锂电主流趋势的复合集流体：需求年复合增速最高191%、设备投资额度可达300亿

来源：全景财经作者：全小景2022-10-20 22:13

（原标题：锂电主流趋势的复合集流体：需求年复合增速最高191%、设备投资额度可达300亿丨黄金眼）

面对新能源电动车安全性、能力密度、成本、使用寿命等一系列问题考验，新一代锂电集流体技术——复合集流体，正缓缓走向国内锂电产业链舞台中央。

01、什么是复合集流体？

全方位均有增强效应的复合集流体，已经是较为确定的主流技术路径。

集流体是汇集正负极电流的结构部件，其有两大功能，其一是承载性，自身承载正负极活性物质；其二是传导性，在充放电过程中，将正负极电流输入给活性物质，也将活性物质产生的电流汇集输出。

当前锂电池分别使用铜箔和铝箔作为负极和正极的集流体。铝箔厚度通常为10um，更低可达到8um；铜箔厚度通常为6um，更低可达到4.5um；质量占比方面铜箔约占9%，铝箔约占7%。

不过，由于铜箔需要保持一定机械强度，因此集流体不可能无限减薄。而且过薄的集流体，在电池循环过程中易发生集流体的变形断裂，从而导致安全问题，超薄铜箔的加工费也十分昂贵，导致整体成本不降反增。

此背景下，复合集流体成为该领域突破的新技术路径。

复合集流体区别于传统金属集流体地，而是增加了其他成分的复合箔材，目前具备应用前景的是“金属-高分子材料-金属”三明治结构的复合集流体，中间层可选择PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PP(聚丙烯）、PI（聚酰亚胺）等高分子材料。目前复合集流体中采用的高分子层厚度一般约4um，上下两层铜层厚度各1um，合计约6um。

复合箔是少有可同时提升安全性和能量密度的技术路径，同时在工艺成熟和规模提升的趋势下成本端优化带来性价比提升，有望成为“全能下一代产品”。

资料来源：Yi Cui et al.《Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries》

首先在安全性方面，由于高分子材料代替大部分厚度的金属层，仅采用两面约1微米的金属层导电，电池针刺时无毛刺产生，同时高分子层起到“断路效应”防止电池热失控，也避免传统金属集流体老化脆断及产生毛刺的风险，安全性能显著提升。

资料来源：金美新材

其次在能量密度方面，以复合铜箔材料考量的话，假设6μm铜箔替换成1μm铜箔+4.5μmPET支撑层+1μm铜箔三明治结构PET铜箔（NCM523），其用量为0.35kg/kwh，较铜箔减重约50%；基于此，测算质量能量密度200wh/kg的电池包能量密度将提升至215wh/kg，质量能量密度提升约7%，效果十分显著。

而在成本方面，机构测算复合箔理论成本约3.6元/平，在良率80%水平下，完全成本约4.5元/平，折合单Gwh成本约0.45元，已和传统铜箔的单Gwh成本处于相当水平；随着产线设备迭代效率升级和良率提升，复合箔成本下降空间还比较大。

资料来源：Wind，中信建投

最后在使用寿命方面，在锂电池负极中，通常会因为表面凹凸不平，导致凸起处的电子电荷分布变多,导致更多的锂离子被吸引而发生沉积形成锂枝晶。锂枝晶会不可逆地造成锂电池的容量和循环寿命，同时锂枝晶增大会刺穿隔膜导致短路引发热失控等安全性问题。

复合集流体相较于纯金属层延展性更好，将产生褶皱缓解锂枝晶生长带来的局部应力，使锂离子沉积更加均匀，减少锂枝晶问题出现。复合铜箔在循环后容量保持，较纯铜箔更好，因此复合集流体总体表现的循环寿命更优。

资料来源：《Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation byelectroplating on soft substrates》

02、板块契机已至

工艺、设备是替代进程关键因素

其实早在2018年10月，宁德时代就公开报道其研发的多功能复合集流体技术首次应用于其高镍三元版海外车型并量产，随后在2021年全球新能源汽车前沿及创新技术评选中获评为十大创新技术之一。

2021年7月，OPPO发布夹心式安全电池，引入复合集流体技术，实现手机消费电池的不起火、不冒烟。复合集流体逐渐在动力电池、消费电池等领域替代传统的电解铜箔、铝箔投入使用，已经进入产业高度关注阶段。

