鋰電複合集流體包括正極複合鋁箔和負極複合銅箔，兩種材料都具備高安全和高能量密度優勢，但是在成本方面具有差異性，而成本是決定其能否大規模量產的核心依據。我們認為，當前階段複合銅箔已具備大規模量產條件，複合鋁箔滲透率提升取決於以下兩點均衡：一是複合銅箔對安全性提升是否徹底；二是複合鋁箔降本空間。結論是：現有工藝條件下，複合鋁箔可能尚不具備大規模量產的條件。
摘要
複合鋁箔具有高安全、高能量密度、高成本等「三高」特徵。複合鋁箔是通過真空蒸鍍工藝在6微米PET基膜上下表面各鍍1微米鋁形成的「三明治」結構，在安全性提升方面優於複合銅箔，但是在成本方面存在「短板」。（1）高安全：理論上，正極對安全性影響更大，但是正負極集流體其中一側替換後，即可大幅提升電池的安全性；（2）高能量密度：複合鋁箔可提升重量能量密度，但幅度遜於複合銅箔；（3）高成本：我們認為，當前複合鋁箔理論量產成本是傳統鋁箔的5倍左右，工藝路線決定其降本空間較為有限；而複合銅箔量產疊加設備效率提升後，或有望較當前電解銅箔具備15%以上的成本優勢。
降本空間受限是制約複合鋁箔滲透率提升的關鍵。結合產業鏈調研，我們測算現有工藝條件下，複合鋁箔理論量產成本約為3.2元/平米，是傳統鋁箔的5倍左右，其中設備折舊占比約60%-70%，能耗占比約20%。因其單次為納米級沉積，需反覆蒸鍍至少十幾次，生產效率相對較低，設備折舊及能耗（電費）成本難以通過規模效應大幅攤薄，理論降本空間有限。
複合鋁箔產業化處於早期階段，重慶金美或存在先發優勢。部分公司已宣布量產複合鋁箔，但是我們認為量產進度仍有待於觀察。設備環節，磁控濺射與蒸鍍同屬於物理氣相沉積（PVD）工藝，多數磁控濺射設備廠家同時可提供蒸鍍產品。海外廠商包括應用材料、愛發科等；國內可以提供蒸鍍設備的廠商包括海格銳特、騰勝科技、匯成真空、振華科技等，此外，東威科技掌握磁控濺射工藝，也具備延展至蒸鍍設備的潛力
風險
複合集流體產業化進度不及預期；集流體材料技術路線變化超出預期；複合鋁箔成本下降超出預期。
正文
複合鋁箔：新型正極集流體，採用真空蒸鍍製備工藝
鋁箔是正極集流體材質。鋰電池的充放電需要將化學能轉化的電能傳出，集流體擔負著承載活性物質並完成電流傳導的作用，無論是傳統壓延鋁箔還是複合鋁箔，起到的作用相同。
複合鋁箔採用「三明治」結構，以PET等高分子材料作為基材，在高真空環境下，於基材上下兩面堆積鋁分子，從而形成複合型材料。以重慶金美為例，其複合鋁箔厚度約為8微米，其中基材厚度約6微米，上下各鍍1微米左右的鋁。對比傳統壓延鋁箔，因其為物理壓延工藝，厚度存在一定的物理極限，目前主流厚度為12微米，少數廠商可達到10微米。
圖表：鋁箔充當正極材料的載體與正極集流體
資料來源：(Xu K., 2004),中金公司研究部
圖表：複合鋁箔與傳統鋁箔的對比
資料來源：重慶金美環評報告，中金公司研究部
生產工藝：不同於傳統鋁箔的壓延工藝，複合鋁箔採用蒸鍍工藝
壓延鋁箔：將鋁錠融化、鑄坯後，通過軋輥進行物理壓縮產生塑性形變，以達到要求的厚度與形態。
圖表：壓延鋁箔工藝流程及對應設備
資料來源：公司公告，中金公司研究部
複合鋁箔主流工藝為蒸鍍[1]，採用真空蒸發鍍膜，將鋁層鍍在非金屬材料表面。（1）將PET離子生成6μm PET膜；（2）以化學氣相沉積的真空蒸鍍方式，在PET膜表面沉積5-15nm的鋁氧化層，作為膜面的活化物質；（3）以物理氣相沉積的真空蒸鍍方式鍍鋁層，使各邊厚度增至1μm，最終形成約8μm的PET複合鋁箔。
圖表：複合鋁箔和壓延鋁箔生產流程對比
