• 鋰電主流趨勢的復合集流體:需求年復合增速最高191%、設備投資額度可達300億
    來源:全景財經作者:全小景2022-10-20 22:13
    (原標題:鋰電主流趨勢的復合集流體:需求年復合增速最高191%、設備投資額度可達300億丨黃金眼)

    面對新能源電動車安全性、能力密度、成本、使用壽命等一系列問題考驗,新一代鋰電集流體技術——復合集流體,正緩緩走向國內鋰電產業鏈舞臺中央。

    01、什么是復合集流體?

    全方位均有增強效應的復合集流體,已經是較為確定的主流技術路徑。

    集流體是匯集正負極電流的結構部件,其有兩大功能,其一是承載性,自身承載正負極活性物質;其二是傳導性,在充放電過程中,將正負極電流輸入給活性物質,也將活性物質產生的電流匯集輸出。

    當前鋰電池分別使用銅箔和鋁箔作為負極和正極的集流體。鋁箔厚度通常為10um,更低可達到8um;銅箔厚度通常為6um,更低可達到4.5um;質量占比方面銅箔約占9%,鋁箔約占7%。

    不過,由于銅箔需要保持一定機械強度,因此集流體不可能無限減薄。而且過薄的集流體,在電池循環過程中易發生集流體的變形斷裂,從而導致安全問題,超薄銅箔的加工費也十分昂貴,導致整體成本不降反增。

    此背景下,復合集流體成為該領域突破的新技術路徑。

    復合集流體區別于傳統金屬集流體地,而是增加了其他成分的復合箔材,目前具備應用前景的是“金屬-高分子材料-金屬”三明治結構的復合集流體,中間層可選擇PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PP(聚丙烯)、PI(聚酰亞胺)等高分子材料。目前復合集流體中采用的高分子層厚度一般約4um,上下兩層銅層厚度各1um,合計約6um。

    復合箔是少有可同時提升安全性和能量密度的技術路徑,同時在工藝成熟和規模提升的趨勢下成本端優化帶來性價比提升,有望成為“全能下一代產品”。

    資料來源: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屬層,僅采用兩面約1微米的金屬層導電,電池針刺時無毛刺產生,同時高分子層起到“斷路效應”防止電池熱失控,也避免傳統金屬集流體老化脆斷及產生毛刺的風險,安全性能顯著提升。

    資料來源:金美新材

    其次在能量密度方面,以復合銅箔材料考量的話,假設6μm銅箔替換成1μm銅箔+4.5μmPET支撐層+1μm銅箔三明治結構PET銅箔(NCM523),其用量為0.35kg/kwh,較銅箔減重約50%;基于此,測算質量能量密度200wh/kg的電池包能量密度將提升至215wh/kg,質量能量密度提升約7%,效果十分顯著。

    而在成本方面,機構測算復合箔理論成本約3.6元/平,在良率80%水平下,完全成本約4.5元/平,折合單Gwh成本約0.45元,已和傳統銅箔的單Gwh成本處于相當水平;隨著產線設備迭代效率升級和良率提升,復合箔成本下降空間還比較大。

    資料來源:Wind,中信建投

    最后在使用壽命方面,在鋰電池負極中,通常會因為表面凹凸不平,導致凸起處的電子電荷分布變多,導致更多的鋰離子被吸引而發生沉積形成鋰枝晶。鋰枝晶會不可逆地造成鋰電池的容量和循環壽命,同時鋰枝晶增大會刺穿隔膜導致短路引發熱失控等安全性問題。

    復合集流體相較于純金屬層延展性更好,將產生褶皺緩解鋰枝晶生長帶來的局部應力,使鋰離子沉積更加均勻,減少鋰枝晶問題出現。復合銅箔在循環后容量保持,較純銅箔更好,因此復合集流體總體表現的循環壽命更優。

    資料來源:《Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation byelectroplating on soft substrates》

    02、板塊契機已至

    工藝、設備是替代進程關鍵因素

    其實早在2018年10月,寧德時代就公開報道其研發的多功能復合集流體技術首次應用于其高鎳三元版海外車型并量產,隨后在2021年全球新能源汽車前沿及創新技術評選中獲評為十大創新技術之一。

