīng)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(fù)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(yīng)，可控制短路電流不增大，從而有效控制電池?zé)崾Э啬酥帘ㄆ鸹穑瑥母旧辖鉀Q了電池爆炸起火；3）抑制起火擴(kuò)散：火災(zāi)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(xué)《Ultralightandfire-extinguishingcurrentcollectorsforhigh-energyandhigh-safetylithium-ionbatteries》文中對TPP復(fù)合集流體火災(zāi)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(fù)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(zāi)發(fā)展，從而實現(xiàn)阻燃效果。使用復(fù)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(jìn)行了嚴(yán)苛的針刺測試，帶有復(fù)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(jì)性：復(fù)合銅箔相較傳統(tǒng)銅箔理論成本節(jié)約40.3%主流6.5μm復(fù)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(fù)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(fù)合銅箔減重比例達(dá)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(shè)下，不更換電池其他結(jié)構(gòu)，主流復(fù)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(fù)合銅箔相較傳統(tǒng)銅箔理論成本節(jié)約40.30%。盡管當(dāng)前復(fù)合銅箔的初始設(shè)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(fù)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(jìn)入加速階段，2023年有望成為量產(chǎn)元年我們認(rèn)為，復(fù)合集流體憑借其安全性和經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)業(yè)發(fā)展有望加速：①設(shè)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(jìn)入復(fù)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(fù)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(fù)合銅箔訂單，產(chǎn)業(yè)進(jìn)展積極。2.1產(chǎn)業(yè)趨勢：顯著加速，設(shè)備商、新型銅箔廠、電池廠及終端用戶紛紛布局從0到1，復(fù)合集流體產(chǎn)業(yè)趨勢愈發(fā)明朗，設(shè)備商、新型銅箔廠、電池廠及終端用戶紛紛布局。復(fù)合集流體憑借安全性和經(jīng)濟(jì)性的特點，自2022年初水電鍍加工環(huán)節(jié)設(shè)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(fù)合銅箔（寶明科技）、大批量水電鍍設(shè)備采購協(xié)議、多家膜材料廠送樣&生產(chǎn)基地奠基建設(shè)等階段性進(jìn)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(jìn)入復(fù)合銅箔生產(chǎn)領(lǐng)域，設(shè)備商亦不斷創(chuàng)新，積極推動產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(fù)合集流體，為首家宣布使用復(fù)合集流體的主機(jī)廠。2023年3月30日，廣汽埃安發(fā)布了彈匣電池2.0軍標(biāo)級槍擊測試結(jié)果，常規(guī)鐵鋰電芯遭遇槍擊后隨機(jī)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(jìn)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(fù)合集流體材料，也是國內(nèi)首個宣布采用復(fù)合集流體的電池，預(yù)計首搭車型為HperGT昊鉑。OPPO推出夾心式安全電池，采用復(fù)合集流體增強(qiáng)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(fù)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(fù)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(rèn)證。據(jù)中國能源網(wǎng)，寧德時代在復(fù)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(rèn)證。此外，寧德時代麒麟電池采用NP2.0技術(shù)，能量密度達(dá)255Wh/kg。在相同化學(xué)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(tuán)（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(jìn)入復(fù)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(fù)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(dāng)前主流復(fù)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(qiáng)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(yīng)用。復(fù)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(fù)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(jìn)入鍍液，并不斷遷移到陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)，逐步形成金屬銅鍍層。但PET等高分子材料不導(dǎo)電，無法直接進(jìn)行化學(xué)電鍍，需要先對高分子材料進(jìn)行表面處理、活化、沉積導(dǎo)電層等，增加導(dǎo)電性。復(fù)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(xué)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(jī)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(jìn)行清洗、粗化，提升表面粗糙度，然后以化學(xué)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(jìn)行活化。由于PET/PP表面不導(dǎo)電，無法直接進(jìn)行電鍍，需要先對高分子材料進(jìn)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(dǎo)電功能。在磁控濺射形成基礎(chǔ)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(dǎo)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(bǔ)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(rèn)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(shè)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(biāo)上的突破值得關(guān)注。兩步法仍為當(dāng)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(dá)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(yù)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(biāo)（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(fù)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)?；a(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(shè)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(fù)合集流體向量產(chǎn)邁進(jìn)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(fù)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(fù)合鋁箔/復(fù)合銅箔、PET/PP基膜、滾焊、快充等方向積極研究，取得良好進(jìn)展。復(fù)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(fù)合銅箔的兩步法、一步法等技術(shù)路線差異，復(fù)合鋁箔無需使用化學(xué)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(fù)合鋁箔量產(chǎn)，采用真空反應(yīng)鍍膜+真空蒸鍍制備。其中，真空反應(yīng)鍍膜是指將鋁熔化并蒸發(fā)后，在鋁蒸汽擴(kuò)散的通道上同時通入氧氣，使鋁和氧氣反應(yīng)生成5-15nm致密性良好的氧化鋁。相較于復(fù)合鋁箔，復(fù)合銅箔在降本及能量密度方面潛力更大。復(fù)合鋁箔工藝普遍采用蒸鍍，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展更快。在參數(shù)方面，據(jù)GGII，8μm復(fù)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(fù)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(fù)合集流體物理結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致產(chǎn)熱、導(dǎo)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(dāng)金屬厚度由傳統(tǒng)集流體的6μm分別降到復(fù)合集流體的2μm時，相應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)合集流體導(dǎo)電能力，應(yīng)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(xué)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