复合集流体的量产化难点在于设备、工艺，工艺目前可分为两步法（磁控溅射—水电镀）和三步法（磁控溅射—蒸镀—水电镀）。

其中真空磁控溅射技术是复合铜箔制造工艺的核心，其原理是用氩离子（Ar +）轰击铜合金靶材，使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的铜原子或部分铜离子沉积在基膜上形成薄膜。

但真空磁控溅射工艺对设备要求较高，是影响产品良率和性能的关键，目前磁控溅射设备目前仍然以进口为主，成本较高。且磁控溅射沉积铜的效率相对于真空蒸镀和水电镀较低，是影响产线线速度的主要环节。

真空磁控溅射原理图/上海皓越官网

真空蒸镀是三步法制备复合铜箔的关键步骤。真空蒸镀是指在真空条件下，通过一定的方式将金属铜（蒸发源）加热至蒸发，蒸汽运动到基材表面沉积形成铜层的过程。三步法相较于两步法增加了真空蒸镀的工艺，能够有效提高铜层的均匀性。

真空蒸镀蒸发铜的量大于磁控溅射，所以此步骤可用于磁控溅射之后，对基材铜层进行加厚，从而减少水电镀用时，在一定程度上提高产线速度。

真空蒸镀原理示意图/《Structure and optical properties of PbI 2 thin film by thermal evaporation technique》

水电镀工艺则负责加厚铜沉积层，目前工艺技术相对成熟，通过外加电源，溶液中的铜离子在基膜侧得到电子还原为铜原子，沉积在基膜表面加厚铜层，而铜源表面的铜失去电子形成游离铜离子不断补充溶液中的铜离子。

水电镀原理图/ Byjus官网

此外蒸镀、化学沉积法等替代工艺也在试验阶段。而水电镀环节与传统的PCB电镀工艺相似性较大，但难度更高。主要存在设备导电辊表面易形成的镀铜层刺破或划伤薄膜、以及膜本身内应力造成的褶皱等问题，使得产品良品率偏低。

在逐步克服设备、工艺等问题的未来，复合集流体将拥有十分可观的市场空间。

03、需求增速最高逼近191%

设备投资额度可达300亿

首先在复合铝箔方面，由于主要用于三元高端项目，且制造工艺高价格较贵，相对传统铝箔成本劣势明显，渗透率提升总体偏缓，目前市场更为关注的还是在复合铜箔领域。

根据民生证券研究院测算，假设复合铜箔在发展前期的厚度为6.5μm，能够满足电池能量密度提升的需求；6.5μm复合铜箔中铜箔厚度为2μm，根据6μm电解铜箔折算复合铜箔单耗数据，约为233吨/GWh。

在悲观预期情况下，22-25年PET复合铜箔渗透率为3%、3.5%、4.5%、6%，PET复合铜箔需求为3.0、4.9、9.2、16.9亿平米，2022-2025年CAGR达79%；

在中性预期情况下，22-25年PET复合铜箔渗透率为3%、5%、8%、12%，PET复合铜箔需求为3.0、7.1、16.5、33.7亿平米，2022-2025年CAGR达125%；

而在乐观预期情况下，22-25年PET复合铜箔渗透率为3%、9%、17%、26%，PET复合铜箔需求为3.0、12.7、34.9、73.1亿平米，2022-2025年CAGR达191%。

整个复合铜箔需求2022-2025年年均复合增速在79%-191%的区间内，处于高速增长态势。

资料来源：GGII，鑫椤锂电，民生证券研究院测算

与此同时，根据国信证券经济研究所推算，复合铜箔领域到2025年设备累计投资额可能会逼近300亿元。

机构预计2022-2025年全球电池出货量为776、1093、1502、1938GWh，在2026年出货量增速为25%前提下，出货量将达到2422.5Gwh。按照2024、2025、2026年复合铜箔渗透率为5%、10%、20%的假设情况下，考虑良率后2024、2025、2026年复合铜箔需求量为100.1、242.3、570GWh。

而当前单GWh需要2台磁控溅射设备及3台水电镀设备，磁控溅射设备2022年单价为1500万元，价格每年降幅为10%，水电镀设备单价为1100万元，价格年降幅为10%。因此至2025年设备累计投资额达到294.9亿元，23-25年新增设备投资额为56.7、100.3、131.6亿元。