    2021年7月,OPPO發布夾心式安全電池,引入復合集流體技術,實現手機消費電池的不起火、不冒煙。復合集流體逐漸在動力電池、消費電池等領域替代傳統的電解銅箔、鋁箔投入使用,已經進入產業高度關注階段。

    復合集流體的量產化難點在于設備、工藝,工藝目前可分為兩步法(磁控濺射—水電鍍)和三步法(磁控濺射—蒸鍍—水電鍍)。

    其中真空磁控濺射技術是復合銅箔制造工藝的核心,其原理是用氬離子(Ar +)轟擊銅合金靶材,使靶材發生濺射,在濺射粒子中,中性的銅原子或部分銅離子沉積在基膜上形成薄膜。

    但真空磁控濺射工藝對設備要求較高,是影響產品良率和性能的關鍵,目前磁控濺射設備目前仍然以進口為主,成本較高。且磁控濺射沉積銅的效率相對于真空蒸鍍和水電鍍較低,是影響產線線速度的主要環節。

    真空磁控濺射原理圖/上海皓越官網

    真空蒸鍍是三步法制備復合銅箔的關鍵步驟。真空蒸鍍是指在真空條件下,通過一定的方式將金屬銅(蒸發源)加熱至蒸發,蒸汽運動到基材表面沉積形成銅層的過程。三步法相較于兩步法增加了真空蒸鍍的工藝,能夠有效提高銅層的均勻性。

    真空蒸鍍蒸發銅的量大于磁控濺射,所以此步驟可用于磁控濺射之后,對基材銅層進行加厚,從而減少水電鍍用時,在一定程度上提高產線速度。

    真空蒸鍍原理示意圖/《Structure and optical properties of PbI 2 thin film by thermal evaporation technique》

    水電鍍工藝則負責加厚銅沉積層,目前工藝技術相對成熟,通過外加電源,溶液中的銅離子在基膜側得到電子還原為銅原子,沉積在基膜表面加厚銅層,而銅源表面的銅失去電子形成游離銅離子不斷補充溶液中的銅離子。

    水電鍍原理圖/ Byjus官網

    此外蒸鍍、化學沉積法等替代工藝也在試驗階段。而水電鍍環節與傳統的PCB電鍍工藝相似性較大,但難度更高。主要存在設備導電輥表面易形成的鍍銅層刺破或劃傷薄膜、以及膜本身內應力造成的褶皺等問題,使得產品良品率偏低。

    在逐步克服設備、工藝等問題的未來,復合集流體將擁有十分可觀的市場空間。

    03、需求增速最高逼近191%

    設備投資額度可達300億

    首先在復合鋁箔方面,由于主要用于三元高端項目,且制造工藝高價格較貴,相對傳統鋁箔成本劣勢明顯,滲透率提升總體偏緩,目前市場更為關注的還是在復合銅箔領域。

    根據民生證券研究院測算,假設復合銅箔在發展前期的厚度為6.5μm,能夠滿足電池能量密度提升的需求;6.5μm復合銅箔中銅箔厚度為2μm,根據6μm電解銅箔折算復合銅箔單耗數據,約為233噸/GWh。

    在悲觀預期情況下,22-25年PET復合銅箔滲透率為3%、3.5%、4.5%、6%,PET復合銅箔需求為3.0、4.9、9.2、16.9億平米,2022-2025年CAGR達79%;

    在中性預期情況下,22-25年PET復合銅箔滲透率為3%、5%、8%、12%,PET復合銅箔需求為3.0、7.1、16.5、33.7億平米,2022-2025年CAGR達125%;

    而在樂觀預期情況下,22-25年PET復合銅箔滲透率為3%、9%、17%、26%,PET復合銅箔需求為3.0、12.7、34.9、73.1億平米,2022-2025年CAGR達191%。