資料來源：公司公告，重慶金美環評報告，中金公司研究部。註：複合鋁箔生產流程以重慶金美為例
►為什麼要先進行第一步化學氣相沉積的真空反應鍍膜？
製備打底層，提升材料的力學性能與結合力。（1）在力學性能方面，PET--Al的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量都優於PET-Al，更好的力學性能有利於滿足電池極片塗布和輥壓過程的製備工藝；（2）在結合力方面，氧化層可顯著增大高分子基材表面的粗糙度，提供界面化學鍵合，明顯提升了高分子基材與鋁層的結合力；（3）在電解液兼容性方面，結合力的提升有利於複合集流體抵抗電解液的侵蝕，而PET-Al在電解液中HF的腐蝕下易出現脫層、龜裂現象，導致歐姆阻抗增加[2]。
►第一步化學氣相沉積的真空反應鍍膜技術原理是什麼？
真空蒸鍍工藝用於複合鋁箔真空反應鍍膜時，向高溫的蒸發舟上送入鋁絲，在電加熱的方式下，使固態鋁轉變為氣態鋁，在鋁蒸汽擴散的通道上同時通入氧氣，使氧氣與鋁分子發生反應生成金屬化合物，並沉積在基體表面，形成5-15nm緻密性好、抗蝕的輔助層。
►第二步物理氣相沉積的真空蒸鍍鍍膜技術原理是什麼？
真空鍍膜工藝使用鍍膜氧化鋁的物料作為基膜，在真空室內通過電加熱使固態鋁轉變為氣態鋁，氣態鋁原子沉積至基材，附著在基材表面形核、長大成固體薄膜，薄膜原子重構或產生化學鍵合，形成具備特殊性能的金屬鋁薄膜，厚度一般為800-1000nm[3]。
整個過程在真空室內進行，且膜面背面緊貼通入-20℃至-30℃冷卻液的鋼棍，使膜在受熱的同時可以進行急速降溫，使分子迅速凝結在膜面，通過控制冷卻液鋼棍的溫度保證膜面溫度可始終保持在膜熱熔溫度以下，不會使膜發生形變。
►真空蒸鍍工藝製備複合鋁箔的難點在於？
真空蒸鍍工藝具有成膜速度快、設備操作容易等優點[4]。然而，製備複合鋁箔時存在以下難點：（1）易造成薄膜與基材的結合力不足；（2）作業溫度較高，為了提高成品良率，膜在受熱的同時要進行急速降溫以保證基材不受熱形變，高溫下對基膜穩定性要求高；（3）增厚環節需要反覆蒸鍍十幾次，需多次經受高溫‑冷卻的循環過程，基膜的抗拉強度和延伸率有可能衰減；（4）設備技術經驗積累和開發能力。
圖表：真空蒸發鍍膜設備
資料來源：公司公告，中金公司研究部
複合鋁箔「三高」特徵：高安全、高能量密度、高成本
無論正極還是負極，採用複合集流體，均可滿足電池廠對更高安全性、更高能量密度的追求。我們認為通過加入PET/PP等高分子材料，複合集流體實現了材料結構的變革，因為PET/PP具備絕緣、更低熔點、更低密度等特性，無論是正極還是負極，替換後均可實現提升安全性及重量能量密度的效果。進一步地，由於銅的密度更高，因此對重量能量密度提升作用更明顯。
複合銅箔應用優先級或高於鋁箔，複合鋁箔的高成本，成為限制其規模化應用的關鍵因素。市場認為，複合鋁箔量產後可能對複合銅箔滲透率提升邏輯造成壓制。但是我們認為，首先，二者是互補關係而非替代關係，不考慮成本的情況下，複合鋁箔起到錦上添花的作用；其次，現階段工藝條件下，複合鋁箔生產成本高於傳統鋁箔，且下降空間較為有限，電池客戶大規模替換動力有限；最後，基於材料廠商角度，現階段單GWh複合鋁箔設備投資額遠高於複合銅箔，廠商投資意願或低於複合銅箔。
#1安全性：正負極集流體其中一側替換後，即可提升電池安全性
理論上，正極對安全性影響更大。作為電池熱失控的共性環節，內短路分為四種，其中負極材料-鋁集流體，以及銅-鋁集流體發生內短路的危險程度較高。有學者[5]將電池內部短路分為4類：1）負極材料-鋁集流體；2）銅集流體-鋁集流體；3）負極材料-正極材料；4）銅集流體-正極材料。根據文獻[6]，第1類內部短路的短路阻值較低且導熱性較差，非常容易引發熱失控；第2類內部短路的短路阻值很低，但導熱性很好，危險程度較高；而第3類和第4類內部短路通常情況下不會引發熱失控。
圖表：鋰離子電池內部短路示意圖
資料來源：National Renewable Energy Laboratory，中金公司研究部
圖表：鋰電池不同內短路導致的熱失控
資料來源：(Santhanagopalan et al., 2009),中金公司研究部
但是，針對電池內短路問題，其中一側替換為複合材料，即可起到提升電池安全性的作用。複合集流體因為加入PET等絕緣且熔點低的材料，使其可以降低或切斷短路電流，提升電池的安全性。其作用原理在於當局部內短路時，PET熔點低、受熱易熔化坍塌，可通過PET絕緣層提供較大的電阻，有效切斷短路電流，防止熱失控。因此，無論是鋁箔還是銅箔，其中一方替換為PET複合材料，即可起到同樣的切斷短路電流的效果。
#2能量密度：複合鋁箔可提升能量密度，幅度略小於複合銅箔
由於有機支撐層密度低，複合集流體重量均可減輕，其中複合鋁箔減重絕對值略低於銅。根據文獻測算，傳統鋁箔/銅箔約占電池質量的7%/11%。根據我們測算（圖表10），無論正極還是負極集流體，替換為PET複合材料後均可降低重量，然而考慮到鋁的密度低於銅，採用複合鋁箔替換12μm鋁箔後的減重絕對值，略低於複合銅箔替換6μm銅箔。
圖表：某款25Ah三元鋰離子動力電池材料質量分數
資料來源：《車用鋰離子動力電池熱失控誘發與擴展機理、建模與防控》（馮旭寧，2021），中金公司研究部。註：25Ah NCM電池總質量720g
圖表：對比複合銅箔和複合鋁箔的重量降幅
資料來源：公司公告，中金公司研究部。註：以上均按材料厚度及密度估算
複合集流體均可提升電池的重量能量密度，其中複合銅箔提升幅度略高於鋁箔。根據比亞迪專利顯示，負極片和正極片只要有一個採用複合集流體來製備，即可提高重量能量密度；其採用3μm PP材料上下各鍍1μm銅的複合集流體，相比6μm電解銅箔，重量能量密度可提升3.3%；若採用4μm PP材料上下各鍍3μm鋁的複合集流體，相比10μm壓延鋁箔，重量能量密度可提升2.6%；二者均替換後合計可提升能量密度約6.1%。
圖表：比亞迪專利顯示複合集流體可提升電池的重量能量密度
資料來源：《複合集流體、電極片及電池》(比亞迪實用新型專利，申請號202120920860.2)，中金公司研究部。
#3成本：複合鋁箔生產成本遠高於傳統鋁箔，且下降空間較為有限
原材料成本：複合集流體均可降低原材料成本，但複合鋁箔降幅絕對值小於銅箔。鋁原材料在壓延鋁箔的生產成本中占比接近90%，中間替換PET材料後，複合鋁箔可以大幅降低原材料成本。根據我們測算，相比12µm壓延鋁箔原材料成本，8µm複合鋁箔原材料成本約為前者的28%；類似的，6.5µm複合銅箔原材料成本約為6µm電解銅箔的35%；對比正負極，根據圖表13測算，銅箔替換後的原材料成本絕對值的下降程度更大。
圖表：2021年鋁/銅箔占三元/鐵鋰電池電芯成本比重
資料來源：GGII，中金公司研究部。註：內圈以三元電池為例；外圈以鐵鋰電池為例
圖表：對比複合銅箔和複合鋁箔的原材料成本降幅
資料來源：公司公告，中金公司研究部
總生產成本：複合鋁箔理論量產成本約為傳統鋁箔的5倍左右。我們以鼎勝新材2021年電池箔為例，按密度折算後，傳統鋁箔生產成本約為0.69元/平米（2.13萬元/噸）。結合產業鏈調研，我們測算（圖表14）複合鋁箔的理論量產成本約為3.2元/平米，是傳統鋁箔的5倍左右，其中設備折舊占比約為60%-70%，能耗占比約為20%左右。特別要注意的是，以上理論成本均基於一定的前提假設，產業實際生產成本或因良率較低等問題，可能高於理論成本。