    整個復合銅箔需求2022-2025年年均復合增速在79%-191%的區間內,處于高速增長態勢。

    資料來源:GGII,鑫欏鋰電,民生證券研究院測算

    與此同時,根據國信證券經濟研究所推算,復合銅箔領域到2025年設備累計投資額可能會逼近300億元。

    機構預計2022-2025年全球電池出貨量為776、1093、1502、1938GWh,在2026年出貨量增速為25%前提下,出貨量將達到2422.5Gwh。按照2024、2025、2026年復合銅箔滲透率為5%、10%、20%的假設情況下,考慮良率后2024、2025、2026年復合銅箔需求量為100.1、242.3、570GWh。

    而當前單GWh需要2臺磁控濺射設備及3臺水電鍍設備,磁控濺射設備2022年單價為1500萬元,價格每年降幅為10%,水電鍍設備單價為1100萬元,價格年降幅為10%。因此至2025年設備累計投資額達到294.9億元,23-25年新增設備投資額為56.7、100.3、131.6億元。

    資料來源:高工鋰電(GGII)、國信證券經濟研究所整理及測算

    04、巨大主流浪潮中

    一眾企業或將持續受益

    首先,國內復合集流體產業鏈上游有磁控濺射設備、水電鍍設備、真空鍍設備、PET基材等企業。

    磁控濺射和真空鍍設備領域中,騰勝科技研制出了國內首臺量產型復合銅箔的真空鍍膜設備,在復合銅箔、復合鋁箔材料工藝及裝備上積累不少技術經驗,設備已經供應國內外等頭部企業。

    此外,匯成真空主要產品有連續式磁控濺射鍍膜生產線、超高真空系統等真空設備,是國家第三批“專精特新”小巨人企業;振華科技為大型真空設備制造商,主要提供連續式鍍膜生產線、磁控濺射鍍膜設備、陰極電弧離子鍍膜設備等;東昇機電則提供提供產品包括卷繞式真空鍍膜機、分切機、復卷機和雙向拉伸薄膜生產線等相關設備。

    水電鍍設備方面,東威科技可量產復合銅箔工藝中電鍍增厚設備(水電鍍設備),同時也重點研發磁控濺射設備。

    基材領域中,主要從事光學膜、復合膜開發生產的雙星新材,2020年立項布局PET銅箔,目前在自制4.5um基材基礎上,完成了原料、磁控濺射、水鍍工藝,已為客戶送樣認證,同時開發3.5um及以下基材。

    康輝新材產品主要包括PET,BOPET等材料,公司多條產線具備量產4.5-6umPET復合銅箔用基膜能力。目前公司PET復合銅箔用基膜已通過下游多家PET銅箔廠商、電池廠商前期驗證,后期驗證工作有序推進。而東材科技的主營產品就包括PP,PET等材料。

    資料來源:雙星新材、嘉元科技、寶明科技、中一科技等公司公告、國信證券經濟研究所整理

    在中游環節,則是一眾復合銅箔制造商。

    其中金美新材、廈門海辰鋰電、寶明科技、雙星新材、方邦股份等公司借助自身技術優勢,相繼布局復合材料,涉及復合銅/鋁膜、復合銅箔、功能性聚酯(PET)薄膜等復合集流體項目,金美新材、海辰鋰電的產品研發和產能規劃節奏相對領先。

    資料來源:公司環評

    同時,道森股份、萬順新材、嘉元科技、諾德股份等傳統銅箔公司,也普遍認同PET復合銅箔的應用優勢與發展前景,目前多數企業技術研發尚處于實驗驗證階段,機構預計明年開始將會有公司逐步推進。

    資料來源:公司公告

    當前整個復合集流體產業鏈參與者眾多,其中頭部優勢明確,隨著下游需求持續放量,上、中游等企業將有更大的發展空間。

    責任編輯: 高蕊琦
    聲明:證券時報力求信息真實、準確,文章提及內容僅供參考,不構成實質性投資建議,據此操作風險自擔
    下載“證券時報”官方APP,或關注官方微信公眾號,即可隨時了解股市動態,洞察政策信息,把握財富機會。
    網友評論
    登錄后可以發言
    發送
    網友評論僅供其表達個人看法,并不表明證券時報立場
    暫無評論
    為你推薦
    時報熱榜
    換一換
      熱點視頻
      換一換
      亚洲ⅴa中文字幕无码毛片