我們判斷，現有工藝條件下，複合鋁箔成本下降空間可能較為有限。我們認為原因在於：1）蒸鍍設備價值量高，根據產業鏈調研，單台進口蒸鍍設備價格約為5,000-6,000萬元，1GWh大約需要4台蒸鍍設備。2）蒸鍍設備效率相對較低，儘管其線速比磁控濺射高，但單次仍是納米級別的沉積，為了達到一微米厚度，需要反覆蒸鍍至少十幾次。
圖表：壓延鋁箔成本vs複合鋁箔成本
資料來源：公司公告，中金公司研究部。註：複合鋁箔成本測算前提假設為實現規模化量產；假設設備折舊年限為8年；假設設備功率350KW/h，每年運行360天，每天運行24小時，電費0.6元/度；假設設備折舊外其他製造費用占比15%
圖表：電解銅箔成本vs複合銅箔成本
資料來源：Wind，公司公告，中金公司研究部。註：複合銅箔成本測算前提假設為實現規模化量產；假設設備折舊年限為8年；最右側假設設備良率提升、電鍍設備提速至13m/min且銅價回落至2019年水平
對比複合銅箔，其成本有望做到比電解銅箔更低的水平，客戶替換意願或更強。根據銅冠銅箔與中一科技披露，1H21 6µm電解銅箔生產成本約為3.71元/m2（6.9萬元/噸），2H22年至今陰極銅均價較1H21約回落8%，按銅價降幅估算電解銅箔成本約為3.49元/m2。根據我們此前報告測算，當實現規模量產疊加生產設備效率提升後，複合銅箔成本或有望下降至比電解銅箔更低的水平。根據東威科技投資者調研紀要，成套使用該公司裝備後成本有望降到每平米2元多，我們估算該成本或比當前電解銅箔具有15%以上的成本優勢。
二者成本差異較大的原因在於，最為經濟的水電鍍適用於複合銅箔，卻無法應用於複合鋁箔。我們認為，無論是磁控濺射還是蒸鍍，更適合用於納米級別的金屬打底，而從幾十納米增厚到1微米的厚度，水電鍍是最為經濟的方式，效率更高、成本更低。然而，由於鋁的化學性質活潑，水電鍍無法應用於鍍鋁工藝，行業內一般多採用真空鍍膜方式，但蒸鍍等工藝的效率遠低於水電鍍，導致其設備折舊及能耗成本較難通過規模效應來大幅攤薄。
產業化進度：產業化尚處早期階段，能否量產仍待觀察
材料端，複合鋁箔產業化尚處於早期階段，能否實現量產仍有待觀察。重慶金美於今年11月召開發布會，宣布實現8微米複合鋁箔產品量產，該複合鋁箔產品主供全球動力電池龍頭企業客戶[7]。我們認為，複合鋁箔當前生產成本較高，尚不具備大規模應用的條件，或將作為複合銅箔量產前的過渡；而未來能否實現大規模應用，則取決於以下兩點均衡：一是複合銅箔對安全性提升是否徹底；二是複合鋁箔降本空間。
設備端，磁控濺射與蒸鍍同屬PVD設備，供應商重疊度較高。設備端，磁控濺射與蒸鍍同屬於物理氣相沉積（PVD）工藝，多數磁控濺射設備廠家同時可提供蒸鍍產品。海外廠商包括應用材料、愛發科等；國內可以提供蒸鍍設備的廠商包括海格銳特、騰勝科技、匯成真空、振華科技等，此外，東威科技具有磁控濺射設備工藝，也具備延展至蒸鍍設備的潛力。
基於投資回報率角度，複合銅箔材料短期產業化動力更強，有望於明年進入量產階段。根據我們產業鏈調研，1GWh複合銅箔設備投資額約5,000-6,000萬元，1GWh複合鋁箔設備投資額約2億元。絕大多數研發複合鋁箔的材料廠商同時布局了複合銅箔，我們認為，基於投資回報率角度，短期內，材料廠商推進複合銅箔產業化的動力或更強。目前複合銅箔已湧入幾十家材料廠商，分別處於研發、送樣、設備下單到量產前夕等不同階段。我們判斷，伴隨最早一批材料廠商例如寶明科技在動力電池廠商送樣檢測流程的完成，1H23以後有望看到複合銅箔在動力電池領域的小規模量產，2024年有望看到大規模量產。
圖表：複合鋁箔產業鏈布局
資料來源：公司公告，公司官網，江陰納力環評文件，專利之星，中金公司研究部
風險提示
複合集流體產業化進度不及預期
儘管複合集流體的性能優勢較為突出，但是實現產業化需綜合考慮多方面因素。材料端，儘管已有複合銅箔材料廠商完成循環測試，但仍有部分材料廠商尚未徹底解決材料穿孔、附著力較低等問題，或將延後其產業化進度；設備端，相關設備廠商的產能擴張進度若低於預期，可能導致行業產業化進度低於預期；電池端，除了頭部廠商進展較快，其他電池廠商目前仍在解決超聲波焊接的工藝難點，若短期內無法解決，或將延後其他電池廠的推進速度。此外，短期內國內外疫情反覆，局部供應鏈及生產活動受阻，可能對產業化進度產生負面影響。
集流體材料技術路線變化超出預期
複合銅箔存在的前提是負極集流體導電層仍採用金屬銅，而非鋁等其他金屬。我們了解到下游鈉離子電池或可採用金屬鋁作為負極集流體，儘管短期內鈉離子電池大規模取代鋰離子電池的可能性較低，但如果負極集流體的技術路線變革速度超出我們預期，則可能導致複合銅箔滲透率提升低於預期。
複合鋁箔成本下降超出預期
本文對於複合鋁箔成本測算均基於一定的假設前提，測算結果有可能存在一定誤差；此外，如果複合鋁箔製備工藝研發出新的工藝路線，則有可能導致成本降幅大於我們預期；若成本下降導致複合鋁箔投資回報率高於複合銅箔項目，則有可能導致複合銅箔滲透率提升低於預期。
[1] 此處流程以重慶金美複合鋁箔工藝為例，此外亦有部分廠商採用磁控濺射工藝，例如新嵛柔性材料等。
[2] 資料來源：汪茹, 劉志康, 嚴超, 伽龍, 黃雲輝. 高安全鋰離子電池複合集流體的界面強化[J]. 物理化學學報, 2023, 39(2): 2203043.
[3] 資料來源：宣天鵬. 表面工程技術的設計與選擇[M]. 機械工業出版社, 2011.
[4]資料源：http://www.highgreat.com/page170；http://www.ipc.cas.cn/kyzb/ggjsfwzx/jgfxsyq/202003/t20200323_5518365.html
[5] 資料來源：Santhanagopalan S, Ramadass P, Zhang J Z. Analysis of internal short-circuit in a lithium ion cell[J]. Journal of Power Sources, 2009, 194(1):550-557.
[6] 資料來源：胡廣, 廖承林, 張文杰. 車用鋰離子電池熱失控研究綜述[J]. 電工電能新技術, 2021, 40(2):15.
[7]資料來源：https://company.cnstock.com/company/scp_gsxw/202211/4979560.htm
文章來源
本文摘自：2022年11月26日已經發布的《複合集流體系列2：複合鋁箔—新型正極集流體材料》
丁健 分析員 SAC 執證編號：S0080520080002 SFC CE Ref：BRQ847
陳顯帆 分析員 SAC 執證編號：S0080521050004 SFC CE Ref：BRO897
張賢 聯繫人 SAC 執證編號：S0080121070238
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